传统理论的质疑与商榷

认为串级调速从属于变转差率原理，是根据传统电机学的异步机转速公式（1）而得出的。但深入分析，这个表达式却只是个人为的定义式，并非公式。不仅不能作为串级调速的理论依据，也不能成为其他交流调速的指导公式。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这样建立的，首先定义转差率s，令 （2），式中： n1为同步转速；n 为机械转速。由式（2），经代数变换得（3）。由于初等变换不改变等式性质，可见表达式（3）仍然是定义式，它是式（2）的另外一种表达形式。又，由于（4）将式（4）代入定义式（3），于是有表达式（1）。应该注意，式（3）与式（1）没有本质区别，尽管式（4）是公式，但它仅仅起到参数变换作用，并没有改变式（1）、（3）的定义式性质。因此转速表达式（1）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，转差率改变与否和调速性能的优劣并没有明确的关系，不能把转差率当作效率。转差功率定义为 ，系指电磁功率中没有转化为机械功率的部分，至于是否成为损耗，并未确定。在自然运行时，可以狭义地认为转差功率就是损耗功率，而扩展到调速，例如串级调速，转差功率可以以电能形式传输，并不成为损耗而降低调速效率。实际的交流调速也不能简单地依照表达式（1）进行，例如单纯地改变频率而不改变定子电压，当频率低于额定值时，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，电机同样无法工作。以上两例都是依循表达式（1）操作的，结果却遭失败，如果公式是科学的，绝不应该出现这样例外。

交流调速的功率控制原理

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P1，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场。旋转磁场的主要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，旋转磁场可等效为联接定、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（5），即输入功率与损耗功率之差，转子的电磁功率则为（6），为机械功率与转子损耗功率之和。应该注意，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（7），其中：PM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（8），其中：Pem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（9）。式中的 （10），称为理想空载角速度；（11），称为角速度降。量纲变换后，有（12），式中的 （13），即为理想空载转速；（14），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（7），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（15）。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。以上就是交流调速的功率控制原理，为了便于称谓，简称为P理论。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（16）；（17）。其中，转矩系数 （18）。根据功率控制原理所得出的公式（10），异步机的理想空载角速度为（19），其中的电势系数： （20）。换算成每分钟转速，同乘以 ，有（21），其中的转子电势系数 （22）。表明异步机的理想空载转速与转子开路电势E2成正比，与主磁通量 成反比。至于电势系数，在电机设计制造已确定，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 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（23）；感应法用于定子控制调速，理想空载转速则为（24）。公式（23）（24）物理意义鲜明，具有普遍性，实际上，变频调速、串级调速、以及将介绍的内馈调速等高效率交流调都是依据该公式实现的。

串级调速的功率控制原理

串级调速是基于转子的电磁功率控制调速。串级调速的功率控制原理是：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。利用功率控制原理推导出的公式(23) ，可以使串级调速得到简明、量化的分析。通过电传导的方法在转子回路串联附加电势Ef，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。于是串级调速实现恒磁通（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没有必然的联系。

与高压交流调速的定子控制（变压变频）对比，作为转子控制的串级调速具有以下优点：高压调速，低压控制。经济、可靠。控制装置功率小于电机功率，可以在调速范围满足需求的前提下，减小控制装置的容量。一元控制，技术简单。主磁通自然恒定，只需单一控制附加电势。调速控制与机械输出成并联关系，故障时可以短路转子，旁路控制装置，使异步机自然运行，提高系统运行可靠性。谐波畸变小。由于转子与定子的气隙隔离作用，定子电流的畸变较小。当然，转子控制也存在明显的缺点，就是滑环和电刷问题。一方面使电机成本增高（约比鼠笼机高出10—15%），另外增加了电机维护量（大约每运行一年左右需要更换电刷）。要实现转子无刷控制，技术难度较大。但可以改进电刷和滑环的工艺和材料，减小维护，提高寿命，这一目的已经实现。