交流电动机的应用篇（1）

1问题的提出

2013年，江西某水泥公司二号窑200kW鼓风机，2年内已烧毁3次，造成直接经济损失200多万元。同时，由于停产检修，造成的间接损失难以估算。针对上述问题，该公司邀请了一个专业团队到公司协助解决该问题。

2原因分析

2.1生产现状

2013年3月，专业团队来到该公司，与该公司的工程技术人员一起进行了现场考察和技术资料研究。其中，该电动机的主电路图和控制电路如图1—2所示。

2.2原因分析

针对上述情况和相关参考文献[1—5]，笔者认为造成该事故的原因如下。（1）主要原因是前面设计者没有考虑交流接触器线包动作时间和其释放时间；（2）在启动电动机运行前几十ms内，由于KM2未动作，导致KM2，KM3同时得电，则电源相序间短路，轻则烧断熔断丝和KM3主触头被烧坏可能，从而导致电动机缺相运行，电动机转速减慢，电流急增，随后，电动机可能被烧毁。由于以上第（2）点，造成KM3触头接触不良，造成电源三相不平衡，电动机转速减慢，温度升高，不及时关机，则有可能烧坏电动机；由于KM2释放时间问题，造成电动机瞬间失电，从而电动机又重新启动，电流加大，温度急剧上升，绕组磁路饱和，绕组发热，最后，电动机可能被烧坏。

3电路设计

针对以上原因，文章总结了以下几点设计改进：（1）充分考虑KM2的动作时间，利用KM2-4和KM1-4动作时间才能使KM3得电，避免了KM2和KM3在电动机启动前几十毫秒内同时得电；（2）在KM2线包控制电路中又串联KM3触点进行互锁，又避免了KM2释放时间问题即电动机重新启动；（3）同时使KT并联在KM3线包中，使KM3动作时KT不得电，从而更加节能，延长电路元器件的寿命。改进设计后的电路控制如图3所示。

4实施效果

改造后，该电动机在3年内未出现电动机烧毁现象，由此，可确定本次分析和解决措施是完全正确的。同时，直接为公司节约成本200多万元。

5结语

综上所述，不难得出如下结论：在交流电动机的控制电路设计过程中，必须要对继电器的动作时间和释放时间有充分的考虑；本次排障的过程中，文章提出了一套既满足控制要求，又能实现元器件节能的新型电路。

[参考文献]

[1]齐亚琳，柳新军，刘艳丽，等.提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖旁路保护电路[J].电子元器件应用，2012（5）：5-7.

[2]李述香，邱召运.继电器触点的保护技术[J].电工技术，2004（8）：60-61.

[3]鹿泽伦，李岩.中间继电器构成的断相保护电路[J].自动化技术与应用，2008（12）：110-111.

[4]黄三伟，高峰，周熠.三相异步电动机的断相保护[J].广西物理，2006（2）：43-45.

交流电动机的应用篇（2）

1、开关磁阻电机调速系统工作原理

该调速系统在结构上由电动机和控制器两部分组成，其框图如图1所示。电动机为定转子双凸极12/8齿结构。定子齿上有集中绕组，每四个齿的绕组相连接，构成A、B、C三相绕组，当某相绕组通电时，将产生一个使邻近转子齿与该相绕组轴线相重合的电磁转矩。顺序对各相绕组通电时（如A-B-C-A…..），则可使转子连续转动。改变通电次序，可改变电动机转向。控制该电流的大小和通断电时刻，可以改变转矩，改变转速，还可以实现制动运行。该电动机结构十分简单坚固，控制也十分方便。

为了检测电动机转子的瞬时位置和转速，在电动机后部装有传感器。该传感器采用高性能红外光电元件，其抗干扰能力强，耐热性能好、寿命长，并且有防尘密封罩保护。

图2表示控制器中的功率电路。三相交流电源二极管整流桥V转换为直流电源。六个IGBT功率开关和续流二极管组成三相半桥式逆变电路，分别向电动机三相绕组供电。当一相功率开关（如TA、TA）导通时，经端子（A1、A2）向电动机绕组（A组）通电。当功率开关关断时，该绕组通过续流二极管)（DA、DA）向电容器C续流和回馈能量，并使电流迅速降至零。这里功率开关同电动机绕组相串联，避免了桥式逆变电路（如变频器）易发生上下桥臂元件直通短路的危险。

控制电路的作用是根据外部操作控制要求和电动机实际运行情况连续调节输出信号，以通过驱动电路和功率电路改变电动机绕组的通电时刻，使之达到规定的运行要求，如转向、转矩、转速、电动与制动灯，并处于最佳工作状态。控制电路由一个单片机及数字、模拟电路组成，工作稳定、抗干扰强、响应快。

交流电动机的应用篇（3）

关键词： 矢量控制；交流传动机车；牵引变流器

Key words: vector control；Ac drive electric locomotive；the traction converters

中图分类号：U264.2文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）24-0030-03

0引言

随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，功率半导体电力变换技术得到迅速发展，电传动技术进入了交流传动时代。异步牵引电动机控制方法经历了转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制和直接转矩控制3个阶。转差频率一电流控制在20世纪80年代的交流传动机车中广泛采用，我国的AC4000交流传动电力机车也采用了这种控制方式；由于转差频率控制方法基于异步电动机的稳态数学模型，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，当输出电压的大小和相位不变时，转差频率在变，导致感应电压和感应电流随后发生变化，反应速度非常慢，调速性能不好。

在HXD3型大功率交流传动机车中，采用了脉冲矢量控制；本文介绍了脉冲矢量控制技术的基本原理，对采用脉冲矢量控制技术的HXD3型机车牵引变流器的系统结构、输出电压、控制方式以及配置进行分析研究，结果表明采用了脉冲适量控制技术，机车具有与直流电机相媲美的调速性能。

1矢量控制原理

1.1 概述矢量控制（vector control），又称磁场定向控制（field-oriented control），基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

