恒功率调速
恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制滑环电机无刷无环液阻起动器、磁控(磁饱和)软启动器、高低压电机液阻起动器与液阻调速器关键字:电机调速功率控制原理引言:电机调速实质的探讨,是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。
随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践,很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律,并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。
然而,这种观点尚缺乏理论和实践的证明,值得商榷。
本文根据电机功率转换的普遍原理,提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制,转速调节是功率控制的响应,其关键为如何通过电功率控制轴功率。
转矩控制仅适于恒功率调速,它只是电机调速的局部,而不是调速的普遍规律。
变频调速所依据的是转矩控制,实际执行的却是功率控制,因此才没有影响到应用的正确性。
一、功率控制与转矩控制根据机电能量转换原理,凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。
主磁极的作用是建立主磁场,电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。
直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明,而且功能独立,无疑符合以上定义。
而交流(异步)电动机通常以定子、转子划分构成,需加说明。
根据所述电枢定义,异步机的轴功率产生于转子,因此,异步机真正的电枢是转子。
问题在于定子,一方面定子励磁产生主磁场,故定子是主磁极。
另一方面,定子又通过电磁感应为电枢(转子)输送电磁功率,却不产生轴功率,因此定子又具有电枢的部分特征,这里我们把它称为伪电枢。
定子的这种复合功能,是异步机区别于直流机的主要特征。
从电枢输出角度观察,电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为:PM=MΩ (1)或Ω=PM/M(2)公式(2)除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外,同时表明,电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节,前者简称功率控制,后者简称转矩控制。
1. 功率控制功率控制是以轴功率PM为调速主控量,作用对象必然是电枢或伪电枢。
电磁转矩在调速稳态时,取决于负载转矩的大小。
即M=Mfz (3)当负载转矩一经为客观工况所确定之后,电磁转矩就唯一地被决定了,因此电磁转矩不仅与调速控制无关,而且不能随意改变其量值。
电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程,转矩的变化是转速响应滞后的结果,此时,功率控制造成电磁转矩响应。
设电机调速前的稳态转速为Ω1,轴功率为PM1,调速后的稳态转速为Ω2,相应的轴功率变为PM2。
由于电磁转矩:M=PM/Ω (4)故调速时,电磁转矩变为:M=PM2/Ω由于受惯性的作用,在t=0的调速瞬时Ω=Ω1,故M=PM2/Ω1t=0此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩M1=PM1/Ω1不等,转矩平衡被破坏并产生动态转矩,电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡,其变化规律为:Ω1=(Ω1-Ω2)e-t/T+Ω2 (5)电磁转矩则为:M=PM2/(Ω1-Ω2)e-t/T+Ω2随着时间增大,动态转矩减小,直至电磁转矩与新的负载转矩平衡,即:M=PM2/Ω2=Mfz,转速稳定在Ω2不变,电机调速结束。
上述的调速过程可以由图1的框图说明。
图1功率控制的调速流程功率控制作用的是电枢,主磁场或主磁通量保持不变,根据电机理论,电机的额定电磁转矩正比于主磁通量,受限于电枢的最大载流量。
因此功率控制调速时,电机的额定电磁转矩输出能力不变,属于恒转矩调速。
2. 转矩控制根据公式(2),电机转速在轴输出功率不变的前提下,与电磁转矩成反比。
