交流电动机的应用范文

交流电动机的应用篇1

Abstract: In order to improve the performance of speed adjustment of Ac drive electric locomotive, we use the pulse vector controlling technology in traction converters. The basic principle of vector control technology is introduced, the system structure，output voltage, the pulsepattern and allocation of the traction converters with square wave pulsed vector controlling technology are analyzed and researched with the example of HXD3 electric locomotive. Results show that the pulse vector controlling technology can control the torque and speed more accurately and fast, has better speed adjustment, and can help locomotive play its traction.

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.

[3]杨贵杰，孙力等.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报，2001.

[4]丁荣军，桂卫华.无速无速度传感器控制技术及其在大功率牵引传动中的应用研究[J].铁道学报，2008.

交流电动机的应用篇2

关键词：整流 交流发电机 通用飞机

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.

[2] 吴建华.汽车发电机原理[M].北京：机械工业出版社，2009：12-14.

[3] 楼仁熊.飞机电气负载和电源容量分析[J].民用飞机设计与研究，2002，14（1）：27-30.

交流电动机的应用篇3

关键词：变频器 矢量控制 电机旋转

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.

[3]徐海，施利春，孙佃升，王东辉.变频器原理及应用[M].清华大学出版社，2010-8-20.

[4]咸庆信.变频器实用电路图集与原理图说[M].机械工业出版社，2009-7-1.

交流电动机的应用篇4

关键词 交流异步电机；额定电流；启动电流；保护控制

中图分类号O4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）90-0133-02

0引言

尽管交流异步电机驱动电路复杂，但其具有的结构简单、运行可靠等优点，使其成为工业车辆发展应用较广泛的一种选择。然而交流异步电机的许用电流通常会达到额定电流的5～10倍（通常认为3～7倍），这会导致电机的相关设备和机械传动装置受到一定损害，降压许用就是为防止直接许用的一种设计方式，本文基于工业车辆交流异步电机的额定与许用电流间关系，分析了工业车辆的许用电流与保护技术，这一研究对于电机的进一步发展应用有一定的意义。

1 工业车辆电流分析

下面以工业车辆应用最广的叉车、观光车作为研究进行全面的分析阐述。

1.1工业车辆基础知识研究对比

通过与电机厂家的了解，说明书的分析，还有叉车厂家的现场试验。了解电机（主要为安徽皖南新维电机有限公司、辽源汇丰电机有限公司、四川东风、SUPEREC）的主要技术参数为下表1～表3所示。基于表中参数，在实际评估时由于对叉车专业知识及技术不了解，常常对电机质量无法作出合理的判断。通常电机优越的高质量的叉车其优越的性能往往体现在高效率、低成本、高可靠性、人机工效设计好以及服务便利等诸多方面。

从上表可以看出感应电机的固有频率是由满磁通最大扭矩区与弱磁通区分界点处的旋转磁场频率所决定的，当感应电机的频率大于其固有频率时，它就开始工作。不过工作过程中要求它的电压需在额定范围内，不可以超载。同时逐渐降低频率要记录该频率下电机的电流直到其电流达到最大。收集频率和电流的数据信息，将它们信息汇合然后做出一条平滑的曲线，通过这条曲线可以看出一拐点，它所对应的频率即为感应电机的固有频率，它也是磁通饱和区和弱磁通区的分界点。为了保障电机的电压为额定电压要进行相关参数的设定，并要求设置使速度控制回路闭合。

2.2 电动叉车的驱动技术

当前的电动车应用的主要有直流与交流驱动计算。直流驱动技术尽管具有经济、方便的特点，但其表现出的维修、性能方面的缺陷不断被放大。交流驱动就是在这一背景下开发应用的，随着上世纪末的交流动力技术在电动叉车中的推广，使得电动叉车性能明显提高。同时伴随着电子元件的价格大幅度下降，那么该控制器的硬件某些部件的成本也会相对降低，成本将带了对交流驱动系统的大范围地推出市场提供了条件。

