第一部分第六单元
A交流机
简介
将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的电机是传动系统中的主要组成部分。从电学、机械学和热学的角度看，电机具有复杂的结构。虽然一百多年前就开始使用电机，关于电机的研究与开发工作一直在继续。但是，与电力电子器件和电力电子变换器相比，电机的发展十分缓慢。从传统观念上，由恒频正弦电源供电的交流机一直用于恒速场合，而直流机则用于变速场合。但在最近
二、三十年，我们已经看到在变频、变速交流机传动技术上取得的研究与开发成果，并且它们正逐步取代直流传动。
在大多数情况下，新设备都使用交流传动。
一般可将交流机分类如下：
感应电机：鼠笼或绕线式转子（双馈），旋转或直线运动；
同步电机：旋转或直线运动，启动、绕线式激磁（转子）或永磁磁铁，径向或轴向气隙（圆盘状），凸磁极或内（隐）磁极，正弦波磁场或梯形波磁场；
变阻抗电机：开关磁阻电机，步进电机。
感应电机
在所有的交流电机中，感应电机，尤其是鼠笼型感应电机，在工业上得到了最广泛的应用。这些电机价格便宜、结实、可靠，并且从不到一个马力到数兆瓦容量的电机都可买到。小容量电机一般是单相电机，但多相（三相）电机经常用于变速传动。
图1-6A-1 理想化的三相、两极感应电机
图1-6A-1给出了一台理想的三相、两极感应电机，图中定子和转子的每一个相绕组用一个集中线圈来表示。三相绕组在空间上按正弦分布并嵌入在槽里。对绕线式转子电机而言，转子绕组与定子绕组类似，但鼠笼式电机的转子具有鼠笼状结构，并且有两个短路环。基本上，感应电机可以看作是一个具有可旋转并且短路的二次绕组的一台三相变压器。定子和转子的核用层压铁磁钢片制成，电机内的气隙实际上是均匀的（非凸极结构）。
感应电机的一个最基本的原理是在气隙中建立旋转和按正弦分布的磁场。如果忽略槽和由于非理想分布的绕组产生的空间谐波的影响，可以证明，在三相定子绕组中能以三相对称电源建立一个同步旋转的旋转磁场。
旋转速度由公式(1-6A-1)给出
Ne称作同步转速，单位是转/分，是定子频率，
单位是赫兹。P是电机的极对数。
转子绕组切割磁场，就会在短路的转子中产生感应电流。气隙磁通和转子磁动势的相互作用产生转矩使转子旋转。但转子的转速低于同步转速。因此称它为感应电机或异步电机。为了满足各种工业应用中对启动和运行的要求，可从制造厂家得到几种标准设计的鼠笼电机。 最常见的转矩-速度特性，与国家电气制造协会的标准一致的，并很容易获得和定型的设计，如图1-6A-2所示。这些电机中最有意义的设计变量是转子笼型电路的有效阻抗。
A类电机这类电机适用于启动负载低（诸如风扇、泵类负载）以便能快速达到全速，因而避免了启动过程电机过热的问题。对大容量电机而言，需要降压启动以限制启动电流。B类电机这类电机是很好的通用电机，有着广泛的工业应用。它们特别适合对启动转矩要求不是特别严格的恒速驱动。比如驱动风扇、泵类负载、鼓风机和电动发电机组。 C类电机C类电机适合驱动压缩机、输送机等等。
D类电机此类电机适合驱动要求迅速加速的间歇性负载和冲床、剪床这样的高冲击性负载。在驱动冲击性负载的情况下，在系统中加一个调速轮。当电机转速随负载冲击有点 下降时，在负载冲击期间调速轮释放它的一部分动能。
同步电机
同步电机，正像名字所表示的，一定是像公式(1-6A-1) 那样以同步速度旋转。对感应电机恒速驱动应用而言，它是一位非常重要的竞争者。
图1-6A-3理想化的三相、两极同步电机
图1-6A-3给出了一台理想的三相、两极绕线式激磁的同步电机。同步电机的定子绕组与感应电机的定子绕组一样，但同步电机的转子上有一个绕组，这个绕组通过直流电流，在气隙中产生磁通，该磁通协助定子感应的旋转磁场来拉动转子与它一同旋转。直流激磁电流由静态整流器通过滑环和电刷提供给转子，或由无刷励磁电源提供。因为转子总是以同步转速旋转，同步旋转的de-qe轴与转子的相对位置是不变的，如图所示，de轴对应N极。在转子中没有定子感应的感应电势，因此转子的磁动势仅由激磁绕组提供。这使得电
