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引言：

　　電機調速實質的探討，是關系到近代交流調速發展的重要理論問題。隨著近代變頻調速矢量控制及直接轉矩控制等調速控制理論的提出和實踐，很多有關文獻和論著都把調速的轉矩控制確認為調速的普遍規律，并提出調速的實質和關鍵在于電磁轉矩控制。然而，這種觀點尚缺乏理論和實踐的證明，值得商榷。

　本文根據電機功率轉換的普遍原理，提出并證明恒轉矩調速的實質在于電機的軸功率控制，轉速調節是功率控制的響應，其關鍵為如何通過電功率控制軸功率。

　轉矩控制僅適于恒功率調速，它只是電機調速的局部，而不是調速的普遍規律。變頻調速所依據的是轉矩控制，實際執行的卻是功率控制，因此才沒有影響到應用的正確性。

一、功率控制與轉矩控制

　根據機電能量轉換原理，凡電動機都可劃分為主磁極和電樞兩個功能部分。主磁極的作用是建立主磁場，電樞則是與磁場相互作用將電磁功率轉換為軸功率。

　直流電動機的主磁極和電樞不僅結構鮮明，而且功能獨立，無疑符合以上定義。而交流（異步）電動機通常以定子、轉子劃分構成，需加說明。

　根據所述電樞定義，異步機的軸功率產生于轉子，因此，異步機真正的電樞是轉子。問題在于定子，一方面定子勵磁產生主磁場，故定子是主磁極。另一方面，定子又通過電磁感應為電樞（轉子）輸送電磁功率，卻不產生軸功率，因此定子又具有電樞的部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。定子的這種復合功能，是異步機區別于直流機的主要特征。

　從電樞輸出角度觀察，電動機的軸功率與電磁轉矩機械轉速的關系為：

　　ＰM＝ＭΩ (１)

　　或 Ω＝ＰM／Ｍ （２）

　公式（２）除了給出了電機轉速與軸功率和電磁轉矩間的量值關系以外，同時表明，電機轉速最終只能通過軸功率或電磁轉矩兩種控制獲得調節，前者簡稱功率控制，后者簡稱轉矩控制。

　　１. 功率控制

　功率控制是以軸功率ＰM為調速主控量， 作用對象必然是電樞或偽電樞。電磁轉矩在調速穩態時，取決于負載轉矩的大小。

　即 Ｍ＝Ｍfz (３)

　當負載轉矩一經為客觀工況所確定之后，電磁轉矩就唯一地被決定了，因此電磁轉矩不僅與調速控制無關，而且不能隨意改變其量值。

　電磁轉矩對轉速的作用表現在調速的過渡過程，轉矩的變化是轉速響應滯后的結果，此時，功率控制造成電磁轉矩響應。

　設電機調速前的穩態轉速為Ω1，軸功率為ＰM1，調速后的穩態轉速為Ω2，相應的軸功率變為ＰM2。 由于電磁轉矩：

　　Ｍ＝ＰM／Ω (４）

　　故調速時，電磁轉矩變為：

　　Ｍ＝ＰM2／Ω

　　由于受慣性的作用，在ｔ＝0的調速瞬時Ω＝Ω1，故

　　Ｍ＝ＰM2／Ω1

　　t=0

　此時的電磁轉矩將與原來的電磁轉矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，轉矩平衡被破壞并產生動態轉矩，電機轉速在動態轉矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡，其變化規律為：

　　Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５）

　　電磁轉矩則為：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2

　隨著時間增大，動態轉矩減小，直至電磁轉矩與新的負載轉矩平衡，即：

　　Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz，

　轉速穩定在Ω2不變，電機調速結束。 上述的調速過程可以由圖１的框圖說明。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖１ 功率控制的調速流程

　功率控制作用的是電樞，主磁場或主磁通量保持不變，根據電機理論，電機的額定電磁轉矩正比于主磁通量，受限于電樞的最大載流量。因此功率控制調速時，電機的額定電磁轉矩輸出能力不變，屬于恒轉矩調速。