2.3 交流电机驱动的优势

研究表明，电动叉车交流驱动系统具有以下优势：交流电机与直流电机相比无最大电流限制，使得其能有更大制动扭力、更快速度等；交流驱动系统将蓄电池的直流电转化为三相交变电。能获得更高频率调节范围；在相同的蓄电池容量这一前提下，应交流系统与直流电机相比使用时间延长了，进而有效生产效率；交流驱动所采用的是速度扭矩控制，采用加速踏板释放制动功能，因而可以平缓的实现前进状态和倒车状态的过渡，从而确保叉车行驶的安全性，与此同时其能量也能够回收。

3 实践结果电流分析

当叉车的工作模式选择牵引时，叉车就会具有变负载的工作特性，它既可以空载行驶，又可以满载行驶还可以带载爬坡。不过当其工作特性不同时，它的相应的感应电机的工作区也不相同，三种工作特性分别对应着电机的“连续工作区”、“间断工作区”及“高速区”。

感应电机不同工作区域其各就特点：“连续工作区"一般叉车在空载和额定载荷行驶时，电机处于此工作区的电机始终以恒定功率运行，在这种工作区它允许电机为了获取理想的转速而工作在较低的滑差状态下；“间断工作区”一般叉车以一定可允许载荷进行爬坡工作时，电机处于此工作区的电机处于恒扭矩阶段。通过一系列的验证得出如表3所示的对交流电机与电流的关系。

从表3 可以得知所得到的最大许用电流严重超载，一般达到额定电流3倍以上。因此可知电流过大会对电机造成很大损害。同时值得注意的是叉车的造价较高，因此对其电机要更外保护。

经过研究得出，当电机启动电流达到额定电流的3～4倍时，线圈发热量是电机在正常运行时的18～25倍，产生的电磁力同样达到了18～25倍。因此可知温度过高、加热速度过快等都将是电机受到巨大的破坏，同时降低了线圈和转子铜条的使用寿命。除此电力过大会造成供电装置的损坏。

4电机保护

现在我国着重发展将电子型电机控制装置，并将其进行推广。交流电机的保护是与控制方式紧密联系的，如车辆直接许用产生的4～7倍的额定电流，应用不同的元件结构也不完全相同，热继电器、温度继电器和温度开关、电子式电机保护控制装置。

4.1热继电器的原理与技术

下图为应用广泛的ZEV系列热继电器的接线图，其实现了过载、缺相、电流不平衡、接地保护等标准保护功能，应用的保护跳闸采用了数字显示的方式，其四个按键设定数值。热继电器采用的是负载电流流经校准元件，使双金属热元件产生弯曲，实现继电器在电机绕组烧坏前的。

尽管这一技术结构简单，由工作原理可知，其对工业车辆的频繁许用的应用产生不了保护作用，且短路故障后无法应用，这一技术随着科技的不断传统的应用方式早已不能满足需要，其应用多与其他装置共同使用实现功能。

热继电器的接线图

4.2 温度继电器的保护技术

温度继电器保护技术主要应用双金属片设计的盘式继电器，它具有显著的优点，但其也存在一定的问题，因其动作缓慢、返回时间较长，所以在车辆工业很少利用这项技术，而主要应用于空调压缩技术上。

温度继电器不同于热继电器，温度继电器采用的是装电机内部温度变化应用的动作实现，但热继电器则应用在了动力线上依据流热效应实现的。这一保护技术在车辆电机应用较少，但在电动汽车领域已于其他技术结合产生了一些新的应用。

4.3 电子式控制保护技术

伴随着信息时代进入到生活各个领域，在车辆电机的电子式保护装置应用的是集成电路、微处理器实现，其特点是实现了断相保护、温度保护、监测保护等多功能的设计。电机利用电压、电流检测取样和三相不平衡原理进行断相保护，此保护原理是由电子分离元件或集成电路构成的。电机工作电压往往受到电压波动、网络负荷不平衡等因素的影响而使其不不易平衡，易出现误动且断相的保护范围小。

5 结论

本文基于分析工业车辆交流异步电机的额定与许用电流间关系，探讨了电动叉车等的理念、电动叉车等的驱动技术、交流电机驱动的优势，以及以实践结果电流为基础探讨了电机保护，包括热继电器的原理与技术、温度继电器的保护技术、电子式控制保护技术等，由实践数据可知，工业车辆用交流电机最大许用电流为额定电流的3倍。

参考文献

[1]权全，孙永军.实用可靠的电动机保护器[J].矿山机械，2001（11）.

