交流调速的功率控制原理与斩波内馈调速

0 引言

斩波内馈调速是我国首创的一种新型交流调速技术，通过近20 年的实践探索和理论研究，斩波内馈调速取得了长足的进步，产品在发电、供水、冶金等领域获得了推广应用，技术经济性能都达到了较为理想的指标。事实表明，斩波内馈调速具有调速效率高，制造成本低，功率因数高，谐波分量小等一系列优点，不仅为我国的风机泵类节能提供了一种经济、高效的调速技术和产品，也为世界的交流调速填补了一项空白。

在从事交流调速的多年研发中，作者发现变频调速与串级调速(包括双馈调速及内馈调速)具有极为相似的调速性能，例如调速效率、机械特性等都很一致，但按传统理论串级调速属于变转差率调速，被认为与变频调速有着本质的区别。显然，面对毋庸质疑的客观事实，传统电机学理论就值得探讨了。

重新审视电机学的有关部分，发现被视为经典的异步机转速公式竟然是一个人为的定义式，根本无法成为交流调速的理论依据，自然，按该表达式划分的调速种类和方法也是不科学的。电机调速的实质究竟是什么，电机调速的统一理论是什么，这是目前交流调速亟待解决的理论问题。

为此本文从能量转换守恒、牛顿力学定律、电磁感应定律等最基本的物理法则出发，分析和探讨电机调速的实质及统一规律，提出了电机调速的功率控制原理———P理论。P理论表明，包括异步机在内的所有电动机，调速的实质是功率控制，电机转速只能通过电磁功率或损耗功率的改变才能得到调节，所有的电机调速方法都是功率控制原理的具体实施。

1 异步机转速公式的质疑

公式是客观规律的数学表达形式，它只能产生于已有的定律、公式，而不能产生于人为的定义。

经典电机学的异步机转速公式是这样建立的。

首先定义转差率s，令

 

 

我们注意到，式(4)与式(2)没有本质变化，尽管式(3)是公式，但它仅仅起到参数变换作用，并没有改变式(1)、(2)的定义式性质。因此，我们认为式(4)只不过是人为的定义式，在没有经过科学论证之前，是不能称其为公式的。

2 电动机模型与功率控制原理

电动机是将电能转换成机械能的设备，因此可以普遍地表达为图1所示的四端网络。

 

 

负载转矩Mfz是由负载决定的客观存在，电磁转矩则跟随着负载转矩的变化而变化，负载转矩的每一次变化，都将引起电磁转矩的变化，这一动态变化过程及对转速的影响如下。

 

 

 

 

可见，电动机调速时，轴功率是主变控制量，电磁转矩是因变量，调速的本质在于功率控制。现在的问题是如何用电气的方法控制轴功率PM。

 

 

式(16)是电动机调速普遍规律的表达式。由此可见，电动机调速的原则有两种：一是控制电磁功率，所改变的是理想空载转速;二是增大损耗功率，以增大转速降。

3 异步机模型与调速的功控原理

异步机是电动机的一种，其调速原理必然服从上述的普遍调速规律。根据能量转换原理，异步机可以等效成图3所示的网络模型，也称为功率圆图。

 

 

定子和转子是构成异步机的两个重要部件，也是异步机能量传输和转换的关键单元。异步机的定子与电源相联并吸收电功率P1，扣除损耗形成电磁功率Pem，定子通过旋转磁场的作用，将电磁功率传输给转子，因此旋转磁场可以等效为电磁功率的传输通道，即图3 中的感应通道，在磁场的作用下，转子电磁功率除损耗外转化为轴功率。这种电磁感应通道的特点是交流机与直流机本质的区别。

衡量磁场的主要物理量是主磁通椎m ，为了使电磁感应通道畅通，不产生堵塞而造成损耗，根据电机学理论，应该使主磁通椎m保持恒定。这是调速时必须引起注意的。

异步机按转子型式分为鼠笼型和绕线型，前者转子是封闭短路的，因此只有一个轴功率输出端口;后者转子是开启的，因此具有轴功率和电功率两个端口。转子的电功率端口可以通过与外电路联接进行功率交换，由于转子电压较低，因此可以实现高压电机低压控制的调速，这是绕线异步机独具的优点。

异步机调速可以通过定子口或转子口对电动机实施功率控制调速，分别控制电磁功率或损耗功率。

前者改变的是理想空载转速，调速是高效率的，且机械特性为平行曲线;后者增大转速降，调速是低效率的，机械特性为汇交曲线。电机调速的效率只取决于

功率控制的属性，并不在于变频还是变转差率，因此，传统理论把变频调速和变转差率调速对立起来的观点是错误的。

应该注意同步转速和理想空载转速有本质的区别，同步转速n1是旋转磁场的变化速度，理想空载转速n0是假定转子全部电磁功率都转换为轴功率的机械速度。电动机的转速和调速效率只与n0密切相关，而与同步转速没有直接、必然的联系。

