1 引言
自上個世紀90年代以來，近代交流調速步入了以變頻調速為主導的發展階段。其間，由於各種新型電力電子器件的支援，使變頻調速在低壓（380 v）、中小容量（200 kw以下）方面取得了較大的進展。但是面對高壓（6～10 kv）中大容量領域，由於電力電子器件自身規律的限制，變頻調速在技術上遇到了很大困難，無論是「高-低」「、高-低-高」以及「多電平串聯」等方案，都在實踐中暴露出技術複雜、**昂貴、效率降低、可靠性較差等缺點。
從理論上看，高壓變頻所面臨的問題是違反電力電子器件客觀規律的結果，因為目前幾乎所有的電力電子器件，其材料、工藝機理都決定了其屬性是低壓大電流的。
儘管如此，高壓變頻的勢頭仍有增無減，除了客觀市場需求的拉動以外（諸如高壓中大容量的風機幫浦類節能），主要是「變頻調速是唯一的最佳交流調速」理論導向的結果。調速效率和機械特性（包括平滑性及範圍）是衡量調速效能的主要標準，變頻調速果真是唯一的最佳交流調速嗎？事實並非如此。
例如串級調速不僅具有和變頻調速幾乎一致的調速機械特性，而且效率還略高於後者，當然串級調速存在一些缺點，但相對高壓變頻存在的問題還是容易解決的。
根據傳統電機學理論，交流調速被劃分為變頻、變極和變轉差率三種方案，在缺乏科學分析的
件下，認定變轉差率調速是低效率的，而變極調速又屬於有級調速，因此惟有變頻調速最佳。例如文獻[4]提出：「變頻調速方法與變轉差調速方法有本質不同，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、寬範圍和高精度的調速效能。
可以認為，變頻調速是交流電動機的一種比較合理和理想的調速方法。」這樣，就把變頻調速和變轉差率調速對立起來，並且完全否定了變轉差率調速，顯然與事實不符。儘管很多文獻試圖從轉差功率**角度來解釋串級調速，但在調速機理和特性等方面仍未得到深入的解答。
具有相同結果的不同事件，必然遵循共同的客觀規律。既然串級調速和變頻調速具有本質的相似特性，那麼兩者的調速機理應該是一致的。另外，作為科學的調速理論，應該能夠明確揭示調速的效能，並且全面準確地指導實踐，然而按傳統的交流調速「公式」n=60 f1(1-s)/p，不但不能判別調速效率及特性等效能，而且按公式單純地改變非同步機的頻率（不改變供電電壓）或極數（不改變匝數），步機根本無法正常調速執行。
由此可見，傳統的交流調速理論和公式是值得商榷的，同時對一些認為已經得出結論的，例如串級調速、變頻調速的機理，也需要重新討論和認識。
傳統電機學在交流調速分析方面存在很多值得**的問題，集中表現在調速的實質、公式的產生邏輯、同步轉速與理想空載轉速的區別、轉差率與效率的關係等關鍵問題上，本文為此進行了新的分析，並在文獻[1]「交流調速功率控制原理」的基礎上，提出了新的交流調速公式。
2 電機學非同步機轉速表示式的質疑
公式是客觀規律的數學表達形式，它只能產生於科學分析和實踐，而不能產生於人為的定義。
傳統電動機學的非同步機轉速表示式是首先定義轉差率s為：
式中：n1為同步轉速；n為機械轉速。由式（1），經代數變換得：
由於恒等變換不改變等式性質，可見式（2）仍是定式，是式（1）的另一種表達形式。
將式（3）代入定義式（2），則有：
應該注意，式（4）與式（2）沒有本質變化，儘管式（3）是公式，但它僅僅起到引數變換的作用，並沒有改變式（1）（、2）定義式的性質。因此轉速表示式（4）只是人為的定義式，並非公式，自然不能成為交流調速的理論依據，否則就犯了基本的邏輯錯誤。另外，由表示式（2）決定的同步轉速與機械轉速的聯絡，也是人為建立的，以此作為改變同步轉速即可以改變機械轉速的理論依據，顯然是不科學的。