[2]杨爱萍，伊维斌，韩笑.关于IGBT驱动电路的性能分析[J].煤炭技术，2001（3）.

[3]段卫东.三相异步电机的断相与过流保护[J].世界采矿快报，2000（Z2）.

[4]周义刚，张正臣，王银顺，肖立业.YBCO超导带材交流过流冲击下的稳定性[J].稀有金属材料与工程，2008（S4）.

交流电动机的应用篇5

[关键词]数控系统伺服电机直接驱动

近年来，伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。

一、数控机床伺服系统

（一）开环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。

（二）全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。

（三）半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

二、伺服电机控制性能优越

（一）低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，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。

（二）控制精度高。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。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

（三）过载能力强。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。

（四）速度响应快。步进电机从静止加速到额定转速需要200～400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快，例如松下MSMA400W交流伺服电机，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。

（五）矩频特性佳。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下降，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。三、伺服电机控制展望

（一）伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。80年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。

另外，先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器，其传感器具有小于1μs的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑，改进了电动机的磁路设计，并配合高速数字伺服软件，可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。

（二）交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。使用滚，珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。但滚珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来，高速高精的大型加工机床中，应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态响应性能更佳，运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动，不需中间机械传动，减小了机械磨损与传动误差，减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍，最高响应频率达100Hz，还有较大的发展余地。当前，在高速高精加工机床领域中，两种驱动方式还会并存相当长一段时间，但从发展趋势来看，直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。

参考文献：

[1]《交流伺服电机控制技术的研究》，中国测试技术，郑列勤，2006.5.

[2]《数控机床及其使用维修》，机械工业出版社，卢斌，2005.2.

交流电动机的应用篇6

【关键词】变频器;技术;电动机;性能;策略

1.变频器的作用与组成

变频器，也称为变频驱动器或者驱动控制器。变频器是可调速驱动系统的一种，是应用变频驱动技术改变交流电动机工作电压的频率和幅度，来平滑控制交流电动机速度及转矩，最常见的是输入及输出都是交流电的交流/交流转换器。

1.1 变频器的作用

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，应用广泛。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，从而改变其运动磁场的周期，达到平稳控制电动机转速的目的。变频器将调速控制简单化。变频器可以优化电动机运行，能有效起到增效节能的作用。

1.2 变频器的组成

变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由整流单元、高容量电容、逆变器和控制器四部分组成。

整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。

高容量电容：存储转换后的电能。

逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。

2.控制策略中的技术方式

2.1 补偿技术

补偿技术在开环控制中是必不可少的。它包括力矩补偿、滑差补偿和死区效应补偿。在低频时定子电阻的压降相对于变频器输出电压来说已经不能忽略，必须进行补偿，否则输出电压不够，电机在低频时不动或者转速明显下降。滑差补偿主要是针对电机在负载较大时实际输出转速会低于设定的转速而设计的。

死区效应补偿技术在开环控制中占有很重要的作用，它能有效的提高输出电流波形的平滑度和减小谐波，同时能够提高输出电压的有效值和减小电机电流的振荡。特别是在要求静音的环境下，人为的提高载波频率，如果没有死区补偿，在低频时电机即使空载也可能不能运行。目前比较常用的死区补偿技术有电流过零点直接补偿法，基于定子磁场定向的电流分解方法，死区电压脉冲宽度补偿方法，无电流传感的死区时间预测补偿方法等。

2.2 电流振荡抑制技术

交流电机在PWM方式供电的条件下在电机轻载或者空载的时候由于某些原因电机会在一个比较宽的频率段系统会出现局部不稳定现象，这时电流幅值波动很大，输出频率也会有一定改变，电流的振荡有可能会导致系统因为过电流而误触发报警，使系统不能稳定可靠的工作。对死区效应进行补偿后可以有效的减少振荡的幅度，但是还不能从根本上抑制振荡。有效的办法是当振荡发生时，相应改变实际输出的频率或者电压，通过电流形成一个简单的负反馈系统，达到抑制振荡的目的。

2.3 简单磁通矢量控制方法

简单磁通矢量控制方法是在普通v/f控制的基础上对电机电流进行了控制，具体表现在通过把变频器输出的电流进行矢量分解计算得到力矩电流分量和励磁电流分量，然后调节电压使电机电流和负载力矩相匹配，从而改善低速力矩特性。

