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异步电机调速原理及转速公式探讨

 引言   自上个世纪90年代以来,近代交流调速步入了以变频调速为主导的发展阶段。其间,由于各种新型电力电子器件的支持,使变频调速在低压(380 V)、中小容量(200 kW以下)方面取得了较大的进展。但是面对高压(6~10 kV)中大容量领域,由于电力电子器件自身规律的限制,变频调速在技术上遇到了很大困难,无论是“高-低”“、高-低-高”以及“多电平串联”等方案,都在实践中暴露出技术复杂、价格昂贵、效率降低、可靠性较差等缺点。从理论上看,高压变频所面临的问题是违反电力电子器件客观规律的结果,因为目前几乎所有的电力电子器件,其材料、工艺机理都决定了其属性是低压大电流的。   尽管如此,高压变频的势头仍有增无减,除了客观市场需求的拉动以外(诸如高压中大容量的风机泵类节能),主要是“变频调速是唯一的最佳交流调速”理论导向的结果。调速效率和机械特性(包括平滑性及范围)是衡量调速性能的主要标准,变频调速果真是唯一的最佳交流调速吗?事实并非如此。例如串级调速不仅具有和变频调速几乎一致的调速机械特性,而且效率还略高于后者,当然串级调速存在一些缺点,但相对高压变频存在的问题还是容易解决的。   根据传统电机学理论,交流调速被划分为变频、变极和变转差率三种方案,在缺乏科学分析的 件下,认定变转差率调速是低效率的,而变极调速又属于有级调速,因此惟有变频调速最佳。例如文献[4]提出:“变频调速方法与变转差调速方法有本质不同,从高速到低速都可以保持有限的转差率,因而变频调速具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为,变频调速是交流电动机的一种比较合理和理想的调速方法。”这样,就把变频调速和变转差率调速对立起来,并且完全否定了变转差率调速,显然与事实不符。尽管很多文献试图从转差功率回收角度来解释串级调速,但在调速机理和特性等方面仍未得到深入的解答。   具有相同结果的不同事件,必然遵循共同的客观规律。既然串级调速和变频调速具有本质的相似特性,那么两者的调速机理应该是一致的。另外,作为科学的调速理论,应该能够明确揭示调速的性能,并且全面准确地指导实践,然而按传统的交流调速“公式”n=60 f1(1-s)/p,不但不能判别调速效率及特性等性能,而且按公式单纯地改变异步机的频率(不改变供电电压)或极数(不改变匝数),步机根本无法正常调速运行。由此可见,传统的交流调速理论和公式是值得商榷的,同时对一些认为已经得出结论的,例如串级调速、变频调速的机理,也需要重新讨论和认识。   传统电机学在交流调速分析方面存在很多值得探讨的问题,集中表现在调速的实质、公式的产生逻辑、同步转速与理想空载转速的区别、转差率与效率的关系等关键问题上,本文为此进行了新的分析,并在文献[1]“交流调速功率控制原理”的基础上,提出了新的交流调速公式。 2 电机学异步机转速表达式的质疑   公式是客观规律的数学表达形式,它只能产生于科学分析和实践,而不能产生于人为的定义。   传统电动机学的异步机转速表达式是首先定义转差率s为:    式中:n1为同步转速;n为机械转速。由式(1),经代数变换得:      由于恒等变换不改变等式性质,可见式(2)仍是定式,是式(1)的另一种表达形式。      将式(3)代入定义式(2),则有:      应该注意,式(4)与式(2)没有本质变化,尽管式(3)是公式,但它仅仅起到参数变换的作用,并没有改变式(1)(、2)定义式的性质。因此转速表达式(4)只是人为的定义式,并非公式,自然不能成为交流调速的理论依据,否则就犯了基本的逻辑错误。另外,由表达式(2)决定的同步转速与机械转速的联系,也是人为建立的,以此作为改变同步转速即可以改变机械转速的理论依据,显然是不科学的。事实上,同步转速和机械转速是不同属性的两种运动,前者是机械的后者是电磁的,两者之间没有直接的联系,也不能进行简单的合成。   调速实践也与表达式(4)不符。例如单纯地改变频率而不相应地改变定子电压,当频率低于额定值很多时,电机将剧烈发热,不能正常运行;又如,只改变极数而不相应改变有效串联匝数,电机同样法工作。以上两例均依照表达式(4)操作,结果却遭失败,如果公式是科学的,绝不应该出现这样的例外。 3 异步机的理想空载转速与公式   和直流电动机一样,异步机也具有理想空载转速。与同步转速相比,两者的定义和属性都不同,为了探求异步机调速的实质,应首先建立异步机的物理模型。   根据异步机的能量转换与传输原理,异步机等效于图1的功率模型。旋转磁场的功能是将定子的电磁功率传输给转子,因此等效于联接定转子的功率传输通道,为与电传导方式相区别,称为感应通道。主磁通Φm是电磁感应中极为重要的参数,可以形象地认为是感应通道畅通与否的标志。为了保证感应通道畅通,应使主磁通为常量,否则将使功率传输的损耗增

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