图1为矢量控制框图。在矢量控制状态下，为了输出所要求的转矩，扭矩电流矢量Iq和激磁电流矢量Id（通过分解电机电流而得到的）是单独控制的。

1.2 矢量控制的优点采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由矢量控制具有优良的瞬时特性，并能够快速控制感应电机的输出转矩，能够使感应电机具有与他励直流电机相同或更高的扭矩控制特性。在传统的转差率控制，转差率和逆变器输出电压大小依据扭矩指令（档位指令）变化而变化。机车采用矢量控制作为感应电机的控制系统，与传统的转差控制相比，矢量控制能够把感应电机的输出转矩迅速的控制在目标值，使在转差频率和逆变器输出电压大小变化时，电压相位也同时变化，导致扭矩反应非常快获得与直流调速系统同样的静、动态性能，从而提高对瞬时现象如空转、滑行的反应。

1.3 输出指令为了输出所要求的转矩，VVVF逆变器最终控制输出电压U1和它的相位。以“1个脉冲方式”为例，当只有扭矩电流被双倍而不改变感应电压E0时，输出转矩才会被加倍。为了只加倍，转差频率就得加倍Iq*。所以，必须控制在逆变器输出电压U1的数值和相位（图2所示）。因此为了控制感应电机的输出转矩，VVVF逆变器通过输出电压和它的相位直接控制着磁通量Ф和扭矩电流。

1.4 与传统的转差频率控制的区别当感应电机的输出转矩由矢量控制或转差频率控制降低1/2时，逆变器输出电压、感应电机的感应电压等之间的关系如图3（a）、（b）所示。在这两种情况下，逆变器频率最终设定在降低输出转矩到1/2的转差频率上。在矢量控制情况下，逆变器输出电压的大小和相位每次都有变化，输出转矩随着扭矩电流的改变而快速的改变；而在传统的转差频率控制下，输出转矩随着扭矩电流的改变的反应速度非常慢。驱动机车的感应电机的时间常数，对矢量控制来说，大约为10ms，而对转差频率控制来说大约为100ms或者更多，即两者之间在反应速度方面相差10倍或更多。

2方波脉冲矢量控制在HXD3型机车的应用

2.1 方波脉冲控制机车的牵引电机M1~M3（M4~M6）分别由牵引变流器UM1（UM2）的3个PWM逆变器单独供电，实现牵引电动机的独立控制。由于机车六根轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分配不均匀，都可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度的发挥机车牵引力。

由于机车的空间有限，所以要求机车用的牵引变流器的逆变器结构紧凑，重量轻。基于这个原因，我们所说的“方波脉冲控制”能够最低程度的降低损耗并最大程度的在中高速度区增加输出电压。“方波脉冲控制”方式中，由于逆变器的每个臂以180°间隔重复着闭合/关断操作，所以逆变器的输出与输入电压相同，达到最大值，但是去了对电压控制的功能。

图4显示了方波脉冲矢量控制的系统结构。方波脉冲控制在严格意义上是不能执行矢量控制的。这是因为矢量控制是通过瞬间改变逆变器电压的大小和相位来控制扭矩。方波脉冲控制不能改变电压的大小（幅值）。但方波脉冲控制可以瞬间改变相位，利用迅速改变相位的这一特性，有可能瞬间改变扭矩电流，如图3所示.此时，由于电压大小的主要变化是固定的，输出转矩根据指令数值而转变。磁通量补偿单元（图4），可以预测这种变化并纠正磁通量指令，这样输出的转矩就与指令数据相吻合。借助这一特性，即使当扭矩指令迅速发生变化时，也能获得高速输出转矩的反应（反应时间常数大约为10ms）。

2.2 逆变器的输出电压与脉冲方式由于驱动机车要求VVVF逆变器有一个较大的输出频率，因此每个速度区内要选择最为合适的脉冲方式转换方法。图5显示逆变器输出电压与脉冲方式之间的关系。在中低速度区，使用异步PWM方式，通过把电压输出指令与载波的三角形相比，执行PWM控制。在逆变器输出电压最大的高速区，使用方波脉冲方式。此外，为了在两者之间顺利改变输出电压波，在PWM方式和方波脉冲之间使用过调PWM方式。图6为方波脉冲方式中的输出电压波形。

3HXD3型机车牵引变流器的配置

在交流传动机车上，设有变流装置，用于直流与交流之间电能的转换，并对各种牵引电机起控制和调节作用，从而控制机车的运行。每台变流装置中含三组牵引变流器和一组辅助变流器，根据机车的速度，通过矢量控制，精准快速的控制牵引电机的转矩与转速。牵引变流器（CI）为牵引电动机提供三相交流的变压变频（VVVF）电源。每组牵引变流器主要由四象限整流单元、中间直流电路和PWM逆变单元、真空接触器等主电路部分和无接点控制单元的控制电路部分组成（如图7所示），具有过流和过载保护、接地保护、瞬时过电压保护、器件保护、内部的控制电源故障时的保护、检修安全联锁保护以及超压和欠压保护，并且设置有复合冷却系统。

4结语

HXD3机车运行以来，能精确快速的控制牵引电机的转矩和转速，具有良好的调速性能，能够对由于机车六根轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分配不均匀等进行适当补偿，防空转、滑行性能好，最大程度发挥机车牵引力，将成为牵引控制领域的热点。使用过程中，除了日常电气检查外，还需要对驱动电路板、短时大电流运行部件、控制单元的通信、以及导线的连接、固定和绝缘进行定期维护，以确保工作的可靠性。

参考文献：

[1]姚绪梁.现代交流调速技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.

[2]光.HXD3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2009.

