交流電動機

交流電動機由定子和轉子組成，交流電動機分為同步交流電動機和感應電動機兩種。兩種電機均為定子側繞組通入交流電產生旋轉磁場，但同步交流電動機的轉子繞組通常需要激磁機需要供給直流電（激磁電流）；而感應電動機則轉子繞組則無需通入電流。

三相交流電動機的定子繞組基本上是三個相互隔開120度的線圈，作三角形或星形聯結。通入三相電流時，在每個線圈中產生磁場，這三個磁場合成得到一個旋轉磁場。電流完成一次全振動，旋轉磁場正好旋轉一周，因此，旋轉磁場的每分鐘轉數N=60f。式中f是電源頻率。

交流電動機按轉子旋轉的速率可分為同步電動機和非同步電動機（或稱非同步電動機）兩種。同步電動機不管負載大小，其轉子轉速恆與旋轉磁場的轉速相同，因此把這種轉速叫做同步轉速，如上所述，它只決定於電源的頻率。非同步電動機的轉速則不是恆定的，它決定於負載的大小和電源電壓。三相非同步電動機中又有無整流子電機和有整流子電機之分。實際應用的非同步電動機絕大多數是無整流器的感應電動機（但並聯與串聯的三相非同步整流子電動機具有可在大範圍內調節轉速、有高功率因數等優點），它的轉速恆小於同步轉速。

交流電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環境，雜訊也較小。由於它的一系列優點，所以在工農業生產、交通運輸、國防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面廣泛應用。

感應電動機又稱“非同步電動機（asynchronousmotor）”，即轉子置於旋轉磁場中，在旋轉磁場的作用下，獲得一個轉動力矩，因而轉子轉動。

感應電動機的外觀及內部結構轉子是可轉動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉動的部分，主要任務是產生一個旋轉磁場。旋轉磁場並不是用機械方法來實現。而是以交流電通於數對電磁鐵中，使其磁極性質循環改變，故相當於一個旋轉的磁場。這種電動機並不像直流電動機有電刷或集電環，依據所用交流電的種類有單相電動機和三相電動機，單相電動機用在如洗衣機，電風扇等；三相電動機則作為工廠的動力設備。通過定子產生的旋轉磁場（其轉速為同步轉速n1）與轉子繞組的相對運動，轉子繞組切割磁感線產生感應電動勢，從而使轉子繞組中產生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用，產生電磁轉矩，使轉子旋轉。由於當轉子轉速逐漸接近同步轉速時，感應電流逐漸減小，所產生的電磁轉矩也相應減小，當非同步電動機工作在電動機狀態時，轉子轉速小於同步轉速。為了描述轉子轉速n與同步轉速n1之間的差別，引入轉差率（slip）。

同步電動機的構造大致上與交流發電機相同，它與感應電動機的基木區別在干它的轉子是繞有線圈的凸出式磁極，由另一架激磁機供拾直流電交激磁電流)。

同步電動機是屬於交流電機，定子繞組與非同步電動機相同。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。正由於這樣，同步電動機的電流在相位上是超前於電壓的，即同步電動機是一個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進供電系統的功率因數的。

隨著電力電子技術、微電子技術、數字控制技術以及控制理論的發展，交流傳動系統的動、靜態特性完全可以和直流傳動系統相媲美，交流傳動系統獲得廣泛應用，交流傳動取代直流傳動已逐步變為現實。

由於交流電機本質上為非線性、多變數、強耦合、參數時變、大幹擾的複雜對象，它的有效控制一直是國內外研究的熱點問題，現已提出了多種控制策略與方法。其中經典線性控制不能克服負載、模型參數的大範圍變化及非線性因素的影響，控制性能不高；矢量控制、直接轉矩控制也存在一些問題：近年來，隨著現代控制和智能控制的理論發展，先進控制演演算法被應用於交流電機控制，並取得一定成果。

常用的穩態模型控制方案有開環恆v/f比控制(即電壓/頻率=常數)和閉環轉差頻率控制。

(1)恆壓頻比控制

此法是從變壓變頻基本控制方式出發的且不帶速度反饋的開環控制方式。由於在額定頻率以下，若電壓一定而只降低頻率，那麼氣隙磁通就要過大，造成磁路飽和，嚴重時燒毀電機。為了保持氣隙磁通不變，採用感應電勢與頻率之比為常數的方式進行控制。

此法優點：結構簡單，工作可靠，控制運算速度要求不高等。

此法缺點：開環控制的調速精度和動態性能較差；只控制了氣隙磁通，而不能調節轉矩，性能不高；由於不含有電流控制，起動時必須具有給定積分環節，以抑制電流衝擊；低頻時轉矩不足，需轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。

(2)閉環轉差頻率控制

此法是一種直接控制轉矩的控制方式。在電機穩定運行時，在轉差率很小的變化範圍內，只要維持電機磁鏈不變，電機轉矩就近似與轉差角頻率成正比，因此控制轉差角頻率即可控制電機轉矩。

此法優點：基本上控制了電機轉矩，提高了轉速調節的動態性能和穩態精度。

此法缺點：不能真正控制動態過程的轉矩，動態性能不理想。

上述兩種控制方法基本上解決了電機平滑調速問題，但系統的控制規律是只依據電機的穩態數學模型，沒有考慮過渡過程，系統在穩定性、起動及低速時轉矩動態響應等動態性能不高；轉矩和磁鏈是電壓幅值及頻率的函數，當僅控制轉矩時，由於I/O間的耦合會導致響應速度變慢，即使有很好的控制方案，交流電機也很難達到直流電機所能達到的性能。但這兩種控制的規律簡單，目前仍在一般調速系統中採用，它們適用於動態性能要求不高的交流調速場合，例如風機、水泵等負載。

