交流電動機(jī)

交流電動機(jī)感應(yīng)電動機(jī)的原理

感應(yīng)電動機(jī)又稱“異步電動機(jī)（asynchronousmotor）”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 。

感應(yīng)電動機(jī)的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機(jī)中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機(jī)械方法來實現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當(dāng)于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。這種電動機(jī)并不像直流電動機(jī)有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類有單相電動機(jī)和三相電動機(jī)，單相電動機(jī)用在如洗衣機(jī)，電風(fēng)扇等；三相電動機(jī)則作為工廠的動力設(shè)備。 通過定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n₁）與轉(zhuǎn)子繞組的相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸接近同步轉(zhuǎn)速時，感應(yīng)電流逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，當(dāng)異步電動機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速。為了描述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n₁之間的差別，引入轉(zhuǎn)差率（slip）。

交流電動機(jī)同步電動機(jī)

同步電動機(jī)的構(gòu)造大致上與交流發(fā)電機(jī)相同，它與感應(yīng)電動機(jī)的基本區(qū)別在干它的轉(zhuǎn)子是繞有線圈的凸出式磁極，由另一架激磁機(jī)供拾直流電交激磁電流) 。

同步電動機(jī)是屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動機(jī)相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機(jī)。正由于這樣，同步電動機(jī)的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機(jī)是一個容性負(fù)載。為此，在很多時候，同步電動機(jī)是用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。

交流電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，交流電動機(jī)分為同步交流電動機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)兩種。兩種電機(jī)均為定子側(cè)繞組通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，但同步交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通常需要激磁機(jī)需要供給直流電（激磁電流）；而感應(yīng)電動機(jī)則轉(zhuǎn)子繞組則無需通入電流。

三相交流電動機(jī)的定子繞組基本上是三個相互隔開120度的線圈，作三角形或星形聯(lián)結(jié)。通入三相電流時，在每個線圈中產(chǎn)生磁場，這三個磁場合成得到一個旋轉(zhuǎn)磁場。電流完成一次全振動，旋轉(zhuǎn)磁場正好旋轉(zhuǎn)一周，因此，旋轉(zhuǎn)磁場的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)N=60f。式中f是電源頻率。

交流電動機(jī)按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速率可分為同步電動機(jī)和異步電動機(jī)（或稱非同步電動機(jī)）兩種。同步電動機(jī)不管負(fù)載大小，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，因此把這種轉(zhuǎn)速叫做同步轉(zhuǎn)速，如上所述，它只決定于電源的頻率。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速則不是恒定的，它決定于負(fù)載的大小和電源電壓。三相異步電動機(jī)中又有無整流子電機(jī)和有整流子電機(jī)之分。實際應(yīng)用的異步電動機(jī)絕大多數(shù)是無整流器的感應(yīng)電動機(jī)（但并聯(lián)與串聯(lián)的三相異步整流子電動機(jī)具有可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、有高功率因數(shù)等優(yōu)點），它的轉(zhuǎn)速恒小于同步轉(zhuǎn)速 。

交流電動機(jī)的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。

交流電動機(jī)在運(yùn)行中由于摩擦、振動、絕緣老化等原因，難免發(fā)生故障。這些故障若及時檢查、發(fā)現(xiàn)和排除，能有效地防止事故的發(fā)生。

交流電動機(jī)常見故障檢查

1.聽聲音，仔細(xì)找故障點交流異步電機(jī)在運(yùn)行中，若發(fā)現(xiàn)較細(xì)的“嗡嗡”聲，沒有忽高忽低的變化，是一種正常的聲音，若聲音粗、且有尖銳的“嗡嗡”、“咝咝”聲是存在故障的先兆，應(yīng)考慮以下原因：

(l)鐵芯松動電機(jī)在運(yùn)行中的振動，溫度忽高忽低的變化，會使鐵芯固定螺栓變形，造成硅鋼片松動，產(chǎn)生大的電磁噪聲。

(2)轉(zhuǎn)子噪聲轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)出的聲音，由冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的，是一種“嗚嗚”聲，若有像敲鼓時的“咚咚”聲，這是電機(jī)在驟然啟動、停止、反接制動等變速情況下，加速力矩使轉(zhuǎn)子鐵芯與軸的配合松動所造成的，輕者可繼續(xù)使用，重者拆開檢查和修理。

(3)軸承噪聲電機(jī)在運(yùn)行中，必須注意軸承聲音的變化，把螺絲刀的一端觸及在軸承蓋上，另一端貼在耳朵上，可以聽到電機(jī)內(nèi)部的聲音變化，不同的部位，不同的故障，有不同的聲音。如“嘎吱嘎吱”聲，是軸承內(nèi)滾槍的不規(guī)則運(yùn)動所產(chǎn)生，它與軸承的間隙、潤滑脂狀態(tài)有關(guān)?！斑羞小甭暿墙饘倌Σ谅暎话阌奢S承缺油于磨所致，應(yīng)拆開軸承添潤滑脂劑等。

