交流调速的功控原理与内馈调速 引言     二十世纪九十年代以来，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（ 380V ）、中小容量（ 200KW 以下）方面取得了较大的进展。但是面对高压（ 6KV-10KV ）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 ” 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。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，而且调速效率还略高于后者（参考文献 2 ），当然串级调速存在一些缺点，但较比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，在缺乏科学分析的条件下，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 2 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科学、深入的解答。     本文为此对交流调速的原理和方案进行了新的分析和研究，提出了功率控制调速原理，建立了调速公式，同时研究发明了一种新型交流调速——内馈调速，实践证明，以上的理论和技术是符合客观科学规律的，希望引起有关各界的关注。

1 ．交流调速的功率控制原理—— P 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 的功率园模型。
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 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 ， （ 1 ） 即输入功率与损耗功率之差，转子的电磁功率则为 ， （ 2 ） 意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，转子是短路封闭的，虽然转子中含有电压和电流，但却不能为外界所控制，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，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。由于只有转子才能将电功率转换为机械功率，因此是调速分析的主要对象。 根据力学原理，异步机的角速度 ， （ 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 （ 4 ） 其中： P em 为异步机转子的电磁功率； 为转子的损耗功率。 因此，异步机输出角速度表为 。 （ 5 ） 式中的 ， （ 6 ） 称为理想空载角速度； ， （ 7 ） 称为角速度降。 量纲变换后，有 ， （ 8 ） 式中的 ， （ 9 ） 即为理想空载转速； ， （ 10 ） 为转速降。     应该注意，和直流电动机一样，异步机也具有机械运动的理想空载转速，与同步转速相比，两者的定义和属性都不同，前者属于机械运动，后者则是非机械的磁场变化。异步机转速只与理想空载转速密切相关，而与同步转速没有直接、必然的联系。     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 。 （ 11 ）     负载转矩是由机械负载本身的性质决定的，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。     那么是否可以先改变电磁转矩，等到转速达到所需要的数值时，再调整电磁转矩，使之与实际的负载转矩平衡？这在工程上是无法实现的。设想在电磁转矩改变之后，为了转矩平衡，就要随时测量当前的负载转矩，其复杂性是可想而知的。更为困难的是要控制电磁转矩立即与当前的负载转矩相等，其快速性、精确性实际上无法实现，迄今为止，没有任何调速是如此控制的。因此电磁转矩不能成为调速的控制参量（详见论文《交流调速的功率控制原理》）。     由此可见，交流调速的实质在于功率控制，即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，而损耗功率控制则是增大转速降，前者是高效率节能型调速，后者则是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，高效率交流调速的关键在于如何控制电磁功率，至于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。     以上就是交流调速的功率控制原理，为了便于称谓，简称为 P 理论。     机械特性是电机调速性能实质的表达，也是评价调速优劣的科学依据。电磁功率控制改变的是理想空载转速，不增大损耗和转速降，因此调速机械特性为平行曲线；损耗功率控制增大转速降