电机调速的功率控制原理论文

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1、电机调速的功率控制原理论文.freelＩS（直流机）(６)或Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2（交流机）(７)受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即：Ｍ＝Ｍfz由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。二、功率控制的方法与性能电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图２

2、是其等效三端口网络。图２.异步机的等效网络其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压ｕ2和电流ｉ2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称Ｐs口。如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ｐs口为封闭不可控的。反之为绕线型，Ｐs口则是开启可控的，转子可以通过Ｐs口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过Ｐs口直接控制电枢轴功率。前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。１.定子伪电枢功率控制。图３.异步机定子功率控

3、制调速作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率：Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1（８）电枢的轴功率则为：ＰM＝Ｐem－△Ｐ2(９)故ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2）(10)可见，控制伪电枢的输入功率Ｐ1或增大其损耗△Ｐ1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。控制Ｐ1调速的唯一方法是调压━━变频，即所谓的变频调速。由于：Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1(11)故对于电压源供电调节端电压Ｕ1是控制功率Ｐ1的必须手段。问题的关键是为什么不能单纯调压，而必须辅以变频？这是定子除了伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。前已叙及

4、，功率控制的要点有：①保持主磁通量不变②作用对象是电枢或伪电枢③控制目标是轴功率如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量：Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1＝ＫＥ1／f1≈ＫＵ1／f1(12)恒频调压的结果，主磁通Φm将随Ｕ1下降而减小，形成了前述的转矩控制。更主要的是此时不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩：Ｍ＝Ｍfz＝const又Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1＝ＣMΦmＩ2COSφ2(13)设功率因数不变，定转

5、子电流Ｉ1、Ｉ2将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果功率Ｐ1不变，但定转子损耗：△Ｐ1＝ｍ1Ｉ12r1△Ｐ2＝ｍ2Ｉ222r1将按电流的平方律增大。根据式（１０），轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。于是变频调速建立了一条重要原则，就是调压变频，且保证Ｖ／Ｆ（压频比）为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理

6、。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，虽然结果无误，但理论上必须加以澄清。２.转子功率控制对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口━Ｐs口直接控制轴功率。方法是由Ｐs口移出或注入转差功率。需要指出：①所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以△Ｐ2。②转差功率有电能与热能之分，分别记以Ｐes和Ｐrs，两者性质不同，对调速的影响也不同。图４.异步机转子功率控制调速当在转子的Ｐs口引入电转差功率Ｐes时，转子的

7、轴功率：ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2（１４）式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从Ｐs口移出，正号表示从Ｐs口注入。Ｐes属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率ＰM发生变化，电机转速得到相应调节。电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。当Ｐs口引入的是热转差功率Ｐrs时，转子的轴功率则为：ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs）(１５)显然热转

8、差功率的引入，增大了电枢（转子）的损耗，轴功率随Ｐrs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。三、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有：Ω0＝Ｐem／Ｍ（１６）由于电磁转矩为负