交流电动机的应用篇（4）

前言：

20世纪60年代以前的调速系统以直流机组为主，70年代中期全世界范围内出现的能源危机迫使各国投入了大量的人力财力来研究交流调速系统，交流调速技术得到了快速的发展。20世纪80年代交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。

一、交流电动机常用调速方法分析

1.1调压调速

调压调速是通过改变电动机定子电压改变电动机转差率，从而实现调速。这种调速方法比较适用于带动风机、水泵的异步电动机。其原因是：

由于风机负载转矩特性，当转速n降低时，负载显著减小，它可以稳定运行于电动机机械特性的非线性段，因而得到较低的转速，扩大了调速范围。

在降压运行时，电动机的磁化电流可以忽略不计，则电机的电磁转矩T正比于转子电流的平方。当增加转差率S，为使电流保持额定值不变，电机的转矩也相应减小，显然这既不适应于恒转矩负载，更不适应于恒功率负载，而较适应风机、水泵负载。

1.2变频调速

变频调速是交流电动机一种最好调速方法。它是通过改变电源频率来改变旋转磁场同步转速，从而达到调速目的。

变频调速不仅能实现无级调速，而且根据不同的负载特性，通过适当调节电压U与频率f之间的关系，使电动机始终运行在高效区。

交流电动机采用变频调速能显著改善电动机起动性能，大幅度降低电动机起动电流，增加起动转矩。变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬，调整范围广，同时可以适应不同负载特性的要求，尤为异步电动机调速的发展方向。

1.3变极调速

变极调速是通过改变磁场的极对数，来改变同步转速，以达到调节电动机转速。它也属高效调速方法之列。变极调速简单可靠，成本低，机械特性硬，但它是一种有极调速，而只适用于几种运行工况场合。例如纺织厂的空调风机，夏天一种速度，冬天另一种速度。应用交流电机调速实现对风机、水泵风量或流量的调节，是节约电能最佳途径，其社会效益和经济效益都是相当可观的。

二、变频技术在交流调速系统中的应用

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业用户的青睐。

2.1、交流变频调速的优异特性

（1）调速时平滑性好、效率高。低速时，特性静差率高、相对稳定性好；

（2）调速范围较大、精度高；

（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；

（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；

（5）易于实现过程自动化；

（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高；

（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

2.2、与其它调速方法的比较

（1）改变转差率的调速方法

包含改变定子电压调速、绕线转子回路串电阻调速、电磁转差离合器调速、串级调速等方法

（2）改变极对数的调速方法

通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。这种方法效率高、操作简单、机械特性强。缺点是有级调速，一般变极调速用于小容量、非平滑调速的场合。

（3）改变频率的调速方法

变频调速系统可分为两大类：

①交—直—交变频调速

先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM交—直—交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。它是异步电动机交—直—交变频调速的主流。

②交—交变频调速

把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高，主要适用于低速大容量的交流调速设备中。

三、变频调速的发展方向

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分为功率和控制两大部分。目前主要发展动向有以下三个方面：

3.1新的控制策略

异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。

3.2新型变流装置和变流技术

随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向发展，中高电压、大容量的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的体积越来越小，为提高开关频率、降低开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。

3.3全数字化控制

随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和数字信号处理器在调速系统中得到了较为普遍的应用。

四、结语

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的交流异步电动机。

交流电动机变频调速在能源利用方面有很多的优势。众所周知，能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切，变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求，未来一定会得到更好的发展。（作者单位：华北电力大学机械工程系）

参考文献：

［1］李良钰.交流调速技术概述与发展方向.电气技术与自动化,2008.6

［2］高翔,姚大博.交流调速节能技术的应用.内蒙古石油化工,2009.7

［3］刘玲.交流变频调速技术的优势与应用.电气开关,2010(1)

交流电动机的应用篇（5）

提高交流传动系统的性能，国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开：采用新型功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术 采用新型功率半导体器件和脉宽调制（ ） 功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如 BJT（双极型晶体管） 、 MOSFET（金属氧化硅场效应管） 、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频 化的 PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能 化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和 交-交变频器三种。 电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件， 无功功率 将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧 可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网， 构成的 调速系统具有四象限运行能力， 可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合， 在 大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容 作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个 交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型 PWM 变 频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。 但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动 （发电） 状态时， 回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网， 要实现这部分能量的回馈， 网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器， 必须采用可逆变流器， 如采用两 套可控整流器反并联、采用 PWM 控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或 “PWM 整 流器”） 。网侧变流器采用 PWM 控制的变频器称为“双 PWM 控制变频器”，这种再生能量回 馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功 率因数保持为 1 并且能量可以双向流动的特点， 代表一个新的技术发展动向， 但成本问题限 制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只 能用于低速（低频）大容量调速传动。为此，矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变 频器功率密度大，而且没中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因 数为 1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。 随着电压型 PWM 变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM 技术的研究 越来越深入。

普通 PWM 变频器的输出电流中往往含有较大的和功 率器件开关频率相关的谐波成分， 谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上， 会使电动机定 子产生振动而发出电磁噪声， 其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。 如果电 磁噪声处于人耳的敏感频率范围， 将会使人的听觉受到损害。 一些幅度较大的中频谐波电流 还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提 高功率器件的开关频率， 但这种方法会使得开关损耗增加； 另一种方法就是随机地改变功率 器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围 内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随 机 PWM 技术。

应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代 现代控制理论 交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、 非线性、 强耦合、 时变的被控对象， VVVF 控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20 世纪 70 年代初 提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程， 不但要控制各变量的幅值， 同时 还要控制其相位， 以实现交流电动机磁通和转矩的解耦， 促使了高性能交流传动系统逐步走 向实用化。 目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、 电力机车牵引 系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的 控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤其随着微处理器控制技术的发展，现代控 制理论中的各种控制方法也得到应用， 如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制 可提高系统的动态性能，滑模（Sliding mode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测 器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面地提高系统的性能。

广泛应用微电子技术 广泛应用微电子 电子技术 随着微电子技术的发展， 数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高， 这使 得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。 目前适于交流传动系统的微处 理 器 有 单 片 机 、 数 字 信 号 处 理 器 （ Digital Signal Processor--DSP ） 专 用 集 成 电 路 、 （Application Specific Integrated Circuit--ASIC）等。

