交流電動(dòng)機(jī)原理

交流電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒(méi)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(diǎn)，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)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(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，交流電動(dòng)機(jī)分為同步交流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)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(chǎng)，但同步交流電動(dòng)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(dòng)機(jī)則轉(zhuǎn)子繞組則無(wú)需通入電流。

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

交流電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速率可分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)（或稱非同步電動(dòng)機(jī)）兩種。同步電動(dòng)機(jī)不管負(fù)載大小，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)中又有無(wú)整流子電機(jī)和有整流子電機(jī)之分。實(shí)際應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)是無(wú)整流器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（但并聯(lián)與串聯(lián)的三相異步整流子電動(dòng)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(diǎn)），它的轉(zhuǎn)速恒小于同步轉(zhuǎn)速 。

交流電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的原理

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱“異步電動(dòng)機(jī)（asynchronousmotor）”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動(dòng)機(jī)中不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并不是用機(jī)械方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對(duì)電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。這種電動(dòng)機(jī)并不像直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)，單相電動(dòng)機(jī)用在如洗衣機(jī)，電風(fēng)扇等；三相電動(dòng)機(jī)則作為工廠的動(dòng)力設(shè)備。 通過(guò)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n₁）與轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(chǎng)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(shí)，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(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，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(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)

同步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)是屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動(dòng)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(chǎng)的速度是一樣的，所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。正由于這樣，同步電動(dòng)機(jī)的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)容性負(fù)載。為此，在很多時(shí)候，同步電動(dòng)機(jī)是用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。

交流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中由于摩擦、振動(dòng)、絕緣老化等原因，難免發(fā)生故障。這些故障若及時(shí)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(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障檢查

1.聽(tīng)聲音，仔細(xì)找故障點(diǎn)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(méi)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(dòng)電機(jī)在運(yùn)行中的振動(dòng)，溫度忽高忽低的變化，會(huì)使鐵芯固定螺栓變形，造成硅鋼片松動(dòng)，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(shí)的“咚咚”聲，這是電機(jī)在驟然啟動(dòng)、停止、反接制動(dòng)等變速情況下，加速力矩使轉(zhuǎn)子鐵芯與軸的配合松動(dòng)所造成的，輕者可繼續(xù)使用，重者拆開(kāi)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(tīng)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(dòng)所產(chǎn)生，它與軸承的間隙、潤(rùn)滑脂狀態(tài)有關(guān)?！斑羞小甭暿墙饘倌Σ谅?，一般由軸承缺油于磨所致，應(yīng)拆開(kāi)軸承添潤(rùn)滑脂劑等。

2.利用嗅覺(jué)，分析故障電機(jī)在正常運(yùn)行中是沒(méi)有異味的，若嗅到異昧，便是故障信號(hào)，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(shí)還會(huì)冒煙；如油焦味，多半是軸承缺油，在接近干磨狀態(tài)時(shí)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(guò)重、電壓過(guò)高等，然后針對(duì)原因排除故障。

交流電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障的原因

1. 電動(dòng)機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)力矩，或空載時(shí)不能啟動(dòng)，并發(fā)出不正常聲音 。

原因：

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

(2)電源電壓過(guò)低。

(3)軸承過(guò)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩小，有載時(shí)不能啟動(dòng)，負(fù)載增大時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，有時(shí)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(dòng)后一相斷線造成單相運(yùn)行。

3.啟動(dòng)電流大，而且不平衡，聲響大，造成保護(hù)裝置動(dòng)作而切斷電源。原因：定子繞組接線方法可能不正確，繞組對(duì)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性完全可以和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，交流傳動(dòng)系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)已逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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(shí)變、大干擾的復(fù)雜對(duì)象，它的有效控制一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(wèn)題：近年來(lái)，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(dòng)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(kāi)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(kāi)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(guò)大，造成磁路飽和，嚴(yán)重時(shí)燒毀電機(jī)。為了保持氣隙磁通不變，采用感應(yīng)電勢(shì)與頻率之比為常數(shù)的方式進(jìn)行控制。

