交流电动机工作原理简述

交流电动机由定子和转子组成，交流电动机分为同步交流电动机和感应电动机两种。两种电机均为定子侧绕组通入交流电产生旋转磁场，但同步交流电动机的转子绕组通常需要激磁机需要供给直流电（激磁电流）；而感应电动机则转子绕组则无需通入电流。

三相交流电动机的定子绕组基本上是三个相互隔开120度的线圈，作三角形或星形联结。通入三相电流时，在每个线圈中产生磁场，这三个磁场合成得到一个旋转磁场。电流完成一次全振动，旋转磁场正好旋转一周，因此，旋转磁场的每分钟转数N=60f。式中f是电源频率。

交流电动机按转子旋转的速率可分为同步电动机和异步电动机（或称非同步电动机）两种。同步电动机不管负载大小，其转子转速恒与旋转磁场的转速相同，因此把这种转速叫做同步转速，如上所述，它只决定于电源的频率。异步电动机的转速则不是恒定的，它决定于负载的大小和电源电压。三相异步电动机中又有无整流子电机和有整流子电机之分。实际应用的异步电动机绝大多数是无整流器的感应电动机（但并联与串联的三相异步整流子电动机具有可在大范围内调节转速、有高功率因数等优点），它的转速恒小于同步转速 [1]  。

交流电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。

感应电动机又称“异步电动机（asynchronousmotor）”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动 [1]  。

感应电动机的外观及内部结构 转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机，单相电动机用在如洗衣机，电风扇等；三相电动机则作为工厂的动力设备。 通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n1）与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。为了描述转子转速n与同步转速n1之间的差别，引入转差率（slip）。

同步电动机的构造大致上与交流发电机相同，它与感应电动机的基本区别在干它的转子是绕有线圈的凸出式磁极，由另一架激磁机供拾直流电交激磁电流) [1]  。

同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。

随着电力电子技术、微电子技术、数字控制技术以及控制理论的发展，交流传动系统的动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，交流传动系统获得广泛应用，交流传动取代直流传动已逐步变为现实。

由于交流电机本质上为非线性、多变量、强耦合、参数时变、大干扰的复杂对象，它的有效控制一直是国内外研究的热点问题，现已提出了多种控制策略与方法。其中经典线性控制不能克服负载、模型参数的大范围变化及非线性因素的影响，控制性能不高；矢量控制、直接转矩控制也存在一些问题：近年来，随着现代控制和智能控制的理论发展，先进控制算法被应用于交流电机控制，并取得一定成果 [2]  。

常用的稳态模型控制方案有开环恒v/f比控制(即电压/频率=常数)和闭环转差频率控制。

(1)恒压频比控制

此法是从变压变频基本控制方式出发的且不带速度反馈的开环控制方式。由于在额定频率以下，若电压一定而只降低频率，那么气隙磁通就要过大，造成磁路饱和，严重时烧毁电机。为了保持气隙磁通不变，采用感应电势与频率之比为常数的方式进行控制。

此法优点：结构简单，工作可靠，控制运算速度要求不高等。

此法缺点：开环控制的调速精度和动态性能较差；只控制了气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高；由于不含有电流控制，起动时必须具有给定积分环节，以抑制电流冲击；低频时转矩不足，需转矩补偿，以改变低频转矩特性。

(2)闭环转差频率控制

此法是一种直接控制转矩的控制方式。在电机稳定运行时，在转差率很小的变化范围内，只要维持电机磁链不变，电机转矩就近似与转差角频率成正比，因此控制转差角频率即可控制电机转矩。

此法优点：基本上控制了电机转矩，提高了转速调节的动态性能和稳态精度。

此法缺点：不能真正控制动态过程的转矩，动态性能不理想。

上述两种控制方法基本上解决了电机平滑调速问题，但系统的控制规律是只依据电机的稳态数学模型，没有考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等动态性能不高；转矩和磁链是电压幅值及频率的函数，当仅控制转矩时，由于I/O间的耦合会导致响应速度变慢，即使有很好的控制方案，交流电机也很难达到直流电机所能达到的性能。但这两种控制的规律简单，目前仍在一般调速系统中采用，它们适用于动态性能要求不高的交流调速场合，例如风机、水泵等负载 [2]  。

要获得高动态性能，必须依据交流电机的动态数学模型。它的动态数学模型是非线性多变量的，其输入变量为定子电压和频率，输出变量为转速和磁链。当前最成熟的控制方法有矢量控制和直接转矩控制两种。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)