开发新型电动机和无机械传感器技术 交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。 电动机设计和建模有了新的研 究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电动机阻尼 绕组的合理设计及笼条的故障检测等。

为了更详细地分析电动机内部过程， 如绕组短路或转子断条等问题， 多回路理论应运而生。 随着 20 世纪 80 年代永磁材料特别是钕铁硼永磁的发 展， 永磁同步电动机（Permanent-MagnetSynchronous Motor--PMSM）的研究逐渐热门和深 入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传 动系统中获得了日益广泛的应用。此外，开关变磁阻理论使开关磁阻电动机 （Switched Reluctance Motor--SRM） 迅速发展， 开关磁阻电动机与反应式步进电动机相类似， 在加了转子位置闭环检测后可以有效地解决失步问题，可方便地起动、调速或点控，其优良 的转矩特性特别适合于要求高静态转矩的应用场合。 在高性能的交流调速传动系统中， 转子 速度（位置）闭环控制往往是必需的。

参考文献：

交流电动机的应用篇（6）

中图分类号：V242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

1885年美国科学家特斯拉发明了交流发电机。交流发电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，其在工业部门得到广泛应用，航空领域也是如此[1]。航空活塞发动机因其原理简单可靠、燃油经济性好和结构重量轻等优点，在轻型通用飞机上得到广泛使用。受发动机配套和适航取证（发动机需单独取TC证）限制，活塞发动机供应商往往将起动机和发电机作为发动机附件整体提供。目前，世界范围内的航空活塞发动机供应商均标配硅整流式交流发电机作为飞机主电源和备用电源。飞机电源系统的基本使用模式如下：正常情况下，由发电机向全机所有用电设备供电，同时向应急蓄电池浮充电；发动机失效或主电源故障后，由应急蓄电池向应急负载供电。

1 原理

1.1 发电原理

硅整流式交流发电机的发电原理如图1所示[2]。

图1 硅整流式交流发电机发电原理

在交流发电机内部有一个由发动机带动的转子（旋转磁场）。磁场外有一个定子绕组，绕组有3组线圈（3相绕组），3相绕组彼此相隔120°。当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线而产生电动势。

定子3相绕组感生电动势的大小为：

由此上述公式可知，交流电动势的幅值是发电机转速的函数。因此，当转速n变化时，3相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。交流电动势的波形如图2所示。

图2 交流电动势波形

1.2 整流原理

交流发电机定子的3相绕组中，感应产生的是交流电，由6只二极管组成的三相桥式整流电路变换为直流电。二极管具有单向导电性，当给二极管加上正向电压时，二极管导通；当给二极管加上反向电压时，二极管截止。

1.2.1 导通原则

二极管的导通原则如图3所示。

图3 二极管导通图

a）当3只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；b）当3只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。

1.2.2 整流过程

桥式整流电路如图4所示。通过分析二极管的导通原则可得出电压波形，如图5所示。

图4 三相整流电路

图5 三相电压波形和整流波形

1.3 调压原理

由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，且发动机和交流发电机的转速比恒定，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足机载用电设备的工作要求。为了满足用电设备恒定电压的要求，交流发电机必须配置电压调节器，使其输出电压在发动机所有工况下基本保持恒定。由公式（4）可知，交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。交流发电机的电压调节器就是通过控制励磁电流的方法来调节输出电压，使发电机的输出电压在一定范围内保持波动。

2 应用实例

以国内某型活塞通用飞机为例，详述硅整流式交流发电机的选型应用。

2.1 负载分析

负载分析是将各个独立的电气系统或各类电源所供电的那些负载，按照其在飞机飞行任务的各个阶段的用电情况进行统计计算，以确定该系统在飞机各飞行阶段的用电要求[3]。通过计算分析得出电源使用图如图6所示。

2.2 发电机选型

根据负载分析的结果，并与发动机供应商Lycoming公司进行协商，发电机初步选型为30 V，90 A硅整流式交流发电机，具体参数如表1所示。

2.3 容量裕度

电源容量裕度Hp表示飞机向将来可能要装机使用的用电设备提供电功率的能力，同时也表示电源的利用程度。容量裕度计算公式如下[4]：

Hp=（J-L）/ J ×100% （5）

其中：Hp―电源容量裕度

J―电源修正容量

L―电源负载

经计算，主电源连续供电容量裕度为39.68%，满足行业规范要求。

3 地面试验

为了验证所选交流发电机的实际供电能力，依据飞机对主电源的使用需求进行地面模型试验。

3.1 试验框图

主电源地面模型试验原理框图如图7所示。

图7 主电源地面模型试验框图

3.2 试验内容

3.2.1 负载特性试验

将发电机转速分别调整为4000 r/min、6000 r/min、8 000 r/min，加载使发电机输出电流分别为0 A（系统空载）、10 A、30 A、50 A、70 A、90 A，测量发电机电流、电压调节点电压，得出发电机在3种转速下的负载特性V = f（i）曲线。

3.2.2 转速特性试验

将发电机输出电流分别调整为0 A（系统空载）、30 A、60 A、90 A，改变发电机转速分别稳定在4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min，测量发电机的转速与电压调节点电压，绘出发电机在4种电流输出时的转速特性 V = f（n）曲线

3.3 试验数据

3.3.1 负载特性曲线

主电源负载特性曲线如图8所示。

图8 负载特性曲线

3.3.2 转速特性曲线。主电源转速特性曲线如图9所示。

3.4 试验结论

根据上述试验数据，结合飞机各种状态下的用电需求，得出该型交流发电机的选型完全满足飞机实际供电需求。

图9 转速特性曲线

4 结语

硅整流式交流发电机作为主电源用机型号在国内尚无较多实例。该文所叙述的交流发电系统目前正随型号进行适航验证试飞，预计2014年将随飞机型号取得中国民航颁发的适航证。硅整流式交流发电机以其独有的技术性能和成本优势，必将在通用飞机上得到广泛应用，开拓出广阔的市场。

参考文献

[1] 周洁敏.飞机电气系统[M].北京：科学出版社，2010：25.