事實上，同步轉速和機械轉速是不同屬性的兩種運動，前者是機械的後者是電磁的，兩者之間沒有直接的聯絡，也不能進行簡單的合成。
調速實踐也與表示式（4）不符。例如單純地改變頻率而不相應地改變定子電壓，當頻率低於額定值很多時，電機將劇烈發熱，不能正常執行；又如，只改變極數而不相應改變有效串聯匝數，電機同樣無法工作。以上兩例均依照表示式（4）操作，結果卻遭失敗，如果公式是科學的，絕不應該出現這樣的例外。
3 非同步機的理想空載轉速與公式
和直流電動機一樣，非同步機也具有理想空載轉速。與同步轉速相比，兩者的定義和屬性都不同，為了探求非同步機調速的實質，應首先建立非同步機的物理模型。
根據非同步機的能量轉換與傳輸原理，非同步機等效於圖1的功率模型。旋轉磁場的功能是將定子的電磁功率傳輸給轉子，因此等效於聯接定轉子的功率傳輸通道，為與電傳導方式相區別，稱為感應通道。主磁通φm是電磁感應中極為重要的引數，可以形象地認為是感應通道暢通與否的標誌。
為了保證感應通道暢通，應使主磁通為常量，否則將使功率傳輸的損耗增大，並且影響電機的轉矩效能。
定轉子之間傳輸的電功率稱為電磁功率，也是轉化為機械功率的**。定子的電磁功率為pem=p1-δp1即輸入功率與損耗功率之差，轉子的電磁功率則為pem=pm+δp2，即機械功率與轉子損耗功率之和。
根據力學原理，非同步機角速度為：
其中：pm為非同步機機械功率；t為輸出轉矩。
根據非同步機的能量轉換與守恆，轉子的功率方程為：
其中：pem為非同步機轉子的電磁功率；δp2為轉子的損耗功率。因此，非同步機輸出角速度為：
式中的pem/t=ω。稱為理想空載角速度；δp2/t=δω，稱為角速度降。
量綱變換後，有
式中：no=60*ω/2π，為理想空載轉速；δn=60*δω/2π，為轉速降。
由此可見，非同步機的理想空載轉速表達為電磁功率與電磁轉矩之比，其含義是：在假定無損耗的理想狀態下，轉子的全部電磁功率都轉化為機械功率所能獲得的轉速。由於這種假設只有在理想空載的條件下才能實現，故稱理想空載轉速。
非同步機通過轉子將電磁功率轉化為機械功率，其電磁功率及電磁轉矩分別為：
其中，轉矩係數為：
根據式（8），理想空載角速度為：
其中的電勢係數為：
式（12）表明，在電勢係數不變的條件下，非同步機的理想空載轉速與轉子開路電勢e2成正比，與主磁通量φm成反比。非同步機調速可以通過改變轉子電勢或主磁通量從而改變理想空載轉速的方法實現。
4 理想空載轉速的電勢控制與調速
非同步機轉速控制的方法之一是通過電傳導的形式控制轉子的合電勢，即選擇轉子作為控制物件，在轉子迴路中串聯附加電勢。此時轉子的合電勢為：
其中：ef為附加電勢，當ef與e2反極性串聯時，符號取正，它將使轉子的合電勢增大，理想空載轉速超過同步轉速；而當同極性串聯時，符號取負，它使轉子的合電勢減小，理想空載轉速低於同步轉速。結合式（12），此時的理想空載角速度為：
其中：ωo為e2單獨作用下的理想空載角速度；ωk為ef產生的附加理想空載角速度，實際理想空載角速度為兩者的代數和。令
稱之為電轉差率（注意與傳統的轉差率相區別）。因此有：
量綱變換後的理想空載轉速為：
轉子串聯附加電勢調速的特點是：定子的原邊電壓和頻率不變，主磁通自然恆定,因此調速如直流機一樣，只需控制附加電勢單一變數，系統得以簡化。傳統的串級調速、雙饋調速以及我國首創的內饋調速就是基於上述原理。
通過電磁感應間接地控制轉子電勢，控制物件選擇為定子，由於轉子電勢是由定子電勢感應產生，因此，可以通過控制定子電勢改變轉子電勢。根據電機學，有：
按式（15）的推導過程有：