4 变频调速的功率控制原理

从功率控制角度观察，变频调速是典型的定子电磁功率控制调速。定子控制是间接控制转子的调速，由于定、转子电磁功率相等，而定子电磁功率

 

 

 

 

保持不变，从而实现高效率的电磁功率控制调速。变频调速时，理想空载转速n0随U1改变，此时同步转速n1随f1而变，且有n0=n1，但决定电动机转速的是n0而不是n1，下面将会看到，即使n1不变，n0也可随电磁功率改变。

根据上述分析，恒转矩变频调速时，其充分条件是调压，必要条件是变频，调速的实质在于对电磁功率控制。

5 转子电磁功率控制调速与内馈调速

对于绕线转子异步机，可以对转子直接实施电磁功率控制。方法是从转子口移出或注入电功率，以改变转子的净电磁功率，使理想空载转速得以调节。

转子电磁功率控制有以下特点：

1)定子电压、频率不变，主磁通亦不变，因此调速是恒转矩的;

2)同步转速不变，理想空载转速却可变(n1 与n0无直接必然的联系);

3)技术简单，效率高，经济性好。

对于图3(b)的转子电磁功率控制，当在转子的转差功率端口引入附加的电磁功率时，转子的净电磁功率

 

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转子电磁功率控制调速技术的关键为：

1)由于转子电压的频率为变化的转差频率，因此必须要进行频率变换，以使转子和附加电源进行有功功率交换;

2)能够连续地控制Pes的大小，以获得平滑的无级调速。

另外，要合理确定Pes额定值，它将决定调速范围。上述的技术要点是设计调速控制装置应该注意的原则。

附加电源是转子电磁功率控制的结构要点，它是Pes传输所必须的。传统的方法例如串级(Cascade Control)、双馈(Double Feed)等调速的附加电源都由

外部来提供，但外附电源使系统复杂化，而且在低同步调速时造成Pes在定子至外附电源之间的无谓循环，增大了定子损耗。较好的方法是在我国首创的斩波内馈调速，其原理如图5所示。

 

 

该系统的突出特征是采用了内馈调速的特殊异步机，在内馈电机的定子槽中，与原边绕组同槽嵌放一个内馈绕组(前亦称调节绕组)，内馈绕组在旋转磁场的作用下，感应出电动势E3，其频率为固定的电源工频频率。内馈绕组与变流控制装置的输出端联接，接受从转子移出的电转差功率P3，此时内馈绕组处于发电状态，并通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。定子的有功功率由调速前的P1变为P1-P3，此时的定子有功功率为

P1K=P1-P3=PM+ΣP (25)

分析表明，定子有功功率不含电转差功率，只随机械功率而变化，而且电机的损耗功率没有增大。

内馈调速的调速范围取决于电转差功率的大小，Pes越大调速下限越低，调速范围越大;反之Pes越调速范围越小。Pes的大小取决于内馈绕组的感应电势E3的量值，当E3=E20(转子开路电势)时调速可以从零开始。但无谓地扩大调速范围必须付出相应的技术、经济代价，因此，对于像风机、泵类调速范围不需要很大的负载，就没有必要把调速范围设计得很宽。

内馈调速是基于转子的电磁功率控制调速，与串级调速相比，由于加强了电机调速的内因，所以内馈调速没有外附的变压器，而且定子不含无谓循环传输的电转差功率，进一步减小了电损耗。因此，内馈调速具有结构简单，调速效率高的明显优点，同目前的高压变频、串级等高效率调速相比，内馈调速是更高效、更经济的调速。

6 内馈调速的斩波控制

6.1 问题的提出

前已叙及，调速控制时要尽量避免产生感性无功功率以提高功率因数，减小无功损耗。否则将使内馈调速电机的激磁电流和激磁功率剧烈增大，导致定子原绕组和内馈绕组无功损耗增大，严重影响电机的正常运行。

现在把注意力集中在调速控制的变流装置上，问题出现在变流控制中有源逆变器的控制方式上。

为了连续控制从转子移出的功率即内馈绕组的功率，实现转速的无级调节，传统的方法是采用移相控制。由于内馈绕组的功率

 

 