交流电动机的应用篇（7）

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starting is introduced emphasizly. but how to solve over loading starting is purposed

and ac-ac variable frequency is given.

keywords:inducing motor soft starting ac-ac variable frequency

1 引言

三相交流电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。又由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。然而，电动机的起动特性却一直举步维艰。这是因为电动机在恒压下直接起动，其起动电流约为额定电流的4-7倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，会在起动过程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响到电网内其它设备的正常运行。同时由于电压降低，电动机本身起动也难以完成，造成电机堵转，严重时，可能烧坏电动机。因而如何减少异步电动机起动瞬间的大电流的冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的起动方法，使达到电动机的平滑无冲击的起动，于是各种限流起动方法也就应运而生。

2 传统的起动方法

2.1 定子串电抗器起动

对于鼠笼式异步电机一般采用定子回路串电抗器分级起动，绕线式异步电机则采用转子回路串电抗器起动。定子边串电抗器起动，即增加定子边电抗值，可理解为降低定子实际所加电压，其目的是减少起动电流。此起动方式属降压起动，缺点是起动转矩随定子电压的降低而成平方关系下降，外串电阻中有较大的功率损耗。又由于是分级起动，起动特性不平滑。

2.2 星-三角起动

起动时定子绕组星形连接，起动后三角形连接。在电动机绕组星形连接时，电动机电流仅为三角形连接的1/3，遗憾的是电动机的转矩也同样降低到三角形接线时的1/3，为了使电动机在额定转速时达到它的额定转矩，在经历了预先设定的时间后，又从星形接线转换到三角形接线，在转换过程中会出现二次冲击电流。

2.3 自耦变压器起动

当电动机起动时，电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上。当电机转速升高到一定值时，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行状态。同直接起动时相比，当电压降到w2/w1倍时，起动电流和起动转矩降到(w2/w1)2倍(w2/w1为自耦变压器的变比)。这种起动方式的优点是起动时定子电压的大小可调。比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失较少。要使变压器的容量和耐压水平提高，将使得变压器的体积增大，成本高，且不允许频繁起动，同样也不能带重负载起动。

.4 频敏变阻器起动

对于绕线式异步电机来说，如果仅仅是为了限制起动电流、增大起动转矩，则一般采用转子回路串频敏变阻器起动方式。但此起动方式在频繁起动下，易发生温升，且结构复杂，不常用。

由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单，起动转矩基本固定不可调，起动中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转矩，且受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难，且上述几种起动方法，在停机时都是瞬间停机，遇到负载较重时会造成剧烈的机械冲击。

3 软起动

所谓软起动是指装置输出电压按一定规律上升，使被控电动机的电压由零升到全电压，转速相应的由零平滑加速到额定转速的过程。它是电力电子技术与自动化控制技术的综合，是将强电和弱电结合起来的控制技术。在软起动器中三相电源与被控电机之间串入三相反并联晶闸管，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的每相，利用晶闸管移相控制原理，控制其内部晶闸管的导通角，电动机起动时，用调节6个晶闸管的不完全导通来控制电动机的供电电源。换言之，起动时只有三相正弦波形的一部分向电动机供电。

软起动的优点是起动特性曲线好，使晶闸管的导通角从零度开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始逐渐上升，直至达到额定电压，起动电流从零线性上升至设定值，从而满足起动转矩的要求，保证起成功。表1为软起动同传统起动对照表。

4 重载起动方式(交-交变频起动)

4.1 交-交变频工作原理

尽管软起动具有起动平滑，起动时间等参数可调的特性，具有传统起动方法无法比拟的优越性，是传统降压起动器的理想换代产品。但可控硅调压方式的软起动器控制感应电动机，在减小电压的同时，供电频率仍为工频，使得其功率因数低，无功功率增加，这决定了其只能应用于轻载场合，对于重载起动就勉为其难了。然而在很多场合下，不能保证负载为轻载起动，如球磨机、破碎机、空气压缩机、风机等，这就使得我们想在降低电压的同时，能够减小供电电压频率，即保持v/f不变，保证恒力矩起动，因而变频器变频起动无疑是最好的起动设备，但如果把变频器仅作起动，不调速，资金浪费很大，特别是高压大容量的通用变频器价格就更为昂贵，且感应电动机的重载起动只是短时间的过程，故寻求一种感应电机的重载安全起动方法是很有必要的。纵上述几种起动方式可得出采用交-交变频器来实现重载起动。因为交-交变频没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，而且大功率交流电机调速系统所用的变频器也主要是交-交变频来完成的。

交-交变频的工作原理是让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。

如果让α角不是固定值，在半个周期内让正组变流电路p的α角按正弦规律从900逐渐减小到00，然后在逐渐增大到900。那么，正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压按正弦规律从零逐渐增至最大，在逐渐减小到零。在另外半个周期内，对负组变流器n进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。和可控硅整流电路(软起动)一样，交-交变频电路也属于电网换相。

4.2 整流与逆变工作状态

假设负载的功率因数角为φ，即输出电流滞后输出电压φ角。另外两组交流电路在工作时无环流工作方式，即一组交流电路工作时，将另一组变流电路的脉冲封锁。下图给出了一个周期内负载电压、电流波形。

从图3中可以看出，那组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定的。

4.3 输出正弦波电压的调制方法

>使交-交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种，这里介绍广泛采用的余弦交点法。

晶闸管变流电路的输出电压为

(1)

式中，ud0为α=0时的理想空载整流电压。对交-交变频电路来说，每次控制时α角是不同的，式(1)中的u0表示每次控制间隔内输出电压的平均值。

设要得到的正弦波输出电压为

(2)

则比较式(1)和式(2)可得(3)

(3)

式中γ称为输出电压比，

因此 (4)