机在定子侧可以任意的功率因数运行，即引前、滞后或同相。从另一角度说，在感应电机中，定子给转子提供励磁使得电机功率因数总是滞后。
转矩产生的原理有点类似于感应电机。如图所示的同步电机是凸极式同步机，因为转子周围的气隙是不均匀的，不均匀的气隙在d轴和q轴上造成了不对称的磁阻。与其(凸极式同步机)对应的另一种电机是有均匀气隙的圆柱体形转子结构的电机(与异步机相似)，定义为隐极式同步电机。例如，水电站使用的低速发电机是凸极同步机，而火力发电厂使用
的高速发电机是隐极式同步机。除激磁绕组之外，转子通常有一个阻尼器，或叫阻尼绕组，它就像感应电机中短路的鼠笼棒。同步机更昂贵但效率也高一些。绕线式激磁绕组同步 机通常用于大功率（数兆瓦）驱动。
变阻抗电机
变阻抗或双阻抗电机，正像名字所表示的那样，有两个凸极，这意味着电机的定子和转子都是凸极结构。如前所述，变阻抗电机有两种：开关磁阻电机和步进电机
步进电机基本上是一种数字电机，即它根据数字脉冲运动固定的步数或角度。小型步进电机广泛用于计算机外围设备。然而，由于步进电机不适合调速应用场合，不再作进一步讨论。 有关文献对开关磁阻电机驱动十分关注，最近做了许多工作来使其商品化以参与和感应电机的竞争。图1-6A-4给出了有四对定子极对数、三对转子极对数的四相开关磁阻电机的截面图。电机转子没有任何绕组或永磁磁铁。定子极上有集中绕组（不是正弦分布绕组），每一对定子极绕组，如图所示，由变换器的一相供电。例如，当转子极对a-a‘接近定子极对A-A‘时，定子极对A-A’被通电，通过磁拉力产生转矩，当两个极对重合时，定子极对A-A\'断电。
图1-6A-4开关磁阻电机的结构
借助于转子位置编码器，电机的四对绕组依次、与转子同步得电，得到单向转矩。可给出转矩的幅值式中m =感应速率，i = 瞬时电流。感应速率恒定则电流i为
常数。高速运行时，转子感应的反电动势也高。
这种电机的优点是结构简单、坚固；也可能它比其它电机要便宜一些。但是，这种电机有转矩脉动和严重的噪声问题。
[2] In a well-designed PWM drive, the commutation frequency should be increased as permitted by the devices so as to obtain a good balance between the increase of inverter lo and decrease of machine lo.
在设计完善的PWM传动系统中，应在器件允许的条件下增加换相频率，以便在逆
变器损耗的增加和电机损耗的降低之间找到一个合适的平衡点。
so as to接动词不定式，可译作“为的是”、“以便……”；so…as to 接动词不定式，意
思是“如此……以致”。
6.参考译文
B感应电机传动装置
感应电机的转速由电机的同步速和转差决定。同步速与电源频率有关，转差由供给电机
为控制感应电机的转速，存在几个机理，它们是：(1) 变电压恒频率或定子电压控制，
(2) 变电压变频率控制，(3) 变电流变频率控制，和(4) 转差功率调节。这些方法之一，变电压变频率控制可被描述如下。
方波逆变器传动装置
馈电电压逆变器（也称电压源逆变器，VSI）通常分为两类：方波逆变器和脉宽调制逆变器。此类逆变器从二十世纪六十年代初，当先进的强制换相技术开始发展时就被提出。图1-6B-1显示了方波逆变器传动装置的传统电力电路，三相桥整流器把交流电变换为可变电压的直流电，作为强制变换桥逆变器的输入。逆变器产生变电压变频率电源，控制电机速度。 图1-6B-1变电压变频率感应电机传动装置
(未显示逆变器的强迫换流电路)
由于大的滤波电容器给逆变器提供了一个刚性的电压源，且逆变器的输出电压不受负载种类的影响，因此，此类逆变器叫做馈电电压逆变器。通常，相对于假想的直流电源的中心点，逆变器每一桥臂上的每个晶闸管导通180°，在电机的一相产生方波电压。线电压可被显示为如图所示的六个阶梯形电压波。因为感应电机构成了滞后的功率因数负载，所以逆变器的晶体管需要强制换相。反馈二极管可利用滤波电容器促进负载无功能量的循环，并维持输出电压定位
