电动机功率转换原理.docx

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电动机功率转换原理

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进展的重要理论问题。

随着近代变频调速矢量操纵及直接转矩操纵等调速操纵理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩操纵确以为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩操纵。

但是，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商议。

　本文依照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操纵，转速调剂是功率操纵的响应，其关键为如何通过电功率操纵轴功率。

一、功率操纵与转矩操纵

　依照机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部份。

主磁极的作用是成立主磁场，电枢那么是与磁场彼此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，无疑符合以上概念。

而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分组成，需加说明。

　依照所述电枢概念，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份特点，那个地址咱们把它称为伪电枢。

定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的要紧特点。

　从电枢输出角度观看，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）除给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系之外，同时说明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种操纵取得调剂，前者简称功率操纵，后者简称转矩操纵。

　　１.功率操纵

　功率操纵是以轴功率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信以后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电磁转矩不仅与调速操纵无关，而且不能随意改变其量值。

　电磁转矩对转速的作用表此刻调速的过渡进程，转矩的转变是转速响应滞后的结果，现在，功率操纵造成电磁转矩响应。

　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，相应的轴功率变成ＰM2。

由于电磁转矩：

　　Ｍ＝ＰM／Ω（４）

　　故调速时，电磁转矩变成：

　　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

　现在的电磁转矩将与原先的电磁转矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，转矩平稳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，其转变规律为：

　　Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2（５）

　　电磁转矩那么为：

Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2

　随着时刻增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平稳，即：

　　Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz，

　转速稳固在Ω2不变，电机调速终止。

上述的调速进程能够由图１的框图说明。

图１功率操纵的调速流程

　功率操纵作用的是电枢，主磁场或主磁通量维持不变，依照电机理论，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。

因此功率操纵调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。

２.转矩操纵

　依照公式（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，转矩操纵事实上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。

　电磁转矩的独立操纵方式要紧依据转矩公式：

　　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，因此转矩操纵事实上是磁场操纵，作用对象为主磁极。

转矩操纵调速一样要保证稳态时的转矩平稳，即：

　　Ｍ＝Ｍfz

　由于调速稳态时，电磁转矩发生了转变，因此要求负载转矩适应于电磁转矩转变，即要求负载跟踪电机。

　转矩操纵实际是弱磁调速，要紧用于额定转速以上的调速。

鉴于本文重点讨论的是功率操纵，故不赘述。

二、功率操纵的方式与性能

　电机调速的轴功率操纵只能通过电功率间接操纵来实现。

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。

　若是电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ｐs口为封锁不可控的。

反之为绕线型，Ｐs口那么是开启可控的，转子能够通过Ｐs口输出或输入电功率。

由此可见，异步机的功率操纵调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率操纵；另一种是通过Ｐs口直接操纵电枢轴功率。

前者要紧适用于笼型异步机，后者那么适用于绕线型异步机。

　　１.定子伪电枢功率操纵。

图３.异步机定子功率操纵调速

　作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率：

Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1（８）

电枢的轴功率那么为：

ＰM＝Ｐem－△Ｐ2（９）

故ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2）（10）

　可见，操纵伪电枢的输入功率Ｐ1或增大其损耗△Ｐ1就能够够操纵电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。

　操纵Ｐ1调速的唯一方式是调压━━变频，即所谓的变频调速。

由于：

Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1（11）

　故关于电压源供电调剂端电压Ｕ1是操纵功率Ｐ1的必需手腕。

问题的关键是什么缘故不能单纯调压，而必需辅以变频？

这是定子除伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。

　　前已叙及，功率操纵的要点有：

　　①维持主磁通量不变

　　②作用对象是电枢或伪电枢

　　③操纵目标是轴功率

　若是单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严峻阻碍。

依照电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量：

Φm＝Ｅ／Ｗ1ｋr1ｆ1

＝ＫＥ1／f1

≈ＫＵ1／f1（12）

　恒频调压的结果，主磁通Φm将随Ｕ1下降而减小，形成了前述的转矩操纵。

更要紧的是现在不但未能操纵功率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，由转矩平稳方程，电磁转矩：

Ｍ＝Ｍfz＝const

又Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1

＝ＣMΦmＩ2COSφ2（13）

　设功率因数不变，定转子电流Ｉ一、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。

依照式（１０），轴功率操纵虽能实现，却属低效率高损耗的调速。

　为此，异步机定子的功率操纵调速，必需要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。

针对同必然子绕组，一方面使主磁极产生的磁场维持稳固，同时又要操纵其向电枢传递的电磁功率。

　于是变频调速成立了一条重要原那么，确实是调压变频，且保证Ｖ／Ｆ（压频比）为常数，如此就确保了上述操纵要求的实现。

顺便指出，近代变频调速的矢量操纵，事实上确实是遵循这一原理。

矢量操纵的核心思想，是把磁场与转矩游离开，别离加以操纵，以为调速的全然在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，尽管结果无误，但理论上必需加以澄清。

２.转子功率操纵

　关于绕线转子异步机的调速，能够利用转差功率端口━Ｐs口直接操纵轴功率。

方式是由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，别离记以Ｐes和Ｐrs，二者性质不同，对调速的阻碍也不同。

图４.异步机转子功率操纵调速

　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发生转变，电机转速取得相应调剂。

　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。

后者的电转差功率能够双向流动，既能够移出，又能够注入，因此能够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，转子的轴功率那么为：

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、功率操纵的理想空载转速，效率与机械特性

　依照电机学，电动机的理想空载转速要紧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。

　功率操纵调速的电枢功率能够综合表达为：

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为功率操纵调速的理想空载转速，因此调剂电枢的电磁功率能够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。

由此说明增大电枢损耗，能够增加电机转速降。

　电机调速的效率表达为：

η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi）

＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2）

　因此，在必然的轴功率ＰM输出条件下，操纵电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而操纵损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。

　公式（１８）同时刻画出了功率操纵调速的机械特性，当持续改变电磁功率ΣＰem时，若是损耗功率不变，电机的理想空载转速随ΣＰem持续转变，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５ａ.电磁功率调速特性ｂ.转速降调速特性

　综上所述，能够得出以下结论：

　　①电磁功率操纵调剂的是理想空载转速，损耗功率操纵调剂的是转速降。

　　②电磁功率操纵是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。

损耗功率操纵属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。

四、异步机调速的分类与方式

　与按n＝60f1/p·（1-S）表达式不同，依照本文所述的电机调速功率操纵理论，异步机调速可分类表示如下：

　　　　　　　　　　　　性质/方案操纵点/变量方式要点

五、结论

　　1.电机调速的大体原理有两种，一为轴功率操纵，二是转矩操纵。

转矩操纵实际是磁场操纵，适于恒功率调整。

2.轴功率操纵的作用对象是电枢或伪电枢，并最终只能通过电功率操纵来实现。

其中，电磁功率调剂的是理想空载转速，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，二者的机械特性亦由此决定。

3.轴功率操纵的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的转变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，与操纵无关。

4.变频调速和电转差功率操纵调速同属电磁功率操纵调速，二者性能一致，并无本质不同。