２. 轉矩控制

　根據公式（２），電機轉速在軸輸出功率不變的前提下，與電磁轉矩成反比。由于受電磁轉矩以額定轉矩為上限的約束，轉矩控制實際上只能在額定轉矩以下實現，因此屬于恒功率調速。

　電磁轉矩的獨立控制方法主要依據轉矩公式：

　　Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流機） (６)

　　或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流機） (７)

　受控的物理量為主磁通Φm，由于主磁通量Φm產生于主磁極，因此轉矩控制實際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉矩控制調速同樣要保證穩態時的轉矩平衡，即：

　　Ｍ＝Ｍfz

　由于調速穩態時，電磁轉矩發生了變化，因此要求負載轉矩適應于電磁轉矩變化，即要求負載跟蹤電機。

　轉矩控制實際是弱磁調速，主要用于額定轉速以上的調速。鑒于本文重點討論的是功率控制，故不贅述。

二、功率控制的方法與性能

　電機調速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實現。以異步機為例，圖２是其等效三端口網絡。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖２.異步機的等效網絡

　其中電樞（轉子）除產生軸功率輸出外，還產生以感應電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應。由于該功率與轉差率成正比，故稱轉差功率，其端口簡稱Ｐs口。

　如果電機轉子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐs口為封閉不可控的。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控的， 轉子可以通過Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機的功率控制調速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對電樞實現軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用于籠型異步機，后者則適用于繞線型異步機。

　　１. 定子偽電樞功率控制。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖３.異步機定子功率控制調速

　作為偽電樞，定子向電樞（轉子）傳輸的電磁功率：

Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８）

電樞的軸功率則為：

ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 (９)

故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） (10)

　可見，控制偽電樞的輸入功率Ｐ1或增大其損耗△Ｐ1就可以控制電樞的軸功率，后者顯然是低效率、高損耗的調速，不宜推薦。

　控制Ｐ1調速的唯一方法是調壓━━變頻， 即所謂的變頻調速。由于：

Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 (11)

　故對于電壓源供電調節端電壓Ｕ1是控制功率Ｐ1的必須手段。問題的關鍵是為什么不能單純調壓，而必須輔以變頻？這是定子除了偽電樞的功能之外，還同時兼主磁極之故。

　　前已敘及，功率控制的要點有：

　　① 保持主磁通量不變

　　② 作用對象是電樞或偽電樞

　　③ 控制目標是軸功率

　如果單純調壓而頻率不變，定子的主磁極功能就要受到嚴重影響。根據電機理論，做為主磁極，定子的主磁通量：

Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1

＝ＫＥ1／f1

≈ＫＵ1／f1 (12)

　恒頻調壓的結果，主磁通Φm將隨Ｕ1下降而減小，形成了前述的轉矩控制。更主要的是此時不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了電機損耗，與目的絕然相悖。

　設負載為恒轉矩性質，由轉矩平衡方程，電磁轉矩：

Ｍ＝Ｍfz＝const

又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1

＝ＣMΦmＩ2COSφ2 (13)

　設功率因數不變，定轉子電流Ｉ1、Ｉ2將隨主磁通Φm下降而正比增大，其結果功率Ｐ1不變，但定轉子損耗：

△Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1

△Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1

　將按電流的平方律增大。根據式（１０），軸功率控制雖能實現，卻屬低效率高損耗的調速。

　為此，異步機定子的功率控制調速，必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開。針對同一定子繞組，一方面使主磁極產生的磁場保持穩定，同時又要控制其向電樞傳遞的電磁功率。

　于是變頻調速建立了一條重要原則，就是調壓變頻，且保證Ｖ／Ｆ（壓頻比）為常數，這樣就確保了上述控制要求的實現。順便指出，近代變頻調速的矢量控制，實際上就是遵循這一原理。矢量控制的核心思想，是把磁場與轉矩游離開，分別加以控制，認為調速的根本在于轉矩，而事實上游離的卻是磁場和電磁功率，雖然結果無誤，但理論上必須加以澄清。

