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传统异步机调速表达式的商榷

  2009年11月06日  
  目前交流调速的理论依据主要是传统电动机学的异步机转速公式即,然而研究表明,这一表达式却是一个定义式,而非公式。定义式是人为的主观意志,不能作为公式去指导客观实践,自然,定义式不能作为调速的理论依据。
  交流调速的发展必须基于调速理论的科学指导,而传统交流调速在理论和表达式等方面都暴露出很多问题和缺陷,如果不能及时纠正,不仅调速技术无法进步,而且传统调速理论的传承,必然将其缺失影响到该学科的学习者,其后果可想而知。
  受到受传统理论的影响,目前学术界较普遍地认为,异步机调速的最佳途径在于改变同步转速,对于其它调速方式则不予支持。而且由此得出“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”。这一观点不仅局限了交流调速的发展,而且也和调速的实践严重不符。
  限于篇幅,本文重点讨论传统交流调速的表达式存在的问题,至于所提出的电动机统一调速原理,以及交流调速公式将在另外文章中论述。
1、的逻辑错误
  公式是客观规律的数学表达形式,它只能产生于已有的定律和公式,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 :

, (1)

式中: n1为同步转速;
n 为机械转速。
由式(1),经代数变换得
, (2)
  由于恒等变换不改变等式性质,可见式(2)仍然是定义式,它是式(1)的另外一种表达形式。
又,由于
, (3)
将式(3)代入定义式(2),于是
。 (4)
  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n1的代换作用,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。
2、表达式的实践检验
  实践是检验定律和公式科学与否的标准。如果 是科学的,其指导下的各种调速方法都必须涵盖在公式的内涵之中,不得出现特殊的意外。
1) 变频调速
  按,要实现异步机调速可以单纯地改变定子电压(电流)的频率f1,然而实践表明,对于绝大多数的降频调速,如果单纯降频而不同时降压,异步机将会损耗增大、剧烈发热,根本就不能正常调速运行。实际的变频调速,无一例外地都采取变频+调压的控制,而且要求U1/f1——压频比近似为常量,近代的有关文献将其简称为“VVVF”控制(实际是变压、变频的英文缩写)。
  然而传统调速公式根本就没有体现定子电压U1,更无从显示调压的必要性,显然,这样严重的疏漏对于科学公式是不能容忍的。
2) 变极调速
  实际改变极对数p的调速是改变异步机的绕组结构,可以看作两台具有公用转子的异步机的选择控制。但是,在实际的变极调速中,问题也不是如传统调速公式所表示的那么简单。例如将一台2极异步机,简单地通过绕组接线的变换改接成4极异步机,绕组的有效串联匝数不变,结果4极状态运行下的异步机将严重发热,甚至烧毁。实际的变极调速异步机,结构大概有两种,一种是双绕组型,即两个绕组对应各自的极数,运行时选择其中一个极数,只有一个对应的绕组工作。另一种是单绕组,在改变极数的同时还要改变绕组的有效匝数,通常,高极数的有效匝数大于低极数的有效匝数,特点为变极+调匝。显然,传统公式也没有全面表达出变极调速实践的内涵。
3) 变转差率调速
  传统公式在此方面存在的问题更多。
  转差率是数学量,调速如何操作?
  物理公式除了数学意义之外,更主要的是物理内涵,作为物理公式,通常方程左边(参数)是目的,方程右边(参数)是实现目的的方法,显然,这些作为方法的参数只能是物理的而不能是数学的,否则无法操作。
  前已叙及,转差率是人为定义的速度比值,是无法用来控制调速的。例如,效率,要提高效率,实际可操作的方法只能是降低损耗,不可能直接改变的数值。传统公式给出的变S调速方法明显不具有可操作性。
  改变转差率的调速性质表达不明
  很多调速文献认为改变转差率的调速必然降低调速效率,理由似乎是转差率和效率密切相关,事实上这是一个误解。
  引起转差率和效率混淆的关键在于转差功率Ps,电机学在异步机分析时,发现转子不可能完全  将电磁功率全部转化成机械功率,其中,总要有一部分功率不能完成转换,进一步研究发现,不能转化为机械功率的部分总是和转差率相关,而且有
,
定义

,
于是
。
  需要强调指出,转差功率依然是人为定义的,所表达的含义是电磁功率中所没有转化为机械功率的部分。至于这部分功率如何归属、如何转化,定义并没有明确。
  特殊的,当异步机自然运行——即没有任何人为的干预时,没有转化为机械功率的部分——转差功率唯一的归属是损耗,因此,转差功率在这样的前提之下和转子的损耗功率相等,即
,
注意这种相等仅仅是数值的等量,而且是有条件的,不要因此就把转差功率误认为就是损耗功率。可见公式对变转差率调速的性质没有表明,而认为变s就是降低效率的观点缺乏科学依据。
如何改变转差率实现调速?
  基于转差率无法直接改变,于是,似乎可以根据式1,通过改变n或n1来改变s,其实逻辑错误,无法实现。首先不可能设想通过n来改变s,理由是因果不能倒置;其次是n1按式3只有通过改变极数或频率方可实现,又重复了上述的方法。
鉴于电机学有
,
  等相关表达式,是否可以通过控制转子频率f2,或转子运行电动势E2s,以及转差功率Ps改变转差率?深入研究发现,f2、E2s都只能通过Ps控制才能改变,而这个问题又回到前面的转差率和效率上了。
  由于s仅仅是一个数学量,只有物理量才具有实质意义,因此,即使通过上述的方法实现了转差率的改变,我们也不能认为改变转差率才是调速的实质,相反,调速的实质应该是功率控制,这一点,传统公式也无法自圆其说。
3、结论
  传统电机学的异步机转速表达式是基于转差率的人为定义式所产生,虽经数学变换,但依然是定义式而不是公式。
指导科学实践的只能是公式(定律)而不能是人为的定义式,因此传统异步机转速表达式不能成为调速的科学依据。
异步机的调速实践和传统表达式存在诸多矛盾,进一步验证了传统表达式存在的问题。

标签:异步机  我要反馈
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