2.利用嗅覺，分析故障電機(jī)在正常運(yùn)行中是沒有異味的，若嗅到異昧，便是故障信號，如焦糊味，是絕緣物燒烤發(fā)出的，且隨電機(jī)溫度的升高，嚴(yán)重時還會冒煙；如油焦味，多半是軸承缺油，在接近干磨狀態(tài)時油氣蒸發(fā)出現(xiàn)的異味。

3.利用手感，檢查故障用手觸摸電視的外殼，可以大致判斷溫度的高低，若用手一觸及電機(jī)外殼便感到很燙，溫度值很高，應(yīng)檢查原因，如：負(fù)荷過重、電壓過高等，然后針對原因排除故障。

交流電動機(jī)常見故障的原因

1. 電動機(jī)沒有啟動力矩，或空載時不能啟動，并發(fā)出不正常聲音 。

原因：

(l)三相電源電路(包括閘刀開關(guān)、引線定子繞組)有一相斷電，造成單相啟動。

(2)電源電壓過低。

(3)軸承過度磨損，使轉(zhuǎn)子靠近定子的一側(cè)，造成定子與轉(zhuǎn)子不同心，氣隙不均勻。

2.電動機(jī)啟動力矩小，有載時不能啟動，負(fù)載增大時電機(jī)停轉(zhuǎn)，有時發(fā)出強(qiáng)烈雜聲，局部發(fā)熱。原因：電網(wǎng)電壓低，繞組有匝間短路，轉(zhuǎn)子繞組中有斷線或脫焊現(xiàn)象，啟動后一相斷線造成單相運(yùn)行。

3.啟動電流大，而且不平衡，聲響大，造成保護(hù)裝置動作而切斷電源。原因：定子繞組接線方法可能不正確，繞組對地絕緣老化。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性完全可以和直流傳動系統(tǒng)相媲美，交流傳動系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，交流傳動取代直流傳動已逐步變?yōu)楝F(xiàn)實。

由于交流電機(jī)本質(zhì)上為非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時變、大干擾的復(fù)雜對象，它的有效控制一直是國內(nèi)外研究的熱點問題，現(xiàn)已提出了多種控制策略與方法。其中經(jīng)典線性控制不能克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化及非線性因素的影響，控制性能不高；矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制也存在一些問題：近年來，隨著現(xiàn)代控制和智能控制的理論發(fā)展，先進(jìn)控制算法被應(yīng)用于交流電機(jī)控制，并取得一定成果 。

交流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制方法

常用的穩(wěn)態(tài)模型控制方案有開環(huán)恒v/f比控制(即電壓/頻率=常數(shù))和閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制。

(1)恒壓頻比控制

此法是從變壓變頻基本控制方式出發(fā)的且不帶速度反饋的開環(huán)控制方式。由于在額定頻率以下，若電壓一定而只降低頻率，那么氣隙磁通就要過大，造成磁路飽和，嚴(yán)重時燒毀電機(jī)。為了保持氣隙磁通不變，采用感應(yīng)電勢與頻率之比為常數(shù)的方式進(jìn)行控制。

此法優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，控制運(yùn)算速度要求不高等。

此法缺點：開環(huán)控制的調(diào)速精度和動態(tài)性能較差；只控制了氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，性能不高；由于不含有電流控制，起動時必須具有給定積分環(huán)節(jié)，以抑制電流沖擊；低頻時轉(zhuǎn)矩不足，需轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

(2)閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制

此法是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，在轉(zhuǎn)差率很小的變化范圍內(nèi)，只要維持電機(jī)磁鏈不變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比，因此控制轉(zhuǎn)差角頻率即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

此法優(yōu)點：基本上控制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

此法缺點：不能真正控制動態(tài)過程的轉(zhuǎn)矩，動態(tài)性能不理想。

上述兩種控制方法基本上解決了電機(jī)平滑調(diào)速問題，但系統(tǒng)的控制規(guī)律是只依據(jù)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，沒有考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及低速時轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等動態(tài)性能不高；轉(zhuǎn)矩和磁鏈?zhǔn)请妷悍导邦l率的函數(shù)，當(dāng)僅控制轉(zhuǎn)矩時，由于I/O間的耦合會導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢，即使有很好的控制方案，交流電機(jī)也很難達(dá)到直流電機(jī)所能達(dá)到的性能。但這兩種控制的規(guī)律簡單，目前仍在一般調(diào)速系統(tǒng)中采用，它們適用于動態(tài)性能要求不高的交流調(diào)速場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載 。

交流電動機(jī)動態(tài)模型控制方法

要獲得高動態(tài)性能，必須依據(jù)交流電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。它的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量為定子電壓和頻率，輸出變量為轉(zhuǎn)速和磁鏈。當(dāng)前最成熟的控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)