2.4 基于无速度传感的矢量控制技术

无速度传感矢量控制技术需要注意以下几方面：

（1）电流及电压信号的检测和信号处理技术

其中信号的处理技术主要是对检测到的电流电压信号如何进行有效精确的滤波，既能重现有效信号同时不产生幅值衰减和相位滞后。比较实用的方法有简化的扩展卡尔曼滤波器，形态滤波器等。

（2）定子电阻的在线调整问题

定子电阻阻值在电机运行时随着温度升高有很大的变化，最大变化可以达到额定值的150%，如何在运行中在线检测定子电阻，同时调整相应的控制量，对系统性能的影响是很重要的。

（3）死区效应的补偿技术

（4）建立精确的动态电机模型问题

在线或者离线测得的电机参数只是在某一时刻得到的，如果参数在运行中发生变化，电机的模型也应该相应的改变，以达到最佳的控制效果。目前实用研究中使用的较多的是模型参考自适应的方法。

（5）逆变器模型的重构问题

主要是针对在极限情况下0hz运行时提出的。这种情况下功率器件的饱和压降和集电极电流的时间关系都要加以考虑。

3.PWM调制策略的技术方式

3.1 SPWM法

SPWM法从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。方法是以一个正弦波作为基准波，用一列等幅的三角波与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。

3.2 SVPWM法

SVPWM法是从电动机的角度出发的，着眼点在于如何使电动机获得圆磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链因为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成PWM波。逆变器的开关模式有8个空间电压矢量，其中v0、v7为零电压矢量。

3.3 不连续的SVPWM策略

同时改变SVPWM方法中零矢量v0和v7在脉宽分配中的位置，使开关动作的次数减少，即为不连续的SVPWM方法。

3.4 随机脉宽调制技术

随机PWM的基本思想是用一种随机的开关策略代替常规PWM中固定的开关模式，以使逆变器输出电压的谐波频谱均匀地分布在一个较宽的频率范围内，达到抑制噪声和机械振动的目的。目前有三种可行的rpwm方案【32】：

（1）随机化开关频率

在传统的spwm中，使三角载波的斜率随机变化，那么每周的开关次数可随机变化，从而达到开关频率随机的目的。

（2）随机化脉冲位置

在这种方案中，随机量是开关信号脉冲在每个通断周期内的位置。最简单的是只有两位随机选择，一种在开始，一种在结束。

（3）随机开关

随机波与正弦参考信号相比，比较的结果形成了数字RPWM信号。

3.5 过调制技术

过调制技术主要是在空间矢量脉宽调制基础上来实现的一种技术。对高性能交流传动系统来说，如何充分利用直流电压，以获得最大输出电磁转矩是一个很重要的因素。尤其是在弱磁阶段时，为了获得足够的电压，有必要控制逆变器工作在过调制范围。传统的SPWM控制时逆变器输出电压只能达到方波工况的78.54%，而空间矢量脉宽调制（SVPWM）能够将输出电压提高到方波工况时的90.69%，为了获得更大的输出电压，逆变器必须工作在过调制区，直至达到方波工况。输出电压矢量调制方法通常有两种方法：双模式控制、单模式控制。

4.总结

通过合理方式方法，改善变频器性能。通过通用的硬件平台上运用软件实现，有利于模块化和集成化。既利于设备的安全可靠运行，又利于节约能源。

参考文献

[1]刘美俊.变频器应用与维修[M].中国电力出版社，2013.

交流电动机的应用篇7

关键词：步进电机；伺服电机

中图分类号：F407 文献标识码： A

一、步进电机与伺服电机的区别

步进电机是一种离散运动的装置，它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。就整个运动控制系统而言，步进系统是个开环系统（如图2-1），而伺服系统是个闭环系统，在现在的通用设备中，又分为半闭环系统（如图2-2）和全闭环系统（如图2-3），还有混合闭环位置伺服系统（如图2-4），通过简单示意图，相信对他们两种不同的运动控制系统就有了粗略的印象了。现就二者的使用性能作详细的比较。

图2-1 开环位置的步进系统

图2-2 半闭环位置伺服系统

图2-3 全闭环位置伺服系统

图2-4 混合闭环位置伺服系统

1、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，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步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三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。对于带标准2500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°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。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（FFT），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。以松下交流伺服系统为例，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。