它是由Blasehlke F．在1971年提出。根据电机的动态数学模型，利用矢量变换方法，将异步电机模拟成直流电机，从而获得良好的动态调速性能。

它可分为转子磁场定向控制和定子磁场定向控制两种，其中转子磁链定向控制以转子磁链为参考坐标，通过静止坐标系到旋转坐标系间的坐标变换，将定子电流分解成产生磁链的励磁分量和产生转矩的转矩分量，并使两分量相互独立而解耦，然后分别对磁链和转矩独立控制。通常的控制策略是保持励磁电流不变，改变转矩电流来控制电机转矩；定子磁场定向控制是将同步旋转坐标系d轴放置在定子磁场方向上，有利于定子磁通观测器的实现，减弱转子回路参数对控制系统的影响，但低速运行时，定子电阻压降不容忽略，反电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。若采用转子方程实现磁通观测，会增加系统复杂性。

此法优点：实现了磁链与转矩的解耦，可对它们分别独立控制，明显改善了控制性能。

此法缺点：对电机参数的依赖性大，而电机参数存在时变性，难以达到理想的控制效果；即使电机参数与磁链能被精确测量，也只有稳态时才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在；需假设电机中只有基波正序磁势，太理论化，不完全符合实际；若解耦后的控制回路采用普通PI调节器，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重。

矢量控制已获得非常广泛应用于交流电机控制，且为克服其缺点，它常与其他控制方法相结合来使用。

(2)直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)

它是由德国Depenbrock M．于1985年提出，它摒弃了解耦思想，直接控制电机转矩，不需要复杂的变换与计算，把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，计算定子磁通和转矩，通过PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。

此法优点：控制思路新颖，采用“砰．砰”控制，系统结构简洁，无需对定子电流解耦，静、动态性能优良；采用定子磁链进行磁场定向，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性；可被推广到弱磁调速范围。

此法缺点：功率开关器件存在一定的通、断时间，为防止同一桥臂的两开关发生直通而短路，必须在控制信号中设置死区，但死区会使在各调制周期内引起微小畸变，畸变积累后会使逆变器的输出电流产生畸变，引起转矩脉动，低速时死区效应更明显；低速时定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变；对逆变器开关频率提高的限制较大；无电流环，不能做电流保护，需加限流措施。

此法已逐步大量用于交流电机控制，且为克服它的缺点，常与其他控制方法相结合。VC和DTC两法表面上不同，控制性能上各有特色，但本质是相同的，都采用转矩、磁链分别控制，其中转矩控制环(或电流的转矩分量环)都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦 [2]  。

交流电动机在运行中由于摩擦、振动、绝缘老化等原因，难免发生故障。这些故障若及时检查、发现和排除，能有效地防止事故的发生。

1.听声音，仔细找故障点交流异步电机在运行中，若发现较细的“嗡嗡”声，没有忽高忽低的变化，是一种正常的声音，若声音粗、且有尖锐的“嗡嗡”、“咝咝”声是存在故障的先兆，应考虑以下原因：

(l)铁芯松动电机在运行中的振动，温度忽高忽低的变化，会使铁芯固定螺栓变形，造成硅钢片松动，产生大的电磁噪声。

(2)转子噪声转子旋转发出的声音，由冷却风扇产生的，是一种“呜呜”声，若有像敲鼓时的“咚咚”声，这是电机在骤然启动、停止、反接制动等变速情况下，加速力矩使转子铁芯与轴的配合松动所造成的，轻者可继续使用，重者拆开检查和修理。

(3)轴承噪声电机在运行中，必须注意轴承声音的变化，把螺丝刀的一端触及在轴承盖上，另一端贴在耳朵上，可以听到电机内部的声音变化，不同的部位，不同的故障，有不同的声音。如“嘎吱嘎吱”声，是轴承内滚枪的不规则运动所产生，它与轴承的间隙、润滑脂状态有关。“咝咝”声是金属摩擦声，一般由轴承缺油于磨所致，应拆开轴承添润滑脂剂等。

2.利用嗅觉，分析故障电机在正常运行中是没有异味的，若嗅到异昧，便是故障信号，如焦糊味，是绝缘物烧烤发出的，且随电机温度的升高，严重时还会冒烟；如油焦味，多半是轴承缺油，在接近干磨状态时油气蒸发出现的异味。

3.利用手感，检查故障用手触摸电视的外壳，可以大致判断温度的高低，若用手一触及电机外壳便感到很烫，温度值很高，应检查原因，如：负荷过重、电压过高等，然后针对原因排除故障。

原因：

(l)三相电源电路(包括闸刀开关、引线定子绕组)有一相断电，造成单相启动。

(2)电源电压过低。

(3)轴承过度磨损，使转子靠近定子的一侧，造成定子与转子不同心，气隙不均匀。

2.电动机启动力矩小，有载时不能启动，负载增大时电机停转，有时发出强烈杂声，局部发热。原因：电网电压低，绕组有匝间短路，转子绕组中有断线或脱焊现象，启动后一相断线造成单相运行。

3.启动电流大，而且不平衡，声响大，造成保护装置动作而切断电源。原因：定子绕组接线方法可能不正确，绕组对地绝缘老化。