上式就是用余弦交点法求变流电路α角的基本公式。

式(4)可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制，所以采用微机来实现上述运算。可把事先计算好的数据存入存储器中，运行时按照所存的数据进行实时控制。为了用计算机实现实时控制，必须具备三相低频信号、同步信号、零电流检测三个基本条件。

4.4 三相低频信号的产生原理

用计算机产生三相低频信号，必须首先将要产生的低频信号进行数字化。这不仅在幅值上数字化，在时间上也要数字化。在时间上，以一度为单位(分辨率已经足够)，将低频信号的一个周期分成360等份。根据需要的频率求出低频信号一度的时间，以次作为定时时间，这样每隔一度，便输出一次低频信号的对应值，每360循环一次，构成低频的周期。其它两相输出和上面一样，只是输出的对应数值不一样，正好相差120、240度。这样就构成了互差1200的低频信号。由于准梯形波具有较高的基波幅值，因此这里采用它作为低频参考信号，它是限幅的正弦波，当等于600时就已经到达了最大值。其目的是提高直流电压的利用率。

下面以准梯形波为例来说明三相低频信号实现的具体方法。

a. 建立一个准梯形波波形的表格，表格的大小为360个数据，这些数据分别以1度为间隔的准梯形波波形数据。表格存放在表首地址为table的内存中，第一个数据为1度时对应的波形数据，最后一个为360度对应的波形数据。表格的数据是按比例得到的。

b. 设一计数指针coun，初始化时，使coun=0，并起动定时器。在定时时间到达之后，计数指针coun增1，同时取出表中的数据(对应内存地址为table+coun)输出。当计数指针coun=360时，使coun复位为0，便完成了本周期的数据输出，为下一周期做准备。这样周而复始不断的取数输出，就产生了低频数字信号。

c. 其它两相低频信号分别滞后120、240度的同样波形，可以完全使用同样的表格。

d. 为了得到复值可变的低频信号，在低频数字信号输出之前，应乘以调制系数，调制系数的范围是0~1。

e. 1度对应的时间是由所需输出频率决定的，将其转换为定时时间常数后，存放于time的单元中，它就是控制交-交变频器输出频率的变量。

4.5 同步信号电路

采用微机定时方式进行交-交变频的移相控制时，需要给微机提供各晶闸管控制角起时定时时刻的方波信号，使移相控制装置向晶闸管发出的触发脉冲信号在电源电压的每个周期内均能重复出现。因此，这一方波信号的频率应与电源频率相同。所以，一般将此方波信号称为同步信号。此外，同步信号的另一作用是微机利用它的状态来进行判相定管，决定是某相的上管或下管工作与否。

取a相电压经同步变压器降压后，进入rc移相电路形成滞后30度的正弦电压，由三级管将正弦波形成方波，再经光电隔离、反相及输出电路，在输出端得到同步脉冲信号。

4.6 零电流检测电路

不论是电压型还是电流型控制的无环流交-交变频器，正反组变流器的换向都必须处于零电流状态，此时两组变流器的触发脉冲都被封锁。因此，实际的零电流一定要准确可靠的检测出来，这关系到换相的死区长短，以及换相的可靠性。

检测方法 检测负载电流的方法常用的有两种：lem电流传感器和检测和晶闸管端电压法。用lem电流传感器检测负载电流，可将主电路与控制电路完全隔离，且检测电路结构简单。但由于换相等原因，负载电流含有丰富的电流谐波，给电流检测、尤其是过零点检测带来了一定困难。lem传感器输出信号经滤波、整形后，会产生伪过零点，使控制系统出现误动作。由于晶闸管导通时其端电压为管压降，近似等于零，而阻断时端电压等于其所接交流电压(电网线电压或相电压)。同时检测变频器主电路中每一相上的六个晶闸管，如有一管导通说明此相有电流。如六管全关断则说明此相无电流，也就是电流过零点。这种方法直接检测零电流，不需要对电流波形进行整形，其输出信号完全对应着电流波形中的零电流，使检测电路更加准确、可靠。图4为零电流检测电路。

5 出现的问题及解决方法

交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因数之一。所以最高输出频率不高于电网频率的1/3-1/2。但由于我们主要用于起动，一旦速度达到了1/3全速，可以控制相应的晶闸管，使它们切换到软起动，软起动方式仍由本装置实现。在软起动的作用下完成起动结束。因为此时电压相对较小，切换的过程中，不会有很大的冲击电流。

由于采用无环流控制方式，有换流死区，所以输出波形有一点畸变。可以采用快速的，比较好的零电流检测方法来减小死区时间。

6 结束语

传统起动方式将逐渐被可控硅软起动所取代，然而软起动却不能很好解决感应电机的重载起动，因而给出了一种实用的交-交变频起动方式来解决这个问题。由于目前采用交-交变频技术成本相对过高，同时由于国内的研究开发相对滞后，致使该技术还主要限于大型矿井的关键设备。但随着这一技术相对成本的不断降低，人们节能意识的不断深入，该技术在矿井中的应用必将迎来一个全新的时期，同时在应用范围上也将扩大，并有待开发和完善。

参考文献

[1] 电动机降压起动器的选择与分析 凌浩 2000.12 vol.20 p66

[2] 交流异步电动机的软起动与保护探讨 何友全 矿山机械 2000.5

交流电动机的应用篇（8）

abstract:some starting manners of motor are given and analyzed in this paper, soft

starting is introduced emphasizly. but how to solve over loading starting is purposed

and ac-ac variable frequency is given.

