交流控制原理是怎样的?

交流控制原理是怎样的?

1．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的两端口网络。由电动机输出端口观察，根据动力学原理 （1）式中： Pm为输出机械功率， T为输出转矩亦即电磁转矩， Ω为角速度 。故转速 （2）又根据转矩平衡方程式 （3） 异步机的稳态输出转矩必须服从客观存在的负载转矩Tfz，而负载转矩只取决于负载性质，与控制无关。动态转矩是功率控制和转速惯性作用的结果，并自动随转速响应而减小，直至新的转矩平衡时降至零。因此，输出转矩（即电磁转矩）不能成为调速控制量，电机转速只能通过控制机械功率才能调速。根据能量守恒和转换原理，机械功率Pm （4）其中： 为转子电磁功率， 为转子损耗功率。故转速 （5）其中： 称为理想空载转速， 称为转速降。 式（5）可经过量纲变换折算成每分钟转速，乘以系数60/2π后有 。 （6）其中 ， 。 由此可见，电动机调速的方法有两种：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。公式(6) 是电动机调速普遍的表达式。2．异步机模型与功率控制调速原理 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2的网络模型异步机的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2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机械功率，这种电磁感应通道的特点是交流机与直流机本质的区别。异步机按转子型式可分为鼠笼型和绕线型，前者转子是封闭短路的，因此只有一个机械功率输出端口；后者转子是开启的，因此具有机械功率和电功率两个端口。转子的电功率端口可以通过电传导与外电路进行功率交换。异步机调速可以通过定子口或转子口实施功率控制调速，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，调速效率较高，机械特性为平行曲线；后者增大转速降，调速效率较低，机械特性为汇交曲线。 应该注意同步转速和理想空载转速的区别，同步转速 n1 是旋转磁场的变化速度，理想空载转速 n 0 是假定转子全部电磁功率都转换为机械功率的机械速度。电动机的速度显然与n0密切相关，而与同步转速没有直接、必然的联系。3．恒转矩的电磁功率控制调速 所谓恒转矩调速是指额定输出转矩能力不变的调速，其特点是主磁通Φm不变。高效率的恒转矩调速可以通过定子或转子的电磁功率控制实现，但在定子控制时，必须要注意主磁通Φm 的恒定，否则，不但破坏恒转矩调速特性，而且可能增大损耗成为增大转速降的调速。3.1 定子电磁功率控制——变频调速的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。由于转子电磁功率是由定子传输的，且定、转子电磁功率相等，因此控制定子电磁功率就可间接地控制转子电磁功率。定子电磁功率， （7）及 ， （8）因此可以通过U1调节来改变定子电磁功率。而受转矩平衡方程式约束不能作为控制量。但单纯调压并不能实现定子电磁功率控制，原因是U1不但影响电磁功率，而且还作用于磁场，根据电机学原理，主磁通 。 （9） 对于单纯调压，Φm随U1降低而减小，将使损耗功率急剧增大。设负载转矩不变，则电磁转矩亦不变 = const 。 （10）Φm减小将引起定、转子电流同比增大，其损耗 ， （11） ， （12）按电流平方律增大，结果反而形成增大转速降的调速。为了解决上述问题，应根据式（9），在调压的同时正比地改变频率f1 ，使主磁通Φm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，理想空载转速按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，可见n0 与n1 没有直接、必然的联系。变频调速的功率控制原理如图3所示根据上述分析，恒转矩变频调速时，其充分条件是调压，必要条件是变频，调速的实质在于电磁功率控制。3.2 转子电磁功率控制调速对于绕线转子异步机调速，可以对转子直接进行电磁功率控制。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。与定子电磁功率控制调速（即调压变频调速）相比，两者只有控制对象的不同，并无原理的区别。 对于图2b 的模型，在转子口引入附加电磁功率时，转子的净电磁功率 。 (13)式中： 为定子传输给转子的电磁功率， 为附加电磁功率，亦称电转差功率。将随的方向和大小而改变。注意不要把简单理解成传统电机学中的转差功率，应该把中的电磁功率和损耗功率区别开来，两者性质不同，对调速的影响也不同。将改变异步机的理想空载转速。式（13）中的-表示移出，而+表示注入，前者使转子的净电磁功率减小，后者则使其增大，异步机的理想空载转速 。 （14）可见，-控制得到的是低同步调速，而+则是超同步调速。转子电磁功率控制调速的技术关键为：l 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。l 能够连续地控制的大小，以获得平滑的无级调速。l 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。 上述的技术关键是设计调速控制装置应该注意的原则。 转子电磁功率控制的系统构成要点是附加电源，它是传输所必须的。传统的方法是外置，例如串级（cascade control）、双馈（double Feed）等调速。外置电源将使系统复杂化，而且在低同步调速时造成从定子至外置电源之间的无谓循环，增大了定子损耗。较好的方法是我国首创的斩波内馈调速。如图4示：该系统突出特征是将附加电源设置在异步机自身的定子上，附加电势由电磁感应而产生 ，在典型的低同步调速时，由转子引出，经交流控制装置ZNK传输给定子附加的内馈绕组（以前亦称调节绕组）。内馈绕组处于发电状态，通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。斩波控制则是用以调节的大小实现转速的无级调节，克服有源逆变器移相控制所带来的功率因数低、谐波分量大等一系列缺点。4．异步机调速的分类方法 与按 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：5．结论 1、异步机调速的实质在于功率控制，控制原则有电磁功率控制和损耗功率控制，前者改变的是理想空载转速，后者增大转速降，电机转速是调速的普遍表达式，理想空载转速和同步转速没有直接、必然的联系。2、动态转矩是功率激励和转速响应的结果，并随转速响应自动减小，直至新的转矩平衡后为零，稳态电磁转矩只能服从客观负载转矩，调速的实质并非转矩控制。3、调速效率和特性只决定于功率控制属性。转子电磁功率控制的调速与变频调压调速只有控制对象的不同，没有本质区别。4、传统的调速理论按变频、变极及变转差率划分调速方法缺乏严谨性，未能揭示调速的本质。