２. 轉子功率控制

　對于繞線轉子異步機的調速，可以利用轉差功率端口━Ｐs口直接控制軸功率。方法是由Ｐs口移出或注入轉差功率。需要指出：

　　① 所述的轉差功率應區別經典電機學中的轉子損耗轉差功率，為此將后者稱為轉子損耗功率，記以△Ｐ2。

　　② 轉差功率有電能與熱能之分，分別記以Ｐes和Ｐrs，兩者性質不同，對調速的影響也不同。

圖４.異步機轉子功率控制調速

　當在轉子的Ｐs口引入電轉差功率Ｐes時，轉子的軸功率：

ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４）

　式中的Pem為定子向轉子傳輸的電磁功率，電轉差功率的負號表示從Ｐs口移出，正號表示從Ｐs口注入。Ｐes屬電功率，故與電磁功率相合成，結果使軸功率ＰM發生變化，電機轉速得到相應調節。

　電轉差功率調速的典型實例是串級調速和雙饋調速，前者的電轉差功率為負，流向為從轉子移出，故實現的是額定轉速以下的調速。后者的電轉差功率可以雙向流動，既可以移出，又可以注入，因此可以實現低同步和超同步兩種調速。

　當Ｐs口引入的是熱轉差功率Ｐrs時， 轉子的軸功率則為：

ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） (１５)

　顯然熱轉差功率的引入，增大了電樞（轉子）的損耗，軸功率隨Ｐrs的增大而減小，其典型例子是異步機轉子串電阻調速。

三、功率控制的理想空載轉速，效率與機械特性

　根據電機學，電動機的理想空載轉速主要取決于電樞的電磁功率，因有：

Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６）

　由于電磁轉矩為負載所決定，理想空載轉速Ω0就決定于某一負載條件下電磁功率的大小。

　功率控制調速的電樞功率可以綜合表達為：

ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７）

　相應的轉速：

ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８）

Ω＝Ω0－△Ω (１９)

　其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ為功率控制調速的理想空載轉速，因此調節電樞的電磁功率可以改變電機的理想空載轉速。換言之，電機的理想空載轉速取決于電樞的電磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 為電機的轉速降。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機轉速降。

　電機調速的效率表達為：

η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi）

＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2)

　因此，在一定的軸功率ＰM輸出條件下，控制電磁功率的調速是高效率的節能型調速，而控制損耗功率的調速必然是低效率的耗能型調速。

　公式（１８）同時刻畫出了功率控制調速的機械特性，當連續改變電磁功率ΣＰem時，如果損耗功率不變，電機的理想空載轉速隨ΣＰem連續變化，其機械特性為一族平行的曲線。而增大損耗，電磁功率不變時，電機理想空載轉速不變，改變的只是轉速降，其機械特性為一族匯交型曲線。如圖５給出了兩種調速的定性曲線。

圖５ ａ.電磁功率調速特性 ｂ.轉速降調速特性

　綜上所述，可以得出以下結論：

　　① 電磁功率控制調節的是理想空載轉速，損耗功率控制調節的是轉速降。

　　② 電磁功率控制是高效率節能型的調速，其機械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調速，其機械特性必為匯交型曲線族。

四、異步機調速的分類與方法

　與按n＝ 60f1/p·(1-S）表達式不同，根據本文所述的電機調速功率控制理論，異步機調速可分類表示如下：

　　　　　　　　　　　　性質/方案 控制點/變量 方法 要點

五、結論

　　1. 電機調速的基本原理有兩種，一為軸功率控制，二是轉矩控制。轉矩控制實際是磁場控制，適于恒功率調整。

　　2. 軸功率控制的調速具有恒轉矩特性，電磁轉矩的變化是轉速響應滯后所造成的，調速穩態時，電磁轉矩只決定于負載，與控制無關。

　　3.軸功率控制的作用對象是電樞或偽電樞， 并最終只能通過電功率控制來實現。其中，電磁功率調節的是理想空載轉速，損耗功率改變的是轉速降。前者為高效節能型，后者為低效耗能型，兩者的機械特性亦由此決定。

　　4. 變頻調速和電轉差功率控制調速同屬電磁功率控制調速，兩者性能一致，并無本質差別。