图2-5步进电机与伺服电机过载能力图

5、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

6、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

图2-6 伺服电机响应频率图

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

二、交流永磁同步伺服电机与直流伺服电机的区别

伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机。

交流同步伺服电机原理：几乎都采用三相交流永磁结构（如图3-1），初级多为硅钢叠片铁心和绕制于其中的三相绕组，次级也多有硅钢叠片铁心以及或标贴于其上或内插于其中的永磁体。驱动多采用基于电压型逆变功率回路的SVPWM方法，多采用矢量控制，以保证初级绕组产生的旋转磁场始终与次级转子永磁体形成的磁场正交，从而获得最佳出力状态。控制为交-直-交调压调速系统。

图3-1 交流伺服电机结构 简图

图3-2 直流伺服电机结构 简图

直流伺服电机分为直流有刷伺服电机（如图3-2）和直流无刷伺服电机，前者控制原理和电机结构和普通直流电机类似，主要为控制定子电枢的电压来调速。

直流无刷伺服电机与交流伺服电机原理和结构上较为类似，他们的区分是：永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。

在实际应用当中，交流永磁同步伺服电机和直流伺服电机的主要区别列表如下：

三、交流永磁同步伺服电机的实际应用

经过以上的论述，可以看出，交流永磁同步伺服系统有着很大的优势，同时在实际应用当中，我们也慢慢地发觉它在自动化控制中发挥着极大的作用，由此，它肯定会有很大的市场空间和广泛的应用。首先，让我们来熟悉一下它在自动化控制系统中的结构，简单的说，就是我们是怎么控制它的，怎么使用它的，我们以日本P产品为例，进行慢慢论述。

（一）选型

既然说伺服驱动系统在现代数控技术中起着举足轻重的作用，其性能、精度的高低直接影响到机械运行效果。那么选怎么样的伺服系统才能发挥其所能呢？选伺服需要考虑哪些方面的参数呢？如何计算这些参数呢？至少在选用伺服系统之前必须要考虑以下几个基本方面：

1、伺服驱动系统的综合性能：随着伺服在各种数控设备上应用，现在国产的伺服也冲击了日系的不少市场，但要完全说国产的性能替代日系还尚需时日。

编码器的分辨率：市面上一般有增量式2500线和13位的， 2500线的经过驱动器的四倍频后能达到10000的分辨率，相当于电机转一圈需要10000个脉冲，也就是说0.036度/脉冲，其实在通用机械中，这个分辨率也就足够了。

2、定位精度和时间：首先，要了解影响机械精度的因素有如下几个方面：1）、电气方面：电机性能（一般不会有问题，除非轴承松脱）；编码器分辨率；控制增益（驱动器可以调整）；温度漂移（很少见）；外部噪音（可以通脱噪声滤波器消除）。

3、机械方面：运动部件的磨损；间隙；驱动机构的滑动；常年摩擦损失。

其次，定位时间由上位机的处理程序时间和伺服系统的响应频率决定。现在的伺服很大一部分响应可以达到1000HZ。

4、负载及电动机系统性能

伺服系统包括了驱动和电机，作为自动化系统中比较重要的组成部分，涉及到机械、电气的性能，同时又作为重要的执行机构，起到承上启下的作用，它的好坏直接影响到真个自动化系统的性能。那么电机所带的负载也直接影响着电机所要发挥的作用，什么样的负载就得配什么样的电机，下面将详细介绍如何选定合适的容量的伺服电机。

1）在实际的推广和应用中，经常碰到一些工程师还是用选普通电机的方法来选择伺服电机，也就是从电动机的输出功率、转速、保护方式三个方面来考虑，却忘了重要的一点，也是伺服电机的特点：在额定转速之内，电机是恒扭矩输出的，这个扭矩就是每个型号伺服电机的额定扭矩，这和普通电机是完全不同的，这也是我们为什么要用伺服电机的一个原因。

2）伺服电机还有个重要特点就是能在一些频繁启动-停止的场合应用，在加速和减速的时候输出3-5倍的额定转矩，电流成比例地上升，电动机的发热也会和电流有密切的关系，不过在P产品中，只要温度不达到100°C，电机性能基本不受影响。