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

此法缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速精度和動(dòng)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(dòng)時(shí)必須具有給定積分環(huán)節(jié)，以抑制電流沖擊；低頻時(shí)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(shí)，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(diǎn)：基本上控制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

此法缺點(diǎn)：不能真正控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩，動(dòng)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(wèn)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(méi)有考慮過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等動(dòng)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(shí)，由于I/O間的耦合會(huì)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(jiǎn)單，目前仍在一般調(diào)速系統(tǒng)中采用，它們適用于動(dòng)態(tài)性能要求不高的交流調(diào)速場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載 。

交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型控制方法

要獲得高動(dòng)態(tài)性能，必須依據(jù)交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。它的動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)速性能。

它可分為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制和定子磁場(chǎng)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(guò)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(lì)磁分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，并使兩分量相互獨(dú)立而解耦，然后分別對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制。通常的控制策略是保持勵(lì)磁電流不變，改變轉(zhuǎn)矩電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩；定子磁場(chǎng)定向控制是將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸放置在定子磁場(chǎng)方向上，有利于定子磁通觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)，減弱轉(zhuǎn)子回路參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，但低速運(yùn)行時(shí)，定子電阻壓降不容忽略，反電勢(shì)測(cè)量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測(cè)不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。若采用轉(zhuǎn)子方程實(shí)現(xiàn)磁通觀測(cè)，會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性。

此法優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，可對(duì)它們分別獨(dú)立控制，明顯改善了控制性能。

此法缺點(diǎn)：對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性大，而電機(jī)參數(shù)存在時(shí)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(cè)量，也只有穩(wěn)態(tài)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)解耦，弱磁時(shí)耦合仍然存在；需假設(shè)電機(jī)中只有基波正序磁勢(shì)，太理論化，不完全符合實(shí)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(diǎn)，它常與其他控制方法相結(jié)合來(lái)使用。

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

它是由德國(guó)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(jì)算，把電機(jī)和逆變器看成一個(gè)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(jì)算定子磁通和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)PWM逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。

此法優(yōu)點(diǎn)：控制思路新穎，采用“砰．砰”控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，無(wú)需對(duì)定子電流解耦，靜、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良；采用定子磁鏈進(jìn)行磁場(chǎng)定向，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)，使系統(tǒng)性能對(duì)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(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)器件存在一定的通、斷時(shí)間，為防止同一橋臂的兩開(kāi)關(guān)發(fā)生直通而短路，必須在控制信號(hào)中設(shè)置死區(qū)，但死區(qū)會(huì)使在各調(diào)制周期內(nèi)引起微小畸變，畸變積累后會(huì)使逆變器的輸出電流產(chǎn)生畸變，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速時(shí)死區(qū)效應(yīng)更明顯；低速時(shí)定子電阻的變化引起的定子電流和磁鏈的畸變；對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)頻率提高的限制較大；無(wú)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(diǎn)，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(duì)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(shí)際應(yīng)用中，交流電動(dòng)機(jī)總是與生產(chǎn)機(jī)械相聯(lián)系，形成電力拖動(dòng)系統(tǒng)。不同的生產(chǎn)機(jī)械要求不同的速度，即使同一個(gè)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(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行速度加以調(diào)節(jié)，即產(chǎn)生了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速.交流電動(dòng)機(jī)，尤其是籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由于沒(méi)有機(jī)械換向裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、造價(jià)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(dòng)機(jī)高;特別是在灰塵多、有爆炸危險(xiǎn)的惡劣環(huán)境里，交流電動(dòng)機(jī)更為適用。但交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能不如直流電動(dòng)機(jī)好，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，交流電動(dòng)機(jī)只能作恒速運(yùn)行。解決交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，一直是電力拖動(dòng)工作者所關(guān)注和研究的課題。發(fā)展簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。