它是由Blasehlke F．在1971年提出。根據(jù)電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用矢量變換方法，將異步電機(jī)模擬成直流電機(jī)，從而獲得良好的動態(tài)調(diào)速性能。

它可分為轉(zhuǎn)子磁場定向控制和定子磁場定向控制兩種，其中轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制以轉(zhuǎn)子磁鏈為參考坐標(biāo)，通過靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換，將定子電流分解成產(chǎn)生磁鏈的勵磁分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，并使兩分量相互獨立而解耦，然后分別對磁鏈和轉(zhuǎn)矩獨立控制。通常的控制策略是保持勵磁電流不變，改變轉(zhuǎn)矩電流來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩；定子磁場定向控制是將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸放置在定子磁場方向上，有利于定子磁通觀測器的實現(xiàn)，減弱轉(zhuǎn)子回路參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響，但低速運(yùn)行時，定子電阻壓降不容忽略，反電勢測量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。若采用轉(zhuǎn)子方程實現(xiàn)磁通觀測，會增加系統(tǒng)復(fù)雜性。

此法優(yōu)點：實現(xiàn)了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，可對它們分別獨立控制，明顯改善了控制性能。

此法缺點：對電機(jī)參數(shù)的依賴性大，而電機(jī)參數(shù)存在時變性，難以達(dá)到理想的控制效果；即使電機(jī)參數(shù)與磁鏈能被精確測量，也只有穩(wěn)態(tài)時才能實現(xiàn)解耦，弱磁時耦合仍然存在；需假設(shè)電機(jī)中只有基波正序磁勢，太理論化，不完全符合實際；若解耦后的控制回路采用普通PI調(diào)節(jié)器，其性能受參數(shù)變化及各種不確定性影響嚴(yán)重。

矢量控制已獲得非常廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)控制，且為克服其缺點，它常與其他控制方法相結(jié)合來使用。

(2)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)

它是由德國Depenbrock M．于1985年提出，它摒棄了解耦思想，直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，不需要復(fù)雜的變換與計算，把電機(jī)和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計算定子磁通和轉(zhuǎn)矩，通過PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。

此法優(yōu)點：控制思路新穎，采用“砰．砰”控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，無需對定子電流解耦，靜、動態(tài)性能優(yōu)良；采用定子磁鏈進(jìn)行磁場定向，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，使系統(tǒng)性能對轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性；可被推廣到弱磁調(diào)速范圍。

此法缺點：功率開關(guān)器件存在一定的通、斷時間，為防止同一橋臂的兩開關(guān)發(fā)生直通而短路，必須在控制信號中設(shè)置死區(qū)，但死區(qū)會使在各調(diào)制周期內(nèi)引起微小畸變，畸變積累后會使逆變器的輸出電流產(chǎn)生畸變，引起轉(zhuǎn)矩脈動，低速時死區(qū)效應(yīng)更明顯；低速時定子電阻的變化引起的定子電流和磁鏈的畸變；對逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大；無電流環(huán)，不能做電流保護(hù)，需加限流措施。

此法已逐步大量用于交流電機(jī)控制，且為克服它的缺點，常與其他控制方法相結(jié)合。VC和DTC兩法表面上不同，控制性能上各有特色，但本質(zhì)是相同的，都采用轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別控制，其中轉(zhuǎn)矩控制環(huán)(或電流的轉(zhuǎn)矩分量環(huán))都處于轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，可抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)近似解耦 。

在實際應(yīng)用中，交流電動機(jī)總是與生產(chǎn)機(jī)械相聯(lián)系，形成電力拖動系統(tǒng)。不同的生產(chǎn)機(jī)械要求不同的速度，即使同一個生產(chǎn)機(jī)械在不同的運(yùn)行工況下，也需要不同的速度，因而需要對拖動系統(tǒng)的運(yùn)行速度加以調(diào)節(jié)，即產(chǎn)生了交流電動機(jī)調(diào)速.交流電動機(jī)，尤其是籠型感應(yīng)電動機(jī)，由于沒有機(jī)械換向裝置，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、造價低廉，且有良好的節(jié)能效果，在單機(jī)容量和速度極限等方面都比直流電動機(jī)高;特別是在灰塵多、有爆炸危險的惡劣環(huán)境里，交流電動機(jī)更為適用。但交流電動機(jī)的調(diào)速性能不如直流電動機(jī)好，在很長一段時間內(nèi)，交流電動機(jī)只能作恒速運(yùn)行。解決交流電動機(jī)的調(diào)速問題，一直是電力拖動工作者所關(guān)注和研究的課題。發(fā)展簡史早在20世紀(jì)30年代，不少學(xué)者就提出了各種交流調(diào)速系統(tǒng)，企圖改善交流電動機(jī)的調(diào)速性能。