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上述原理简要证明如下。
由电机机械输出角度观察,有
PM=MΩ
即Ω=PM/M
(1)
可见,电机转速Ω受控于轴功率PM及电磁转矩M。
由于电机稳态运行时必须满足转矩平衡方程
M=Mfz
(2)
即电磁转矩必须服从于负载转矩且与负载转矩相等,而负载转矩Mfz又是客观存在,它只决定于负载自身的属性,与调速无关。
因此,电磁转矩是不能随意改变的,否则电机无法稳定运行,电磁转矩在调速过渡过程的变化,是电机功率变化和惯性定律作用的结果。
(参见文献1)。
由此可见,电机转速主要受控于轴功率PM。
又,PM是一机械物理量,无法直接控制。
故由
PM=ΣPem-Σ△P2(3)
ΣPem:
转子总电磁功率
Σ△P2:
转子总损耗功率
公式1改写为
Ω=ΣPem/M-Σ△P2/M
=Ω0-△Ω(4)
其中
Ω0=ΣPem/M
△Ω=Σ△P2/M(5)
功控调速原理于是得到证明,详细论述请参见文献1。
根据上述理论可以说明:
①电机调速的效率仅取决于受控功率的性质,受控功率为电磁功率的调速是高效率的,而受控功率为损耗功率的调速是低效率的。
②控制电磁功率改变的是理想空载转速,控制损耗功率改变的是转速降;
前者的机械特性为平行曲线,后者则为汇交曲线。
③由以上推论,凡是改变理想空载转速的调速都是高效率的,而凡是改变转速降的调速都是低效率的。
三、变频调速的功控原理与特性
1.模型与原理
根据异步机的原理,可用图1模型分析其调速基理。
图1变频调速的模型分析其调速基理
变频器的控制对象是电机的定子,电机调速时,变频器通过对电压U1的控制,改变对定子的输入功率P1,从而改变转子的电磁功率和机械功率,转速于是得以调节。
问题的关键在于调压的同时为什么必须要变频?
变频和功率控制有什么联系?
这就要对定子功能的双重性加以分析。
异步机的定子肩负功率传输和建立磁场两个使命。
定子向转子的功率传输,是通过旋转磁场的电磁感应实现的。
分析表明,维持高效率的功率传输,必须要保证主磁场不被破坏,即维持主磁通量为常量,否则将使转子产生大量的功率损耗,无法达到控制转子电磁功率的初衷,恒频调压就是实例。
鉴于定子的双重功能特点,如果单纯调压,必然破坏电机的主磁场,因为根据电机理论,主磁通
Φm=k·
(U1/f1)
因此,调压的同时,为使主磁场不受破坏,必须正比地改变频率f1,使U1/f1为常量。
综上分析,变频调速的充分条件是调压,变频乃是必要条件。
两者缺一不可,调速所依循的仍是功控原理。
应该指出,目前的变频调速基理尚有待商榷,电机学的异步机转速公式
n=60f1/p(1-S)是由转差率S的定义式变换而得出的,不能当作公式作为调速的理论依据。
文献1、2在这方面作了较详细的讨论,结论证明,变频调速的实质并不在于同步转速的改变,而是理想空载转速的改变,希望引起关注。
2.变频的特点与特性
变频调速的突出特点是定子控制,即把功率控制立足在定子上,通过对定子的电磁功率对转子的供给关系,间接实现对转子电磁功率控制。
变频调速的这种控制方式,突出的优点是避开转子运动给控制造成麻烦,故可适用于鼠笼型异步机。
由于变频调速控制的电磁功率,理想空载转速与同步转速同时改变,因此,调速效率较高,调速范围较大且调节平滑。
变频调速的机械特性为改变理想空载转速点,转速降基本不变的平行曲线族。
形如图2。
图2转速降基本不变的平行曲线族
变频调速的缺点主要表现在高压、大容量调速上,由于电源电压高(多为6-10KV),变频装置受电力电子器件耐压能力限制,难以直接承受,被迫采用变压器降压,图1是常用的高-低和高-低-高两种变频调速系统,显然,这两种系统增大了成本和损耗,致使系统复杂化。
另外,变频器与电机形成串联系统,变频器容量须大于电机容量,也是造成价格高昂的主要原因。