由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束,转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现,因此属于恒功率调速。
电磁转矩的独立控制方法主要依据转矩公式:M=CMΦmIS (直流机)(6)或M=CMΦmI2COSφ2 (交流机)(7)受控的物理量为主磁通Φm,由于主磁通量Φm产生于主磁极,因此转矩控制实际上是磁场控制,作用对象为主磁极。
转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡,即:M=Mfz由于调速稳态时,电磁转矩发生了变化,因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化,即要求负载跟踪电机。
转矩控制实际是弱磁调速,主要用于额定转速以上的调速。
鉴于本文重点讨论的是功率控制,故不赘述。
二、功率控制的方法与性能电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。
以异步机为例,图2是其等效三端口网络。
图2.异步机的等效网络其中电枢(转子)除产生轴功率输出外,还产生以感应电压u2和电流i2为参量的电功率响应。
由于该功率与转差率成正比,故称转差功率,其端口简称Ps口。
如果电机转子为笼型,其绕组呈短路状,Ps口为封闭不可控的。
反之为绕线型,Ps口则是开启可控的,转子可以通过Ps口输出或输入电功率。
由此可见,异步机的功率控制调速有两种方式,一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制;另一种是通过Ps口直接控制电枢轴功率。
前者主要适用于笼型异步机,后者则适用于绕线型异步机。
1. 定子伪电枢功率控制。
图3.异步机定子功率控制调速作为伪电枢,定子向电枢(转子)传输的电磁功率:Pem=P1-△P1 (8)电枢的轴功率则为:PM=Pem-△P2 (9)故PM=P1-(△P1+△P2)(10)可见,控制伪电枢的输入功率P1或增大其损耗△P1就可以控制电枢的轴功率,后者显然是低效率、高损耗的调速,不宜推荐。
控制P1调速的唯一方法是调压━━变频,即所谓的变频调速。
由于:P1=m1U1I1COSφ1 (11)故对于电压源供电调节端电压U1是控制功率P1的必须手段。
问题的关键是为什么不能单纯调压,而必须辅以变频?这是定子除了伪电枢的功能之外,还同时兼主磁极之故。
前已叙及,功率控制的要点有:①保持主磁通量不变②作用对象是电枢或伪电枢③控制目标是轴功率如果单纯调压而频率不变,定子的主磁极功能就要受到严重影响。
根据电机理论,做为主磁极,定子的主磁通量:Φm=E/4.44W1kr1f1=KE1/f1≈KU1/f1 (12)恒频调压的结果,主磁通Φm将随U1下降而减小,形成了前述的转矩控制。
更主要的是此时不但未能控制功率P1,反而增大了电机损耗,与目的绝然相悖。
设负载为恒转矩性质,由转矩平衡方程,电磁转矩:M=Mfz=const又M=CMΦmI1COSφ1=CMΦmI2COSφ2 (13)设功率因数不变,定转子电流I1、I2将随主磁通Φm下降而正比增大,其结果功率P1不变,但定转子损耗:△P1=m1I12 r1△P2=m2I222 r1将按电流的平方律增大。
根据式(10),轴功率控制虽能实现,却属低效率高损耗的调速。
为此,异步机定子的功率控制调速,必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。
针对同一定子绕组,一方面使主磁极产生的磁场保持稳定,同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。
于是变频调速建立了一条重要原则,就是调压变频,且保证V/F(压频比)为常数,这样就确保了上述控制要求的实现。
顺便指出,近代变频调速的矢量控制,实际上就是遵循这一原理。
矢量控制的核心思想,是把磁场与转矩游离开,分别加以控制,认为调速的根本在于转矩,而事实上游离的却是磁场和电磁功率,虽然结果无误,但理论上必须加以澄清。
2. 转子功率控制对于绕线转子异步机的调速,可以利用转差功率端口━Ps口直接控制轴功率。
方法是由Ps口移出或注入转差功率。
需要指出:①所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率,为此将后者称为转子损耗功率,记以△P2。
