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YCT电磁调速电机功率转换的普遍原理

时间:2015/11/28 点击数:3104
本文根据电机功率转换的普遍原理YCT电磁调速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。 
    转矩控制仅适于恒功率调速,它只是电机调速的局部,而不是调速的普遍规律。变频调速所依据的是转矩控制,实际执行的却是功率控制,因此才没有影响到应用的正确性。  
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。  
    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。     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。 
 
    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。     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

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