本节介绍三相异步电动机的启动、调速及其机械特性
本节介绍两相异步电动机的控制方式和动态特性
本节介绍单相异步电动机的启动和单相串励电动机

三相异步电动机

三相异步电机的机械特性

电磁转矩的参数表达式：

$T=\frac{m_{1}p{U}_1^2\frac{r_2^{\prime }}{s}}{2\pi f_1[(r_1+\frac{r_2^{\prime }}{s}{)}^2+(x_1+x_2^{\prime }{)}^2]}$

异步电机的机械特性，是以电压为参变量，电磁转矩T与转差率s之间的关系（与转速n的关系也是一样的）

取出n和T都大于零的片段具体分析：（注意上图的横轴在s=0，下图的横轴在n=0）


关于最大转矩的结论：

1. $T_m$与电压平方成正比，与$s_m、U_{1N}$无关
2. $T_m$与转子回路电阻大小无关，而$s_m$与转子回路电子大小成正比
3. 定义过载能力$k_m=\frac{T_m}{T_N}$

关于起动转矩的结论：

1. 起动转矩与电源电压平方成正比
2. 频率越高、漏抗越大，起动转矩越小
3. 绕线式电动机，转子回路电阻增大，起动转矩先增大后减小
4. 定义起动转矩倍数$K_{st}=\frac{T_{st}}{T_N}$

机械特性的实用公式

上面的式子计算困难，所以采用以下实用公式：
$\frac{T}{T_m}=\frac{2}{\frac{s_m}{s}+\frac{s}{s_m}}$

其中$s_m=\frac{R_2^{\prime }}{X_k}，X_k=x_1+x_2^{\prime }$
也可表示为：$s_m=s_n(k_m+\sqrt{k_m^2-1})$，$s_n、k_m$可从产品手册查询

额定负载时：
$T_N=\frac{2T_m}{\frac{s_N}{s_m}+\frac{s_m}{s_N}}\approx \frac{2T_m}{s_m}{s}_N$（忽略$s_N/s_m$）

稳定运行的条件

三相异步电机的起动

起动状态，n=0,s=1，起动电流大而起动转矩小
为避免过大电流带来过热问题，需要采取一定的起动方法：

1. 直接起动
   不采取特殊措施，直接通电。适用于容量小、不需要频繁起动的电机

2. 降压起动
   $I=\frac{U}{R}$，要减小电流，可以减小电压

   • $Y-△$起动
     起动的时候星接，正常工作后角接
     
     星-角起动有一个问题，就是正常工作时绕组必须是角接，对于一部分电机就不适用了。

   • 自耦降压起动
     加一个自耦变压器，起动的时候先降压再输入到绕组。
     正常工作的时候把变压器断开电源直接连接到绕组。
     

3. 转子串电阻起动
   $I=\frac{U}{R}$，要减小电流，也可以增大电阻。这个方法仅适用于绕线型电动机，通过电刷引出转子绕组，增大电阻。
   

三相异步电动机的调速

$n=n_s(1-s)=\frac{60f_1}{p}(1-s)$
要改变转速，可以改变p、s、f

变极调速

适用于鼠笼型电机

定子线圈采用不同的接法，产生p不同的旋转磁场，p不同就起到了调速的作用

这样调速优点：
机械特性较硬、稳定性好
效率高、控制方便接线简单价格低
问题：调速平滑性差，转速几乎是成倍变化的

变转差率调速

改变定子端电压调速

$T_{em}=\frac{P_{em}}{{\omega }_0}=\frac{m_1}{{\omega }_0}{I}_2^{\prime 2}\frac{R_2^{\prime }}{s}$

对于恒转矩负载，即调速时$T_{em}$不变：

不论向上调速还是向下调速，都面临电流大于额定值的问题，所以向下调速不能超过10%，向上不能超过5%。

对于恒转矩负载，在$s>s_m$后就不能稳定，因此调速范围很小。但如果是风机类负载，调速范围就比较大了

转子回路串电阻调速

对于绕线转子异步电动机，转子回路串入电阻不仅可以用来起动，也可以用来调速。

对于恒转矩负载，有：$\frac{R_2}{s_1}=\frac{R_2^{\prime }}{s}=常值$
这种调速方式铜耗大，效率低，调速平滑性差，但是方法简单，工作可靠。