3）在选择伺服电机型号的时候，不能单单考虑电机的功率，必须充分考虑负载机械所要求的运动模式和转矩模式，如图所示：

图4-2 运动模式和转矩模式

这就会涉及到电动机的一个重要参数，就是额定转矩和额定转速，每个厂家都会有所不同。

4）在实际应用中，额定转矩和速度均满足要求，但在运行中，却经常发现机械定位不准确和振动大，这就涉及到一个非常重要的参数就是机械系统的等效惯量，这个参数要和电机的转动惯量要匹配好，最好不要大于电机的标称惯量的5倍，不然，效果会不理想。那么等效惯量是如何计算的呢？从转子的惯量大小来看，通常，交流伺服电机一般分为超低惯量、低惯量、中惯量、大惯量等几个档次，在负载机械起、停频繁的场合，可以选择惯量小的电机，在要求低速运行平稳而不是频繁起停时，选惯量较大的伺服电机比较合适，这和小车起步快，大货车起步慢有着类似的道理。

综合以上内容，在选伺服电机时可以按以下步骤来进行选择：

（二）电器控制

伺服电机及其放大器是整套自动控制系统中的执行机构，真正要实现控制，还需要上位机给它指令，上位机大致有的是PLC、有的是专用的运动控制板卡等。而按不同输入控制信号分类又分为位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式，他们的框图如下：

图4-4位置控制模式

图4-5速度控制模式

图4-6转矩控制

四、伺服电机的安装注意事项：

（一）伺服电机油和水的保护

A：伺服电机可以用在会受水或油滴侵袭的场所，但是它不是全防水或防油的，因此伺服电机不应当放置或使用在水中或油浸的环境中。

B：如果伺服电机连接到一个减速齿轮，使用伺服电机应当加油封，以防减速齿轮的油进入伺服电机。

C：伺服电机的电缆不要浸泡在油或水中。

（二）伺服电机电缆应减轻应力

A：确保电缆不因外部弯曲力或自身重量而受到力矩或垂直负荷，尤其是在电缆出口处或连接处。

B：在伺服电机移动的情况下，应把电缆（就是随着电机配置的那根）牢固地固定到一个静止的部分（相对电机），并且应当用一个装在电缆支座里的附加电缆来延长它，这样弯曲应力可以减到最小。

C：电缆的弯头半径做到尽可能大。

（三）伺服电机容许的轴端负荷

A：确保在安装和运转时加到伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在每种型号的规定值以内。

B：在安装一个刚性联轴器时要格外小心，特别是过度的弯曲负荷可能导致轴端和轴承的损坏或磨损。

C：最好使用柔性联轴器，以便使径向负载低于容许值，此物是专为高机械强度的伺服电机设计的。

D：关于容许轴负载，请参阅伺服电机技术手册“容许的轴负荷表”。

（四）伺服电机安装注意

A：在安装/拆卸耦合部件到伺服电机轴端时，不要用锤子直接敲打轴端，否则容易由于力的传导直接把编码器敲碎。

B：竭力使轴端对齐到最佳状态（对不好可能导致振动或轴承损坏）。

（五）伺服放大器的维护

A：安装在防潮、通风的电柜里面。

B：定期对放大器进行除尘。

C：定期检查冷却风扇，以免过热导致原件损坏。

参考文献：

[1]郭庆鼎，孙宜标，王丽梅 编著 现代永磁电动机交流伺服系统 中国电力出版社

[2]秦忆 等编著 现代交流伺服系统 华中理工大学出版社

[3]胡崇岳 主编 现代交流调速技术 机械工业出版社

[4]龚仲华 著译 交流伺服驱动从原理到完全应用 人民邮电出版社

交流电动机的应用篇8

关键词：纯电动汽车；电机控制；发展概况；趋势

中图分类号：TM38 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）06－0051－02

1 研究的背景及意义

1.1 研究的背景

随着资源与环境双重压力的持续增大，电动汽车已成为未来汽车工业的发展方向。电动汽车具有环保、节约、简单三大优势，这在纯电动汽车上体现尤为明显：以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需变速箱。相对于变速箱，电机结构简单、运行可靠。