②转差功率有电能与热能之分,分别记以Pes和Prs,两者性质不同,对调速的影响也不同。
图4.异步机转子功率控制调速当在转子的Ps口引入电转差功率Pes时,转子的轴功率:PM=(Pem±Pes)-△P2 (14)式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率,电转差功率的负号表示从Ps口移出,正号表示从Ps口注入。
Pes属电功率,故与电磁功率相合成,结果使轴功率PM发生变化,电机转速得到相应调节。
电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速,前者的电转差功率为负,流向为从转子移出,故实现的是额定转速以下的调速。
后者的电转差功率可以双向流动,既可以移出,又可以注入,因此可以实现低同步和超同步两种调速。
当Ps口引入的是热转差功率Prs时,转子的轴功率则为:PM=Pem-(△P2+Prs)(15)显然热转差功率的引入,增大了电枢(转子)的损耗,轴功率随Prs的增大而减小,其典型例子是异步机转子串电阻调速。
三、功率控制的理想空载转速,效率与机械特性根据电机学,电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率,因有:Ω0=Pem/M(16)由于电磁转矩为负载所决定,理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。
功率控制调速的电枢功率可以综合表达为:PM=ΣPem-Σp2 (17)相应的转速:PM/M=ΣPem/M-Σp2/M(18)Ω=Ω0-△Ω (19)其中Ω0=ΣPem/M为功率控制调速的理想空载转速,因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。
换言之,电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。
又,△Ω=Σp2/M为电机的转速降。
由此表明增大电枢损耗,可以增加电机转速降。
电机调速的效率表达为:η=PM/(P1-Σpi)=PM/(Pem-△P2)因此,在一定的轴功率PM输出条件下,控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速,而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。
公式(18)同时刻画出了功率控制调速的机械特性,当连续改变电磁功率ΣPem时,如果损耗功率不变,电机的理想空载转速随ΣPem连续变化,其机械特性为一族平行的曲线。
而增大损耗,电磁功率不变时,电机理想空载转速不变,改变的只是转速降,其机械特性为一族汇交型曲线。
如图5给出了两种调速的定性曲线。
图5a.电磁功率调速特性b.转速降调速特性综上所述,可以得出以下结论:①电磁功率控制调节的是理想空载转速,损耗功率控制调节的是转速降。
②电磁功率控制是高效率节能型的调速,其机械特性必为平行曲线族。
损耗功率控制属低效率耗能调速,其机械特性必为汇交型曲线族。
四、异步机调速的分类与方法与按n=60f1/p·(1-S)表达式不同,根据本文所述的电机调速功率控制理论,异步机调速可分类表示如下:性质/方案控制点/变量方法要点五、结论1. 电机调速的基本原理有两种,一为轴功率控制,二是转矩控制。
转矩控制实际是磁场控制,适于恒功率调整。
2. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性,电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的,调速稳态时,电磁转矩只决定于负载,与控制无关。
3.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢,并最终只能通过电功率控制来实现。
其中,电磁功率调节的是理想空载转速,损耗功率改变的是转速降。
前者为高效节能型,后者为低效耗能型,两者的机械特性亦由此决定。
4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速,两者性能一致,并无本质差别。
恒功率励磁调节
内燃机车交—直流恒功率调速系统| [<<][>>]内燃机车交—直流恒功率调速系统(AC-DC constant power speed regulating system for diesel locomotive)满足交—直流传动内燃机车牵引性能要求,实现恒功率调速的励磁控制系统。