要獲得高動態性能，必須依據交流電機的動態數學模型。它的動態數學模型是非線性多變數的，其輸入變數為定子電壓和頻率，輸出變數為轉速和磁鏈。當前最成熟的控制方法有矢量控制和直接轉矩控制兩種。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)

它是由Blasehlke F．在1971年提出。根據電機的動態數學模型，利用矢量變換方法，將非同步電機模擬成直流電機，從而獲得良好的動態調速性能。

它可分為轉子磁場定向控制和定子磁場定向控制兩種，其中轉子磁鏈定向控制以轉子磁鏈為參考坐標，通過靜止坐標繫到旋轉坐標系間的坐標變換，將定子電流分解成產生磁鏈的勵磁分量和產生轉矩的轉矩分量，並使兩分量相互獨立而解耦，然後分別對磁鏈和轉矩獨立控制。通常的控制策略是保持勵磁電流不變，改變轉矩電流來控制電機轉矩；定子磁場定向控制是將同步旋轉坐標系d軸放置在定子磁場方向上，有利於定子磁通觀測器的實現，減弱轉子迴路參數對控制系統的影響，但低速運行時，定子電阻壓降不容忽略，反電勢測量誤差較大，導致定子磁通觀測不準，影響系統性能。若採用轉子方程實現磁通觀測，會增加系統複雜性。

此法優點：實現了磁鏈與轉矩的解耦，可對它們分別獨立控制，明顯改善了控制性能。

此法缺點：對電機參數的依賴性大，而電機參數存在時變性，難以達到理想的控制效果；即使電機參數與磁鏈能被精確測量，也只有穩態時才能實現解耦，弱磁時耦合仍然存在；需假設電機中只有基波正序磁勢，太理論化，不完全符合實際；若解耦后的控制迴路採用普通PI調節器，其性能受參數變化及各種不確定性影響嚴重。

矢量控制已獲得非常廣泛應用於交流電機控制，且為克服其缺點，它常與其他控制方法相結合來使用。

(2)直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)

它是由德國Depenbrock M．於1985年提出，它摒棄了解耦思想，直接控制電機轉矩，不需要複雜的變換與計算，把電機和逆變器看成一個整體，採用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，計算定子磁通和轉矩，通過PWM逆變器的開關狀態直接控制轉矩。

此法優點：控制思路新穎，採用“砰．砰”控制，系統結構簡潔，無需對定子電流解耦，靜、動態性能優良；採用定子磁鏈進行磁場定向，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，使系統性能對轉子參數呈現魯棒性；可被推廣到弱磁調速範圍。

此法缺點：功率開關器件存在一定的通、斷時間，為防止同一橋臂的兩開關發生直通而短路，必須在控制信號中設置死區，但死區會使在各調製周期內引起微小畸變，畸變積累後會使逆變器的輸出電流產生畸變，引起轉矩脈動，低速時死區效應更明顯；低速時定子電阻的變化引起的定子電流和磁鏈的畸變；對逆變器開關頻率提高的限制較大；無電流環，不能做電流保護，需加限流措施。

此法已逐步大量用於交流電機控制，且為克服它的缺點，常與其他控制方法相結合。VC和DTC兩法表面上不同，控制性能上各有特色，但本質是相同的，都採用轉矩、磁鏈分別控制，其中轉矩控制環(或電流的轉矩分量環)都處於轉速環的內環，可抑制磁鏈變化對轉速子系統的影響，使轉速和磁鏈子系統近似解耦。

交流電動機在運行中由於摩擦、振動、絕緣老化等原因，難免發生故障。這些故障若及時檢查、發現和排除，能有效地防止事故的發生。

1.聽聲音，仔細找故障點交流非同步電機在運行中，若發現較細的“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”、“噝噝”聲是存在故障的先兆，應考慮以下原因：

(l)鐵芯鬆動電機在運行中的振動，溫度忽高忽低的變化，會使鐵芯固定螺栓變形，造成硅鋼片鬆動，產生大的電磁雜訊。

(2)轉子雜訊轉子旋轉發出的聲音，由冷卻風扇產生的，是一種“嗚嗚”聲，若有像敲鼓時的“咚咚”聲，這是電機在驟然啟動、停止、反接制動等變速情況下，加速力矩使轉子鐵芯與軸的配合鬆動所造成的，輕者可繼續使用，重者拆開檢查和修理。

(3)軸承雜訊電機在運行中，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，可以聽到電機內部的聲音變化，不同的部位，不同的故障，有不同的聲音。如“嘎吱嘎吱”聲，是軸承內滾槍的不規則運動所產生，它與軸承的間隙、潤滑脂狀態有關。“噝噝”聲是金屬摩擦聲，一般由軸承缺油於磨所致，應拆開軸承添潤滑脂劑等。

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

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，若用手一觸及電機外殼便感到很燙，溫度值很高，應檢查原因，如：負荷過重、電壓過高等，然後針對原因排除故障。

● ● 電動機沒有啟動力矩，或空載時不能啟動，併發出不正常聲音。

原因：

(l)三相電源電路(包括閘刀開關、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，使轉子靠近定子的一側，造成定子與轉子不同心，氣隙不均勻。

2.電動機啟動力矩小，有載時不能啟動，負載增大時電機停轉，有時發出強烈雜聲，局部發熱。原因：電網電壓低，繞組有匝間短路，轉子繞組中有斷線或脫焊現象，啟動后一相斷線造成單相運行。

3.啟動電流大，而且不平衡，聲響大，造成保護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。