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1 引言

三相交流电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。又由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。然而，电动机的起动特性却一直举步维艰。这是因为电动机在恒压下直接起动，其起动电流约为额定电流的4-7倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，会在起动过程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响到电网内其它设备的正常运行。同时由于电压降低，电动机本身起动也难以完成，造成电机堵转，严重时，可能烧坏电动机。因而如何减少异步电动机起动瞬间的大电流的冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的起动方法，使达到电动机的平滑无冲击的起动，于是各种限流起动方法也就应运而生。

2 传统的起动方法

2.1 定子串电抗器起动

对于鼠笼式异步电机一般采用定子回路串电抗器分级起动，绕线式异步电机则采用转子回路串电抗器起动。定子边串电抗器起动，即增加定子边电抗值，可理解为降低定子实际所加电压，其目的是减少起动电流。此起动方式属降压起动，缺点是起动转矩随定子电压的降低而成平方关系下降，外串电阻中有较大的功率损耗。又由于是分级起动，起动特性不平滑。

2.2 星-三角起动

起动时定子绕组星形连接，起动后三角形连接。在电动机绕组星形连接时，电动机电流仅为三角形连接的1/3，遗憾的是电动机的转矩也同样降低到三角形接线时的1/3，为了使电动机在额定转速时达到它的额定转矩，在经历了预先设定的时间后，又从星形接线转换到三角形接线，在转换过程中会出现二次冲击电流。

2.3 自耦变压器起动

当电动机起动时，电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上。当电机转速升高到一定值时，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行状态。同直接起动时相比，当电压降到w2/w1倍时，起动电流和起动转矩降到(w2/w1)2倍(w2/w1为自耦变压器的变比)。这种起动方式的优点是起动时定子电压的大小可调。比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失较少。要使变压器的容量和耐压水平提高，将使得变压器的体积增大，成本高，且不允许频繁起动，同样也不能带重负载起动。

.4 频敏变阻器起动

对于绕线式异步电机来说，如果仅仅是为了限制起动电流、增大起动转矩，则一般采用转子回路串频敏变阻器起动方式。但此起动方式在频繁起动下，易发生温升，且结构复杂，不常用。

由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单，起动转矩基本固定不可调，起动中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转矩，且受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难，且上述几种起动方法，在停机时都是瞬间停机，遇到负载较重时会造成剧烈的机械冲击。

3 软起动

所谓软起动是指装置输出电压按一定规律上升，使被控电动机的电压由零升到全电压，转速相应的由零平滑加速到额定转速的过程。它是电力电子技术与自动化控制技术的综合，是将强电和弱电结合起来的控制技术。在软起动器中三相电源与被控电机之间串入三相反并联晶闸管，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的每相，利用晶闸管移相控制原理，控制其内部晶闸管的导通角，电动机起动时，用调节6个晶闸管的不完全导通来控制电动机的供电电源。换言之，起动时只有三相正弦波形的一部分向电动机供电。

软起动的优点是起动特性曲线好，使晶闸管的导通角从零度开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始逐渐上升，直至达到额定电压，起动电流从零线性上升至设定值，从而满足起动转矩的要求，保证起成功。表1为软起动同传统起动对照表。

4 重载起动方式(交-交变频起动)

4.1 交-交变频工作原理

尽管软起动具有起动平滑，起动时间等参数可调的特性，具有传统起动方法无法比拟的优越性，是传统降压起动器的理想换代产品。但可控硅调压方式的软起动器控制感应电动机，在减小电压的同时，供电频率仍为工频，使得其功率因数低，无功功率增加，这决定了其只能应用于轻载场合，对于重载起动就勉为其难了。然而在很多场合下，不能保证负载为轻载起动，如球磨机、破碎机、空气压缩机、风机等，这就使得我们想在降低电压的同时，能够减小供电电压频率，即保持v/f不变，保证恒力矩起动，因而变频器变频起动无疑是最好的起动设备，但如果把变频器仅作起动，不调速，资金浪费很大，特别是高压大容量的通用变频器价格就更为昂贵，且感应电动机的重载起动只是短时间的过程，故寻求一种感应电机的重载安全起动方法是很有必要的。纵上述几种起动方式可得出采用交-交变频器来实现重载起动。因为交-交变频没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，而且大功率交流电机调速系统所用的变频器也主要是交-交变频来完成的。

交-交变频的工作原理是让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。

如果让α角不是固定值，在半个周期内让正组变流电路p的α角按正弦规律从900逐渐减小到00，然后在逐渐增大到900。那么，正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压按正弦规律从零逐渐增至最大，在逐渐减小到零。在另外半个周期内，对负组变流器n进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。和可控硅整流电路(软起动)一样，交-交变频电路也属于电网换相。

4.2 整流与逆变工作状态

假设负载的功率因数角为φ，即输出电流滞后输出电压φ角。另外两组交流电路在工作时无环流工作方式，即一组交流电路工作时，将另一组变流电路的脉冲封锁。下图给出了一个周期内负载电压、电流波形。

从图3中可以看出，那组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定的。

4.3 输出正弦波电压的调制方法

>使交-交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种，这里介绍广泛采用的余弦交点法。

晶闸管变流电路的输出电压为

(1)

式中，ud0为α=0时的理想空载整流电压。对交-交变频电路来说，每次控制时α角是不同的，式(1)中的u0表示每次控制间隔内输出电压的平均值。

设要得到的正弦波输出电压为

(2)

则比较式(1)和式(2)可得(3)

(3)

式中γ称为输出电压比，

因此 (4)

上式就是用余弦交点法求变流电路α角的基本公式。

式(4)可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制，所以采用微机来实现上述运算。可把事先计算好的数据存入存储器中，运行时按照所存的数据进行实时控制。为了用计算机实现实时控制，必须具备三相低频信号、同步信号、零电流检测三个基本条件。

4.4 三相低频信号的产生原理

用计算机产生三相低频信号，必须首先将要产生的低频信号进行数字化。这不仅在幅值上数字化，在时间上也要数字化。在时间上，以一度为单位(分辨率已经足够)，将低频信号的一个周期分成360等份。根据需要的频率求出低频信号一度的时间，以次作为定时时间，这样每隔一度，便输出一次低频信号的对应值，每360循环一次，构成低频的周期。其它两相输出和上面一样，只是输出的对应数值不一样，正好相差120、240度。这样就构成了互差1200的低频信号。由于准梯形波具有较高的基波幅值，因此这里采用它作为低频参考信号，它是限幅的正弦波，当等于600时就已经到达了最大值。其目的是提高直流电压的利用率。

