异步电机速计算.doc

1　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