直流牵引电动机的转速公式为(1)式中,nD 为牵引电动机转速(r/min);UD为牵引电动机的端电压(V);Ce 为电势常数;ΦD为励磁磁通(Wb);ID为电枢电流(A);RD为电机绕组电阻值(Ω)。
调节牵引电动机的端电压UD 及励磁磁通ΦD,即可改变电机的转达nD,从而改变机车的运行速度。
在交—直流电传动内燃机车上,一般是通过调节牵引发电机的输出电压或者通过改变主电路的连接方式来达到对牵引电动机电压的调节。
而牵引电动机磁通的调节,一方面由于机车上通常采用的是串励牵电动机,其磁通随着牵引电动机电枢电流ID的变化而自动调节;另一方面还可采用对牵引电动机磁场削弱向方法来扩大磁通调节范围,从而获得更为宽广的恒功率运行速度范围。
在内燃机车上,牵引发电机既是柴油机的负载,又是引电动机的电源。
作为牵引电动机的电源,就需要改变输出电压以满足机车起动及调速的要求;作为柴油机负载,又要求在输出电压变化时维持柴油机功率恒定。
由此可见,要实现机车理想的牵引特性必定要求有与之相匹配的牵引发电机理想外特性。
牵引发电机的理想外特性在机车上,牵引发电机经整流后的输出功率PF 与柴油机输出功率Ne之间的关系可用下式表示PF =1 000(Ne﹣Nf j)ηFηZ=UF·IF(2)式中,UF为牵引发电机经整流后输出的直流电压(V);IF为输出的直流电流(A);机车上辅助设备所消耗的总功率N f j约占柴油机功率的8%~1 0%;牵引发电机的效率ηF和硅整流器的效率ηZ与负载电流有关,但变化很小。
先假设N f j不变,并忽略效率的变化,则由上式可知,要保持柴油机功率恒定就要求牵引发电机直流侧的输出电压和电流的乘积(UF·IF)保持不变,即牵引发电机的电压与电流呈反比变化而保持其输出功率不变,应具有等边双曲线的外特性,通常称为牵引发电机的恒功率外特性曲线,如图1中b c d所示。
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什么是恒转矩调速?什么是恒功率调速?1、变频调速、直流调压调速,都是恒转矩调速;2、所谓恒转矩调速的特征如下:1)频率电压(或直流电压)下降,额定电流不变,额定转矩不变,额定速度下降;2)由于额定转矩不变,额定速度下降,额定功率下降;3)就是说交流电机低频低速运行,直流电机低压低速运行,都是功率正比下降,额定速度下降,转矩不变;3、什么是恒功率调速,恒功率调速的特征如下:1)机械调速,是恒功率调速;2)机械调速时,通过改变传动比,改变负载的速度,而电机的额定转矩、额定速度不变;3)机械调速时,电机的额定转矩、额定速度不变,即电机的额定功率不变,所以称为恒功率调速;4)恒功率调速时,负载可以获得成千成百倍的力矩或动力!1、我们说交流电机变频调速,直流电机调压调速,都属于恒转矩调速;2、但是交流电机变频调速、直流电机调压调速,在额定电压以上的调速,称弱磁调速;3、弱磁调速,速度升高,转矩减小,电机功率不变;4、所以我们说,若磁调速,是恒功率调速;1、我们说机械调速属恒功率调速,是对负载而言的;2、从电机调速的角度看,电机并没有调速,电机的额定状态不变;3、所以当负载需要调速时,我们可以选择电机调速,也可以选择机械调速,机械调速应该是首选方式;4、不能用电机调速代替机械调速,机械调速可以放大机械力或力矩,是负载需要巨大动力、力矩的最好调速方式;1、机械调速,虽不是连续调速,实际上也不需要连续调速,汽车变速装置大家没感觉不够用吧?!2、但是机械调速,改变的是负载转速,原动机的功率、转矩、速度都不用变;3、机械调速可以成百成千的放大力矩或动力,适应负载动力矩的需要,而不用改变电机,这是机械调速的最大优势;4、在对负载调速时,首选应是机械调速,然后才是电机调速;5、不能用电机调速代替机械调速,有些人一味要求电机调速是个误区!。
电机恒转矩调速和恒功率调速的区别及差异
电机恒转矩调速和恒功率调速的区别及差异电机恒转矩调速和恒功率调速的区别及差异电机恒转矩调速和恒功率调速的区别及差异首先要记住一点,我们出厂设计的电机,都是按照在工频电压下(380V,50HZ)的给定下,所得到的额定转速值,如果我们在实际工况当中,没有达到380V,比如说只有300V,50HZ,那么这是一个欠压的情况,肯定是不能达到额定的转速值,因为按照这个电机的设计,50HZ的频率下,一定要有380V的电压来励磁,如今没有在额定电压下,没有达到应有的磁场强度,磁通偏小,那么肯定会影响速度的,不能因为那个< xmlnamespace prefix ="st1" />60f/p这个公式来看速度的变化。