这样，当内馈调速电机的有功功率随逆变角茁的增大而减小时，而无功功率却在相应增大，从而使电机运行恶化。

另外，移相控制的缺点是可靠性差。众所周知，有源逆变对触发脉冲的要求是严格的，任何触发失误都将导致逆变颠覆造成短路，不仅严重影响运行的可靠性，而且检修也困难(无法在故障状态进行分析、查找)。造成移相控制可靠性低的原因是：

1)触发脉冲的移动。触发线路复杂而且要求具有快速响应性，触发线路抗干扰能力就降低。因为抗干扰强的触发电路必然具有大时间常数的惯性环节，这和快速响应是矛盾的。

2)逆变器的容量较大，换相困难。移相控制的全部受控功率都要经过逆变器，逆变器的容量相对就要增大，致使换相矛盾突出，难度加大。实际上晶闸管有源逆变器的可靠性关键就在换相上，一旦换相失败，逆变器就会发生短路故障，且无法自动恢复。

限于当时的技术水平，串级调速和第一、二代的内馈调速，采用的都是移相触发控制，逆变器承担着频率变换和功率调节的双重任务，怎样改进都难免顾此失彼，多年的实践证明，要从根本上解决问题只能另辟蹊径。

6.2 斩波控制的调速原理

要克服移相控制的缺点，只有改为对逆变电流进行控制，简单的方法是在直流回路实行斩波控制。图6所示的斩波控制原理电路是在逆变器NB 两端并联一个斩波开关K。

 

 

斩波开关对功率的控制作用是通过对电流平均值的控制实现的，斩波开关通常以恒频调宽方式工作，即工作频率一定，而开关导通时间可调。这样，当斩波开关导通时，转子电流经K而成回路，电流不流过逆变器，逆变器输出功率P3=0，转子的电磁功率转化为机械功率。

当开关K打开时，转子电流被迫流入逆变器，电流所产生的功率转化为反馈功率。

根据电机调速的功控原理，电机转速决定于机械功率(或反馈功率)的大小，在电流连续条件下，斩波电流和反馈电流互补，因此，只要分析其中任意一个电流对功率的控制作用，就可以说明调速机理了。

斩波控制的电机调速等效电路如图7所示。

分析可知，电机转速正比于机械功率，而机械功率正比于斩波开关电流，因此，调速就成为单只改变斩波开关电流的问题了。

为了简化分析，设负载转矩不变，转子直流电流为定值，即Id=C。斩波开关工作时，斩波电流iK和逆变阀端电流iN波形如图8所示。

 

 

 

 

可见改变占空比即可实现对反馈功率P3的控制，从而实现转速控制。

斩波控制实际上是数字化的功率控制，它较好地克服了移相控制的缺点，目前已成为电力电子技术的发展方向。把斩波技术与内馈调速有机结合所形成的斩波内馈调速，具有功率因数高、谐波分量小、逆变器和内馈绕组容量小、产品可靠性高等一系列优点，使内馈调速取得了质的提高，也是第三代内馈调速的典型特征。

7 新异步机调速分类与结论

电机调速P理论揭示了电机调速的实质，使调速原理和调速性能有机联系起来，结束了传统电机学调速分类缺乏科学性的历史。根据P理论，新异步机调速分类如图9所示。

 

 

8 结语

1)电机调速的实质是基于功率控制。功率控制原则有两种，一种是电磁功率控制，所改变的是电机理想空载转速，调速是高效率的节能型调速;另一种是损耗功率控制，增大电机转速降，调速是低效率、耗能型调速。电机转速普遍表达为理想空载转速与转速降之差，所有电机调速方法都归结于功率控制原理之中，或是从属电磁功率控制原则，或是从属损耗功率控制原则。

2)交流异步机调速的实质在于功率控制，电磁功率控制改变的是理想空载转速，损耗功率控制增大转速降。调速效率只取决于功率控制的属性而与其它无关。

3)经典的调速理论按变f 、变s、及变P划分调速方法缺乏科学性，电机学中的异步机转速表达式是人为定义式而非公式，不能视为指导交流调速的理论依据。

4)内馈调速与变频调速同属电磁功率控制调速，只有作用对象区别，没有本质区别。

5)凡电磁功率控制的调速，无论是以定子还是转子为控制对象，调速都是高效率的，机械特性为平行曲线;而增大损耗功率的调速，调速效率较低，机械特性为汇交曲线。两种调速的机械特性曲线的区别如图10所示。

 

 

反之，凡机械特性为平行曲线的调速必然是电磁功率控制的高效率调速;而机械特性为汇交曲线的调速必然是增大损耗功率的低效率调速。这种简明的推论对交流调速的选择、应用具有十分简便的指导意义。