串级调速

思路跟串电阻调速是一样的，不过这里直接串入电压源了。

串入的附加电势记为$E_{ad}$
可以证明，当定子端电压和负载转矩不变时，若附加电势与转子电势同频，相位相同或相反，则有：
$s{E}_2\pm E_{ad}\approx 常值$，因此可以通过改变$E_{ad}$来改变s

变频调速

从电网获得的交流电是恒压恒频的，但是可以通过变频调速系统，变成变压变频的交流电（幅值、频率都可调），这样控制的自由更多。

从基频向下调速

也就是把频率调低。

为了保证励磁电流不超过额定值，从基频向下调速必须同时减小定子感应电势$E_1$，保证$E_1/f_1$为常数。
而$E_1$无法直接测量和控制，所以用$U_1$来近似，如果保持$U_1/f_1$不变，那么会观察到最大转矩随频率降低而减小（因为不再满足近似），所以控制系统中在频率较低时，会适当增大电压，来保证最大转矩基本恒定。

$T=C_T^{\prime }{\Phi }_m{I}_2^{\prime }\cos {\phi }_2$，$E_1/f_1$不变则${\Phi }_m$不变，转矩恒定。而转速可调，因此非恒功率工作。

从基频向上调速

也就是把频率调高

电机电压不允许高于额定电压，因此不能再保持$U_1/f_1$不变了。把U恒定，只改变f。
f增大，${\Phi }_m$减小，转矩减小。电机电磁功率和输出功率基本不变，为恒功率调速。

频率很低时一般提高$U_1$来补偿漏磁保证${\varphi }_m$不变，因此$U_1/f_1$不再线性

变频器

1. 变频器的分类
   

2. 交-直-交变频器的结构
   

3. 变频器电压调节方式

   • PAM：脉冲幅值调节
   • PWM：脉冲宽度调节
   • SPWM：正弦脉冲宽度调节

4. 变频器的控制方式

   • U/f控制变频器（压频比控制）
   • SF控制变频器（转差率控制）
   • VC变频器（矢量控制）

小偏差信号变频调速

异步电动机一般非线性都比较严重，所以传递函数也只是定性的给出。

矢量控制

了解一下这个概念就行。大致思想就是把原本耦合的量转变成不耦合的量，进行控制。

异步电动机的电气控制

没啥好说的，就是开关、保护器、起动装置等等东西，知道有就行。

两相异步电动机

两相电机可以根据用途的不同，分为两个大类，即驱动电动机和伺服电动机。
驱动电动机要求效率高，因此转子电阻小，气隙磁场接近正圆形。
伺服电动机要求稳定运行区间大，因此在第一象限机械特性下垂，也就是转子电阻足够大。

根据前面分析非圆形旋转磁场那里可以知道，两相电动机可以有三种工作状态：

1. 两相绕组通入等幅相差90度电流——圆形旋转磁场

2. 两相绕组通入等幅同相电流——脉振磁场

脉振磁场可以看成两个圆形旋转磁场相叠加，因此转矩也满足叠加。

当转子电阻不同时，正反圆形旋转磁场的机械特性也不同，所以叠加出来也有可能是这种形状：

3. 两相绕组通入不等幅相差90度电流——椭圆旋转磁场

调节特性：

两相伺服电动机

要求两相伺服电动机转子电阻足够大，是为了消除自转现象。
所谓自转现象，就是控制电压为0后，电机不停转，反而继续旋转的现象。

假设控制电压不为0时，电机工作在圆形旋转磁场下：

除了消除空转以外，增大转子电阻还可以增大调速范围、使机械特性更加线性，对于伺服电机是有好处的。

结构特点

这个和直流伺服电机是一样的，要减小转子的转动惯量，因此转子一般做得细长。
除了笼型转子，还有非磁性空心杯转子和铁磁性空心杯转子，其本质就是一个条数无穷大的笼型转子。

两相伺服电机的控制

理想工作状态：两绕组空间相距90度电角，通入时间相差90度的电流，工作在正圆形旋转磁场下。
而改变控制电流的大小或者相位，就可以控制电机的工作状态。

幅值控制

信号系数与椭圆度近似相同

相位控制

控制电压幅值不变，仅改变相位
相位控制线性度较好但是线路复杂、发热严重，使用很少

双相控制

励磁电压和控制电压保持相位差为90度，同时改变幅值
双相控制效率高发热少，但非线性严重，使用很少

幅相控制（电容控制）

励磁回路串联电容起移相作用。当控制电压改变时，由于电磁感应，励磁回路的电流也会改变，而由于电容的作用，使得励磁电流幅值、相角都改变。

与幅值控制相比，由于两相电流相位差不是严格90度，因此转矩下降，非线性更严重。
与相位控制相比，两相电流相位差约在90-100度之间变化，相差不大，具有更强实用性。
由于线路简单，应用广泛。