在直流链接电压上，二极管也参与换相和制动过程。
变压变频速度控制方法的理论可由图1-6B-2和1-6B-3来帮助解释。用于此类传动装置的电机具有低转差特性，并提高效率。电机转速可通过简单改变同步速，例如，改变逆变器频率来改变。然而，随着频率的增加，电机的气隙磁通下降，导致产生的转矩降低。 的电压或电流调节控制。
图1-6B-2感应电机的电压-频率关系
图1-6B-3变电压变频率电源的感应电机的转矩-转速曲线如果电压随频率变化，从而使电压/频率之比保持恒定，则就像直流并激电机一样可使气隙磁通保持不变。图1-6B-2 显示了期望的电机电压-频率关系。在基频(1.0 标幺值) 以下，气隙磁通由于伏特/赫兹恒定而保持不变，这将导致恒定的转矩。处于低频时，定子阻抗超过漏感，占主导地位，因此，附加电压被施加，以补偿此作用。处于基频时，通过前推整流器触发角至所允许的最小值，电机全电压被建立，高于基频后，当频率增加时，由于气隙磁通的损失，转矩下降，电机以如图所示的恒功率方式运行。这与直流电机弱磁调速类似。电机恒转矩和恒功率区的转矩-转速曲线如图1-6B-3 所示，其中每一条转矩-转速曲线都对应于电机接线端特定的电压和频率组合。分别对应于恒定负载和变化负载的两个稳态运行点A 和B如图所示。
电机以最大可得转矩从零加速，以恒磁通转差控制方式或以恒转差磁通控制方式达到稳定点。稳态运转的磁通和转差调节均可提高电机效率。
馈电电压方波传动装置通常用于中、小功率的工业场合，其调速比一般不超过10:1。最近，此类传动装置在很大程度上已被下一部分将要介绍的PWM传动装置所代替。馈电电压逆变器非常适合多电机驱动，在这种情况下，许多感应电机的速度可得到精确控制。 脉宽调制型（PWM）逆变器传动装置
在前一部分描述的变压变频逆变器传动装置中，若使用二极管整流器，则直流链接（link）电压不可控，基频输出电压可利用脉宽调制技术在逆变器中进行控制。利用这种方法，晶闸管在半周期中开合多次，产生低谐波的变压输出。
图1-6B-4脉宽调制的原理
等腰三角形载波波形与正弦波信号比较，得到的交叉点确定变换点。除低频范围外，载波与信号同步，载波频率与信号频率之比保持为3的偶数倍以改善谐波。通过改变调制指数可改变基频输出电压。可见，如果调制指数小于一，那么在输出中只有与残留边带相关的基频的载波频率谐波出现。与方波相比，此种波形产生相当小的谐波温升和转矩脉动。随着调制指数超过1，电压可一直增加，直到获得方波波形中的最大电压。因此，PWM电压控制适用于恒转矩区（如图1-6B-2），然而，在恒功率区，运行等同于方波传动装置。
指定谐波消除PWM（selected harmonic elimination）技术最近引起广泛关注。在这种方法中，换相点由预先确定的方波角度决定，此方波角度允许电压控制消除被选谐波。也可编程设计换相点角度，以使对于特定负载条件的电流谐波的有效值达到最小。微型计算机特别适合此类PWM，其中角度查询表存储在ROM 存储器中。在PWM乓乓控制方法中，逆变器开关控制的目的是让电流波被限制在参考波的磁滞带间，这样产生的纹波电流小。
尽管电机谐波损耗在PWM传动装置中有很大改善，但由于在每半周期存在多次换相，逆变器效率有所降低。在设计完善的PWM 传动装置中，应在器件允许的条件下增加换相频率，以便在逆变器损耗的增加和电机损耗的降低间找到一个合适的平衡点。在前节末尾提出的简单的、经济的二极管整流器可减少电网波形畸变和提高功率因数，减小滤波器容量，并提高
系统运行的可靠性。因为直流链接电压相对恒定，所以晶闸管的换相在整个基频电压范围内均令人满意。
另外，在低频区，低谐波和最小的转矩脉动允许大范围的速度控制，实际上是从电机具有最大转矩的停止状态开始。因为直流链接电压不可控，一些独立控制的逆变器可利用同一个整流器电源运行，这将节省大量的整流器费用。通过接通直流链接中的电池，传动系统可不受交流电源故障的干扰。对于电池或直流供电的传动系统，例如电车或地铁的发动机，电源可直接吸收再生发电制动能量。
