电机调速的功率控制原理

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。

3.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。