变频器的输出端通常具有PWM调制能力,一定程度上改善了对电机供电的谐波影响,但输入端却大多为普通移相整流,低频状态下波形畸变很大,这将给电网造成较大的谐波污染,特别是在没有电磁隔离时,影响更为严重。
四、斩波式内馈调速
斩波式内馈调速是基于转子控制的功控方案。
其系统如图3所示。
图3斩波式内反馈调速系统图
1.内馈调速的功控原理
在异步机的转子端口,通过电传导方式将部分转子电磁功率移出(亦可馈入),此时转子的机械输出功率为
PM=(Pem±
Pes)-△P2(6)
其中,Pes为移出(符号为负)或馈入(符号为正)的附加功率,简称电转差功率。
电机转速由力学方程表为
Ω=(Pem±
Pes)/M-△P2/M(7)
其中调速的理想空载转速
n0k=(Pem±
Pes)/M(8)
而转速降△Ω=△P2/M基本不变。
定子传输给转子的电磁功率决定于客观负载,可以视为不变量,改变电转差功率Pes即可获得不同的理想空载转速,其机械特性与变频同为平行曲线族。
电机的调速范围决定于Pes的控制范围和方向(符号),当Pes符号取负时,表示功率方向为内部移出,反之为外部馈入。
对于Pes为负,转子的净电磁功率减小,调速为低同步速。
而当Pes为正,转子的净电磁功率增大,可以实现超同步调速。
由于电能无法存储,电转差功率的如何传输是至关重要的问题。
内馈调速采取了最为合理的方案,就是将Pes回馈到电机内部,为此在调速电机定子上特殊设置了调节绕组(亦称反馈绕组),目的接收转子移出的电功率。
调节绕组在低同步调速时工作在发电状态,同时通过电磁感应与定子原边功率反向合成,其方程为:
P1'
=P1-Pes-△P1
其中:
P1棗定子自然运行时的输入功率
△P1棗定子的铜、铁损耗功率
分析表明,调速时恒有
≈PM
这样就可实现输入功率随转速正比变化,调速效率可高达99.5%以上(不计电机固有损耗)。
有关详细论述参见文献3。
2.内馈调速的转差率与效率
目前交流调速界存在一种误识,认为改变转差率的调速在效率和性能方面肯定不如变频调速,这种观点不仅缺乏理论根据而且与事实也不相符。
例如串级调速及内馈调速不仅调速效率很高,而且甚至超过变频,就是调速平滑及响应特性,如果控制得当也不比变频逊色。
造成上述误解的根本原因是理论方面的不完善,其中除了文献1提出的调速实质问题之外,还有转差率问题。
经典电机学中的转差率定义为
S=(n1-n)/n1
转差功率则为
P2=S·
Pem
系指电磁功率Pem与机械输出功率的差值,即
P2=Pem-PM
表达式对转差功率的属性没有加以区分和说明。
但是,根据电机调速的P理论,转差功率中不同属性的功率对调速性能的影响是迥然不同的,其中的电功率影响的是理想空载转速,调速效率高属节能型调速;
而其中的损耗功率影响的是转速降,调速效率低属耗能型调速。
因此,笼统地用转差功率及转差率无法准确评价和说明调速性能。
例如转子串电阻和转子串电势两种同属变转差率的调速,不仅调速效率不同,而且调速的机械特性也完全不同。
用传统的转差率概念是无法准确评价和衡量调速性能的,为此文献2提出了电转差率SK和静差率j的概念。
论述结果表明,电转差率定义为
SK=(n1-n0k)/n1
与传统转差率不同的是式中nok为调速的理想空载转速而不是实际转速n,两者相差一个转速降Δn。
电转差率是附加电功率引起的,它所改变的理想空载转速而不是转速降。
因此SK的改变丝毫不影响调速效率。
静差率表达为
j=(n0k-n)/n0k
是调速转速降与调速理想空载转速之比,静差率实质是损耗功率引起的,可以证明,损耗功率正比于静差率j,因此增大静差率的调速肯定是低效率的。
同馈调速以及半级调速实质改变的是电转差率SK,静差率很小且变化不大,因此调速效率很高,与变频调速相比,应该相差无几。
3.斩波的作用与意义
在内馈调速控制中,必须引起注意的是只有有功功率才起调速作用,因此要尽量避免和减小无功功率。