又比如说在380V的40HZ的输入的情况下,根据公式E=K*F*Q,E不变,f降低了,那么Q磁通变大了,这是一种过压的情况,过大的励磁,磁通在长时间下,会使电机发热并有可能烧毁的。
所以说磁通这个值不能过大,这个值是根据我们电机在设计的时候就决定了其承载磁通能力。
我们通常在恒转矩调速时(50HZ以下),此时的磁通为额定磁通,也称为满磁,如果电压/频率变大,则会超过这个磁通值,造成电机发热。
下面说恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速,就是说让磁通保持一个不变的值,V/F=Q(磁通)是一个不变的值,为什么叫恒转矩调速,就是说负载的转矩是个定值,我们要求电机输出的转矩值也是个定值,看公式:T=K*I*Q,如今Q不变,那么电机输出转矩就和I成正比,因为Q这个值我们通过铭牌就可以计算出来的V(额定电压)/50HZ,所以在Q确定且不变的情况下,我们线圈的额定电流(不论有无负载,最大通过电流)确定的情况下,该电机能输出的最大力矩也就能够确定(也就能确定电机能带动多大转矩的恒负载),所以我们电机的过流能力就体现了电机的过载(转矩)能力。
在恒转矩调速下,我们也只需要通过变频器向电机输送经过调制的一定频率的电压(这个比是磁通,是个定值),负载的转矩也是个定值,那么N 一定,T一定,输入的功率P也就定了。
恒功率变量泵调速回路
恒功率变量泵调速回路1. 哎,说起恒功率变量泵调速回路,这玩意儿听起来就像是工程师们的黑话,但其实它跟我们的生活息息相关,尤其是在那些大型机械和工业设备上。
让我给你慢慢道来,这玩意儿到底是怎么一回事。
2. 首先,咱们得搞清楚什么是恒功率。
想象一下,你手里拿着一个锤子,不管你用多大力气挥舞,锤子的重量是不变的,这就是恒定的“功率”。
在机械的世界里,恒功率意味着不管你怎么调整,输出的功率都是固定的。
3. 然后,咱们再聊聊变量泵。
这玩意儿就像是个聪明的水阀,可以根据需要调整水流的大小。
在机械系统中,变量泵可以根据负载的变化调整液压油的流量,以保持系统的压力稳定。
4. 我记得有一次,我在工厂里看到一台巨大的液压机,它就用到了恒功率变量泵调速回路。
那机器看起来就像是个钢铁巨兽,但是它的动作却异常精准和平稳。
5. 我站在旁边观察,看到操作员轻轻一推控制杆,那机器的液压缸就开始缓缓移动。
我注意到,尽管机器的动作很慢,但是它的力量却非常强大,这都得归功于恒功率变量泵的调节。
6. 你可能会问,这玩意儿怎么就能保持恒功率呢?其实,这跟变量泵的调节有关。
当负载增加时,变量泵会自动减少流量,以保持压力和功率的恒定。
反之,负载减少时,流量就会增加,但功率依然保持不变。
7. 我还记得,那天操作员给我展示了一个实验。
他把一个重物放在液压机下,然后慢慢增加重量。
我注意到,尽管重量在增加,但是液压机的动作依然平稳,没有出现任何吃力的迹象。
8. 这让我想到了生活中的很多事情,有时候我们也需要像恒功率变量泵一样,面对不同的挑战和压力,要学会调整自己的节奏和力度,以保持最佳的工作状态。
9. 但是,这玩意儿也不是没有缺点。
我注意到,当负载突然变化时,恒功率变量泵需要一点时间来调整,这可能会导致机器的动作出现短暂的停顿或者不稳定。
10. 我记得有一次,操作员突然移除了重物,液压机的液压缸迅速上升,但是很快就稳定了下来。
这是因为变量泵迅速调整了流量,以适应新的负载条件。
三种调速方式的效率曲线
三种调速方式的效率曲线分别是恒转矩调速、恒功率调速和恒流调速。
1. 恒转矩调速
恒转矩调速指的是在负载不变的情况下,电机输出的扭矩保持不变。
这时,随着转速
的变化,电机输入的电能也会随之变化。
因此,恒转矩调速的效率曲线呈V型,如下
图所示:
![恒转矩调速效率曲线]
2. 恒功率调速
恒功率调速指的是在负载变化的情况下,电机输出的功率保持不变。
这时,随着转速
的降低,电机输出的扭矩会增加,电机输入的电能也会相应增加,因此效率随之提高;当转速升高时,电机输出的扭矩会减小,电机输入的电能也会相应减小,因此效率也
会降低。
因此,恒功率调速的效率曲线呈倒U型,如下图所示:
![恒功率调速效率曲线]
3. 恒流调速
恒流调速指的是在负载变化的情况下,电机输入的电流保持不变。
这时,随着转速的
降低,电机输出的扭矩会增加,电机输入的电压也会相应增加,因此效率随之提高;
当转速升高时,电机输出的扭矩会减小,电机输入的电压也会相应减小,因此效率也
会降低。
因此,恒流调速的效率曲线呈倒U型,如下图所示:
