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电机功率转换的原理

引言：
　　电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。
　本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。
一、功率控制与转矩控制
　根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。
　直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，而且功能独立，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。
　根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，因此，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，因此定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。
　从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为：
　　ＰM＝ＭΩ (１)
　　或 Ω＝ＰM／Ｍ （２）
　公式（２）除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。
　　１. 功率控制
　功率控制是以轴功率ＰM为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。
　即 Ｍ＝Ｍfz (３)
　当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变其量值。
　电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。
　设电机调速前的稳态转速为Ω1，轴功率为ＰM1，调速后的稳态转速为Ω2，相应的轴功率变为ＰM2。 由于电磁转矩：
　　Ｍ＝ＰM／Ω (４）
　　故调速时，电磁转矩变为：
　　Ｍ＝ＰM2／Ω
　　由于受惯性的作用，在ｔ＝0的调速瞬时Ω＝Ω1，故
　　Ｍ＝ＰM2／Ω1
　　t=0
　此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡，其变化规律为：
　　Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５）
　　电磁转矩则为：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2
　随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即：
　　Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz，
　转速稳定在Ω2不变，电机调速结束。 上述的调速过程可以由图１的框图说明。

图１ 功率控制的调速流程
　功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。
２. 转矩控制
　根据公式（２），电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。
　电磁转矩的独立控制方法主要依据转矩公式：
　　Ｍ＝ＣMΦmＩS （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，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＝ｍ1Ｉ 12 r1
△Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1
　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。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）
　由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。
　功率控制调速的电枢功率可以综合表达为：
ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７）
　相应的转速：
ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８）
Ω＝Ω0－△Ω (１９)
　其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ为功率控制调速的理想空载转速，因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机转速降。
　电机调速的效率表达为：
η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi）
＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2)
　因此，在一定的轴功率ＰM输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。
　公式（１８）同时刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率ΣＰem时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随ΣＰem连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。如图５给出了两种调速的定性曲线。

图５ ａ.电磁功率调速特性 ｂ.转速降调速特性
　综上所述，可以得出以下结论：
　　① 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。
　　② 电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。
四、异步机调速的分类与方法
　与按n＝ 60f1/p·(1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：

　　　　　　　　　　　　性质/方案 控制点/变量 方法 要点
五、结论
　　1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。
2.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢， 并最终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。
3. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。
4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。