下面以准梯形波为例来说明三相低频信号实现的具体方法。

a. 建立一个准梯形波波形的表格，表格的大小为360个数据，这些数据分别以1度为间隔的准梯形波波形数据。表格存放在表首地址为table的内存中，第一个数据为1度时对应的波形数据，最后一个为360度对应的波形数据。表格的数据是按比例得到的。

b. 设一计数指针coun，初始化时，使coun=0，并起动定时器。在定时时间到达之后，计数指针coun增1，同时取出表中的数据(对应内存地址为table+coun)输出。当计数指针coun=360时，使coun复位为0，便完成了本周期的数据输出，为下一周期做准备。这样周而复始不断的取数输出，就产生了低频数字信号。

c. 其它两相低频信号分别滞后120、240度的同样波形，可以完全使用同样的表格。

d. 为了得到复值可变的低频信号，在低频数字信号输出之前，应乘以调制系数，调制系数的范围是0~1。

e. 1度对应的时间是由所需输出频率决定的，将其转换为定时时间常数后，存放于time的单元中，它就是控制交-交变频器输出频率的变量。

4.5 同步信号电路

采用微机定时方式进行交-交变频的移相控制时，需要给微机提供各晶闸管控制角起时定时时刻的方波信号，使移相控制装置向晶闸管发出的触发脉冲信号在电源电压的每个周期内均能重复出现。因此，这一方波信号的频率应与电源频率相同。所以，一般将此方波信号称为同步信号。此外，同步信号的另一作用是微机利用它的状态来进行判相定管，决定是某相的上管或下管工作与否。

取a相电压经同步变压器降压后，进入rc移相电路形成滞后30度的正弦电压，由三级管将正弦波形成方波，再经光电隔离、反相及输出电路，在输出端得到同步脉冲信号。

4.6 零电流检测电路

不论是电压型还是电流型控制的无环流交-交变频器，正反组变流器的换向都必须处于零电流状态，此时两组变流器的触发脉冲都被封锁。因此，实际的零电流一定要准确可靠的检测出来，这关系到换相的死区长短，以及换相的可靠性。

检测方法 检测负载电流的方法常用的有两种：lem电流传感器和检测和晶闸管端电压法。用lem电流传感器检测负载电流，可将主电路与控制电路完全隔离，且检测电路结构简单。但由于换相等原因，负载电流含有丰富的电流谐波，给电流检测、尤其是过零点检测带来了一定困难。lem传感器输出信号经滤波、整形后，会产生伪过零点，使控制系统出现误动作。由于晶闸管导通时其端电压为管压降，近似等于零，而阻断时端电压等于其所接交流电压(电网线电压或相电压)。同时检测变频器主电路中每一相上的六个晶闸管，如有一管导通说明此相有电流。如六管全关断则说明此相无电流，也就是电流过零点。这种方法直接检测零电流，不需要对电流波形进行整形，其输出信号完全对应着电流波形中的零电流，使检测电路更加准确、可靠。图4为零电流检测电路。

5 出现的问题及解决方法

交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因数之一。所以最高输出频率不高于电网频率的1/3-1/2。但由于我们主要用于起动，一旦速度达到了1/3全速，可以控制相应的晶闸管，使它们切换到软起动，软起动方式仍由本装置实现。在软起动的作用下完成起动结束。因为此时电压相对较小，切换的过程中，不会有很大的冲击电流。

由于采用无环流控制方式，有换流死区，所以输出波形有一点畸变。可以采用快速的，比较好的零电流检测方法来减小死区时间。

6 结束语

传统起动方式将逐渐被可控硅软起动所取代，然而软起动却不能很好解决感应电机的重载起动，因而给出了一种实用的交-交变频起动方式来解决这个问题。由于目前采用交-交变频技术成本相对过高，同时由于国内的研究开发相对滞后，致使该技术还主要限于大型矿井的关键设备。但随着这一技术相对成本的不断降低，人们节能意识的不断深入，该技术在矿井中的应用必将迎来一个全新的时期，同时在应用范围上也将扩大，并有待开发和完善。

参考文献

[1] 电动机降压起动器的选择与分析 凌浩 2000.12 vol.20 p66

[2] 交流异步电动机的软起动与保护探讨 何友全 矿山机械 2000.5

交流电动机的应用篇（9）

中图分类号：O47 文献标识码： A 文章编号：1672-1578（2012）07-0070-02

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响，二要看对电网的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗如何。变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的传动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。目前，低、中压变频器都有这类产品。脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。

交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。CVCF是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95%左右。无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向：运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，以确保系统有更优越的控制性能。

数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

交流同步电动机已成为交流可调传动中的一颗新星，特别是永磁同步电动机，电机获得无刷结构，功率因数高，效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类。自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器，如采用交―直―交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机（BLDC）”。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器，现正开发无转子位置传感器的系统。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。

同步调速系统的特点：

交流电机旋转磁场的同步转速ω1与定子电源频率 f1有确定的关系ω1=■异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差s=0。同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组

由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。

异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Iβ1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流，然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。

交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展、开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，可确保系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和监视功能，使系统智能化。

参考文献：

[1]王志新.同步电动机的变压变频调速[M].机械工业出版社，2010-10.

[2]张承慧，崔纳新，李珂.交流电机变频调速及其应用[M].机械工业出版社，2008-08-01.

交流电动机的应用篇（10）

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

二、永磁交流伺服电动机

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。

1、永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

⑵定子绕组散热比较方便。

⑶惯量小，易于提高系统的快速性。

⑷适应于高速大力矩工作状态。

⑸同功率下有较小的体积和重量。

2、伺服电动机与单相异步电动机比较

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

（1）起动转矩大

由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0>1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

（2）运行范围较广

（3）无自转现象

正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

性能比较

三、伺服电机与步进电机的性能比较

步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

1、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

2、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

3、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

4、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力,交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

5、运行性能不同