转子侧变频调速原理

转子侧变频调速原理

1、 转子侧变频调速控制理论

为了探求异步机调速的实质，以及便于深入分析，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的功率圆模型。

图1A 鼠笼转子的异步机模型 图1B 绕线转子的异步机模型 电动机是将电能转化为机械能的设备。异步机的定子与电源相联，从中吸收电功率P 1，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场。旋转磁场的功能是将定子的电磁功率传输给转子，转子则将电磁功率转化为机械功率，因此，旋转磁场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m 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，应使主磁通保持设计伊始的常量，否则将使功率传输的损耗增大，并且影响电机的转矩性能。

定、转子之间传输的电功率称为电磁功率，也是转化为机械功率的源泉。定子的电磁功率为

11em P P p =-D ， （1）

即输入功率与损耗功率之差，转子的电磁功率则为

2em M P P p =+D ， （2）

为机械功率与转子损耗功率之和。定、转子的电磁功率相等，只是表达形式不同。 对于鼠笼型异步机，转子电压和电流是短路、封闭的，不能为外界所控制，因此，鼠笼型异步机转子只有一个机械输出端口。绕线型异步机的转子则是开启的，并受外部控制才能形成电气回路，因此具有机械和电气两个输出端口。

转速产生于转子，因此是调速的主要分析对象。根据力学原理，异步机的角速度

M

P T W=， （3）

其中：P M 为异步机机械功率；

T 为输出转矩。

根据异步机的能量转换与守恒，转子的功率方程为

2M em P P p =-D ， （4）

其中：P em 为异步机转子的电磁功率；

2p D 为转子的损耗功率。

因此，异步机输出角速度表为

2em P p T T D W =

-。 （5） 式中的

em

O P T =W ， （6）

称为理想空载角速度； 2

p T D =D W ， （7）

称为角速度降。

量纲变换后，有

O n n n =-D ， （8）

式中的 602O O n p =

W ， （9）

即为理想空载转速；

60

2n p D =D W ， （10） 为转速降。 异步机的理想空载转速表达为电磁功率与电磁转矩之比，其含义是：在假定转子无损耗的理想状态下，异步机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的转速。由于这种假设只有在理想空载的条件下才能实现，故称理想空载转速。理想空载转速取决于电磁功率，是异步机调速非常重要的参量。转速降即为转速损失，取决于损耗功率。

按照公式（3），转矩T 似乎也应该成为调速的控制参量，实际上是不可能的。电机稳定运行必须遵循转矩平衡方程式，即电磁转矩与负载转矩相等

f z T T =。 （11）

负载转矩是由机械负载本身性质决定的，既不取决于电机性能也不取决于调速与否，电磁转矩只能服从客观存在的负载转矩，不能随意改变，否则，破坏了转矩平衡方程式，电机将无法稳定运行。

由此可见，交流调速的实质在于控制其机械功率，电气上有电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，机械特性为平行曲线，是高效率节能型调速；而损耗功率控制则是增大转速降，机械特性为汇交曲线，是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，选择定子控制还是转子控制，仅仅是对象的不同，并没有本质的区别。以上就是转子侧变频调速控制原理。

根据电机学原理，异步机转子的电磁功率和电磁转矩方程为

2222cos em P m E I j =； （12）

22cos T m T C I j =F 。 （13）

其中，转矩系数

T C = 。 （14）

根据功率控制原理所得出的公式（6），异步机的理想空载角速度为

22222222cos cos O T m e m m E I E C I C j j

W ==F F ， （15） 其中的电势系数：

22

T

e C C m ==。 （16） 换算成每分钟转速，同乘以60

2p ，有 2

02E m E n C =F （17）

其中的转子电势系数

22260r E N k p C = （18）

表明异步机的理想空载转速与转子开路电势E 2成正比，与主磁通量m F 成反比。至于电

势系数，在电机设计制造时已确定，可以当作常量，改变理想空载转速可以通过：

1) 恒磁调压方法。即，使主磁通m F 不变，调节转子电压（电势）。

2) 恒压弱磁方法。即，使转子电压不变，减小主磁通。

改变转子电势有电传导和磁感应两种方法，电传导方法用于转子控制调速，其理想空载转速为

202f E m E E n C ±=F ； （19）

感应法用于定子控制调速，理想空载转速则为

101E m E n C =F 。 （20）

公式（19）（20）物理意义鲜明，具有普遍性，实际上，变频调速、串级调速、以及将介绍的转子侧变频调速等高效率交流调速都是依据该公式实现的

2、转子侧变频调速控制原理

转子侧变频调速是基于转子的电磁功率控制调速，其系统原理如图2 所示，

附图2 转子侧变频调速控制原理图

调速控制原理是：从转子入手控制异步机的电磁功率，从而改变理想空载转速。当转子的部分功率被移出，总的电磁功率减小，理想空载转速降低，是一种低同步调速系统。

如果转子通过电传导另外得到的部分功率，总的电磁功率增加，理想空载转速将超过同步转速，实现超同步调速。这种能够实现两个方向功率控制的系统，即可实现低同步和超同步两种调速，称为双馈调速。

利用此控制原理推导出的公式(19) ，可以使转子侧变频调速得到简明、量化的分析。通过电传导的方法在转子回路串联附加电势E f ，可以改变转子的合电势，从而改变理想空载转速。而磁通由定子电势和频率决定，故不改变。于是转子侧变频调速实现恒磁通（即恒转矩）的高效率的无级调速。

应该指出，改变理想空载转速才是调速的关键所在，至于同步转速改变与否并不重要。在串级调速中，理想空载转速可调，而同步转速不变，

事实证明了理想空载转速与同步转速