可見，在主磁通不變的條件下，可以通過控制定子電勢來改變非同步機的理想空載轉速。問題是對於定子勵磁的非同步機，e1在決定電磁功率的同時，還影響主磁通φm，單純地改變定子電勢，主磁通將隨e1同比變化，結果是理想空載轉速不變，同時破壞φm=c，致使損耗增大。因此，在調壓的同時，必須改變頻率，使e1/f1=c，以維持主磁通不變，調速要調壓、變頻二元控制，技術較為複雜。
將式（12）、（19）折算為每分鐘轉速，有：
對應於轉子；
對應於定子。
新量綱下的電勢係數為：
5 弱磁、損耗與轉速降
非同步機調速按輸出特性可劃分為恆轉矩和恆功率兩種基本型別。恆轉矩調速是指調速時的輸出轉矩能力不變，標誌是主磁通恆定，對於大多數的低同步調速，這是最為理想的調速；而恆功率調速則是調速時的輸出功率能力不變，通常只適於超同步調速，實際上是指輸出轉矩能力隨轉速公升高而減小。
為了實現超同步調速，根據公式（21），可以在定子電壓不變的條件下減小主磁通，即弱磁調速，此時的調速為恆功率屬性。還可以根據公式（20），主磁通不變，通過附加電勢增大轉子的合電勢，調速為恆轉矩屬性。
弱磁調速的主要方法是恆壓（u1）公升頻（f1），即定子電壓不變而增大頻率，主磁通隨之減小，電機理想空載轉速公升高，實際上，變頻調速的超同步就是這樣實現的。
需要注意的是，非同步機定子恆頻調壓調速也是弱磁，但由於主磁通與定子電勢同比降低，按公式（21），電機理想空載轉速不變，因此不能實現超同步調速。
弱磁調速必須注意的是轉子電流和損耗增大，設負載轉矩不變，根據轉矩平衡方程式t=tl及電磁轉矩公式（10）可知，主磁通減小將導致定、轉子電流增大，繞組的損耗將按電流的平方律激增，會導致電機的轉速降增大，效率降低，這是調速必須要注意的。另外，主磁通減小，電機繞組受載流能力的限制不能增大，額定輸出轉矩減小，只能實現恆功率調速。
由公式δω＝σp2/t可見，非同步機的轉速降是由轉子總損耗功率σp2引起的其中
結合式（10），有：
說明轉速降與轉子電流和電阻成正比，與主磁通和轉子功率因數成反比。
由以上分析可知：①恆壓弱磁調速使理想空載轉速公升高的同時，也使轉速降增大，電機轉速為兩者之差，究竟是公升高還是降低，取決於具體的量值情況；②轉速降的增大，必然使弱磁調速的機械特性較恆轉矩區變軟，而且頻率越高，特性越軟；③轉子功率因數也是影響轉速降的因素，即使不改變電阻和主磁通，在轉速較低的情況下，cosφ2也會因轉子頻率增高而降低，這將導致轉速降加大。
6 非同步機定子的等效直流機模型與調速
如果交流調速能夠模擬成直流調速，那麼，首先非同步機能夠模擬為直流機，因為這是基礎。
非同步機的理想空載轉速公式（20、21）與直流機的相應轉速公式no=e1/ceφ是一致的。同時注意到，在定子電壓作用下，非同步機定子產生主磁通為φm的旋轉磁場，同時產生電磁功率，其方程分別為：
據此，非同步機的定子可以等效為圖2的直流並激電動機。其中，定子的激磁功能等效為直流機的主磁極；電磁功率傳輸功能等效為電樞。需要注意的是，定子的電磁功率並不直接轉化成機械功率，而是通過電磁感應傳輸給轉子，然後由後者完成機械功率的轉化，因此，如果把電樞定義為「將電磁功率轉化為機械功率的部件」，轉子才是真正的電樞，定子應該稱為「偽電樞」。
對於圖2的等效非同步機，為了實現恆磁通的高效率調速，必須設法將圖2的直流並激電動機改變為圖3的直流他激電動機，顯然，對於直流機是輕而易舉的，而對於非同步機則頗為困難，需要在調壓的同時輔以變頻，並使e1/f1=c，交流調速難以直流調速，原因可能就在於此。
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