特别是感性无功功率,不仅不起调速作用,反而引起电机无功损耗增大,功率因数降低,严重影响调速性能。
传统的串级调速多采用移相技术来控制附加功率的大小,根据公式
Pes=m1E3I3COSΦ3
移相控制实质是利用逆变角β≈Φ3的功率因数法控制来改变Pes,与此同时必然产生与sinΦ3成正比的感性无功功率。
这些因移相而产生的无功或是馈入电网或是馈入电机,都将造成不良影响,因此必须加以限制。
根本的改善方法是采取斩波技术,即在传统的有源逆变器两端并联一斩波器,斩波器以开关状态工作,通过改变其占空比,改变流入逆变器的电流,这样,逆变器的β角就可以固定在最小值不变,流经逆变器的附加电功率可以通过I3的改变而控制。
采用斩波控制的变流主电路及电机等效电路如图4。
图4变流主电路及电机等效电路
斩波控制实质是一种数字变流方式,它具有:
①功率因数高,可以恒定在0.9左右不随转速而变。
②谐波分量小,固逆变器的逆变角恒处于最小处不变。
③可靠性高,即使斩波器出现故障也不会发生短路。
④对于风机泵类负载,逆变器最大容量仅为4/27Pe(电机容量)一方面降低成本,更主要可以提高逆变器的工作可靠性。
五、变频与内馈调速的对比及结论
变频与内馈同属电磁功率控制的高效率无级调速,调速所改变的都是电机的理想空载转速,其机械特性同为平行曲线族,两者的调速技术性能没有明显差异。
变频与内馈最大的不同在于变频是立足于电机定子功率控制,而内馈则是立足于转子的功率控制。
因此,变频最大的优势是适合于鼠笼型异步机,而内馈则必须是绕线式异步机。
由于后者存在滑环.电刷,较鼠笼转子成本高,维护性差,这是转子控制方案难以避免的通病。
但是转子控制回避了定子控制的高压问题,对高压电机可以实现低压控制。
而且控制装置与电机的轴输出口是并联联接,这样就可依工况需要而灵活选择调速范围,因而降低控制装置的容量,减小成本,转子控制的优势在高压、大中容量电机调速上得以明显表现,有时完全可以弥补其不足。
为了提高滑环、电刷的可靠性,内馈电机在材料、材质上做了革新,同时采取了局部风冷措施,这样可使电刷寿命比普通绕线机提高一倍以上,特别是对于6极以上的低转速电机调速,由于线速度较低,滑环问题已不成为主要矛盾。
此外,转子控制由于电磁隔离作用,控制装置对电源的畸变影响有所减小,而变频的定子控制如与电网直接联接则影响较大,故谐波污染对于容量较大的电机调速是应该引起重视的。
变频与内馈的详细对比见附表
序
变频
斩波内反馈
1
原理
附图1
附图2
2
效率
≥85%
≥88%
3
COSΦ
0.6--0.9
0.7--0.9
4
谐波
>
20%
<
10%
5
控制方式
移相
斩波
6
适用电机
鼠笼及绕线
绕线型
7
外附变压器
高压时需要
不需要
8
机械特性
平行曲线
9
控制容量
Pe
10
联接关系
串联
并联
11
与电网联接
直接
间接
12
价格(元/KW)
1500--2000
750--850
13
可靠性
高压时较低
高
六、几点结论:
1.电机调速的实质在于电机的功率控制。
高效率的调速,控制的必须是电磁功率。
2.转子的电磁功率决定了电机理想空载转速n0,n0与同步转速n1没有必然联系,调速所关心的应该是前者而不是后者。
3.异步机调速可分为定子控制和转子控制两种方案,各有优劣,其中定子控制首推变频,而转子控制以内馈为优,两者的调速效率相近,平滑性及范围基本一致,而经济性后者为好,通常成本仅为变频的1/2-1/3左右。
4.变频的最大优势在于鼠笼机控制,如果工况要求不是非鼠笼机不可,优势表现就不是很明显。
参考文献:
1、《电动机调速的功率控制原理》屈维谦北方调速有限公司
2、《异步机调速公式的讨论》屈维谦另文发表
3、《近代交流调速》佟纯厚编冶金工业出版社
4、《感应电动机的双馈调速和串级调速》秦晓平编机械工业出版社
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