两相伺服电机的动态特性

传递函数

跟三相电机一样，因为非线性严重，所以只是定性给出传递函数。

与直流伺服电机对比

1. 机械特性和调节特性：直流伺服电机线性，交流非线性
2. 动态响应：差不多。直流电机有电枢绕组和换向器故转动惯量更大，但机械特性更硬
3. 自转现象：仅存在于交流电机，通入单相交流电仍保持旋转
4. 物理属性：交流电机体积大重量重、效率低，仅适用于小功率系统。但结构简单，运行可靠

单相异步电动机

家用电器都是接单相交流电的，所应用的也就是单相异步电机。
单相异步电机结构简单成本低廉，应用广泛。
与三相异步电机相比，体积大，功率因数低、过载能力差，仅适用与小容量场合。

工作原理

定子通入单相交流电

当通入电流增大时：

1. 左右两部分所受力大小相等，方向相反，完全抵消，是没有起动转矩的。
   跟前面分析两相伺服电机的时候一样，在脉振磁场中的机械特性：
   

2. 借助外力旋转起来以后，去除外力仍可以保持稳定运行。而旋转的方向与受外力旋转的方向相同。

3. 电机启动后，由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力下降、转子铜耗与铁耗增加。
   负序转矩：反向旋转磁场产生的转矩（单独看正向磁场或者反向磁场，产生的转矩是大于叠加磁场的）
   铜耗和铁耗的增加，主要是由于转速降低，定转子电流增大、温度升高

单相异步电机的起动

单相运行的电动机没有起动转矩，为了使电动机可以自行起动并改善运行性能，除了工作绕组（主绕组），一般还要加装起动绕组（副绕组）。

分相起动

两套绕组在空间不同相位，两套绕组通入不同相位的交流电流（本质上相当于两相电动机）

单相电容启动

副绕组串接电容，利用电容移相，使两绕组电流相位差约为90度。
副绕组受离心开关控制，当电动机转速达到一定数值以后，断开副绕组。

单相电阻起动

副绕组串联电阻（或不用串联），匝数较少，导线较细，使得副绕组支路总电阻远大于感抗，近似认为副绕组与电源同相位
主绕组匝数较多，导线较粗，使得主绕组感抗远大于电阻，近似认为主绕组滞后电源90度
同样副绕组由离心开关控制

单相电容运行

和单相电容起动是一样的，区别在于没有离心开关

双值电容单相异步电动机

结合了单相电容起动和电容单相运行。
起动的时候两电容并联，容量叠加，提升起动性能
运行时仅保留$C_2$，保证运行性能

罩极起动

电机定子有凸极式和隐极式，凸极式最常见，下面分别是集中励磁和分别励磁

所谓罩极，就是在每一个磁极面越1/4~1/3处开槽，套上短路环或者匝数很少的闭合绕组，就好像把这部分磁极罩起来一样。

罩极就是与励磁线圈平行的闭合回路
罩极起动主要运用的就是楞次定律：

在励磁电流和短路环的共同作用下，磁极之间的磁场连续移动，总是由未罩部分移向被罩部分，可以类比为旋转磁场。因而使得笼式转子可以获得起动转矩。
但缺点在于起动转矩小，仅适用于清载或空载启动的场合

单相串励电动机

其结构与电磁式串励直流电动机相同

接交流电时，电枢电流和励磁电流同时改变方向，因此转矩方向不变。
与串励式直流电机的不同在于：

1. 为了减少铁耗，铁心磁路用软磁材料，薄片叠成
2. 为了减小电抗压降，励磁线圈匝数少、加设补偿绕组，电枢导体数多。

如果经过特殊设计，这种电动机接直流电或交流电都可以运行。比如在电力设施不完善的地区，白天可以用电网的交流电，晚上可以用电瓶的直流电。

单相串励电机的特性

$C_1\sim C_6$都是常数（不需要知道是多少）

忽略绕组阻抗压降：$U\approx E$

电压U不变时：
3. $I$近似与$n$成反比
4. $T$与$I^2$成正比
5. $T$近似与$n^2$成反比

换一个角度来理解这三个关系：