随着国家节能与新能源汽车补贴政策的出台，我国重点扶持纯电动汽车的战略路线基本确定。当前市场在售或即将进入市场的纯电动汽车基本都是高端电动车，价格大都在15万元以上，甚至有的达到20多万元，即便是享受国家补贴，但大部分人还是觉得价格偏高，同时担心充电设施不配套及电池的续航里程短等问题，导致企业已上“公告”的纯电动汽车迟迟无法推出市场，个别已上市的产品也得不到消费者的认可，“热政策”遇到了“冷市场”。相反，低速电动汽车因为价廉物美，得到了不少消费者的青睐。在山东、河北、河南、浙江等地一些城镇，节能环保低速纯电动汽车已形成一定的规模，数量日益增长。

1.2 研究的意义

发展低速电动汽车具有长远的战略意义。从现实角度来看，低速电动汽车是推动我国电动汽车产业化、开启电动汽车大规模消费市场的最佳产品；从长远发展来看，通过低速电动汽车的技术升级提升高端电动汽车的核心技术。相信国家行业主管部门会在立足国情的基础上，出台低速电动汽车标准法规，引导低速电动汽车行业的规范发展，为低速电动汽车健康发展营造良好的市场环境。

2 纯电动汽车用电磁型电机分类介绍

纯电动汽车用电磁型电机大致可以分为直流电机和交流电机，交流电机包括交流异步电机（感应电机）和交流同步电机。车用交流同步电机一般是永磁同步电机或是开关磁阻电机。当永磁同步电机工作在方波换向模式时，又常称为无刷直流电机。

2.1 直流电机

直流电机由定子、转子、换向器和电刷组成，定子上有磁极，转子有绕组，通电后，转子上也形成磁极，定子和转子的磁场之间有一个夹角，在定转子磁场的相互吸引下，使电机旋转。直流电机商品化历史最长，控制简单且具有优良的电磁转矩控制特性，串励直流电机、他励直流电机、永磁（有刷）直流电机控制系统至今仍在电动车辆中大量应用，缺点是电机本身结构复杂，机械换向，有电刷的维护问题，换向的电火花会产生严重的电磁干扰，高速可能有环火，不适宜高速运行，体积偏大，防护差。鉴于缺点众多以及其他电机驱动系统的迅速发展，可以预见，直流电机将逐步被淘汰。

2.2 交流异步电机

交流异步电机由定子和转子构成，简单坚固，成本较低。在运行时，定子通过交流电而产生旋转磁场，旋转磁场切割转子中的导体，在转子导体中产生感应电流，转子的感应电流产生一个新的磁场，两个磁场相互作用则使转子转动。

3 电机控制技术发展概况

3.1 交流异步电机控制发展迅速

交流异步电机控制复杂，近年之所以得到迅速推广，主要得益于电力电子技术、微处理器技术和交流电机控制技术的发展。交流异步电机的控制方式包括V/f控制、滑差频率控制、矢量控制（磁场定向控制和直接转矩控制）。20世纪90年代前常用前两种，但存在转速控制范围小，转矩控制特性不理想的问题，近年来，为得到最佳的控制性能，高端电机控制器一般都采用矢量控制技术。

3.2 永磁同步电机应用广泛

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成，磁场相互作用使转子转动。永磁同步电机具有效率高、转矩和功率密度大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点。

3.3 无刷直流电机成本优势明显

无刷直流电机多为表贴式永磁同步电机，但一般基于Hall反馈采用方波换相控制，大大降低了控制器成本，但因受限于转子位置分辨精度差（±30电角度）、控制策略过于简单以及极差的高速弱磁性能，较少作为车用中置驱动电机。

3.4 开关磁阻电机应用受限

开关磁阻电机的定子和转子铁心均由硅钢片叠压而成定，转子冲片均有一齿槽，构成双凸极结构，依定子和转子片上齿槽的多少，形成不同的极数。开关磁阻电机的工作原理遵循“磁阻最小原理”――磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因此，由磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。

4 国内外发展趋势

4.1 基于成本分析

对低压（100VDC以内）、微型、低速（最高70 km/h）纯电动汽车的应用，考虑市场成熟度和成本因素，应优先考虑交流异步电机控制系统，未来可逐渐向内置式永磁同步电机控制系统过渡。

4.2 国内外主流车用低压控制器厂家

目前，中国市场上供应的车用低压交流电机控制器产品的公司主要包括：

（1）国际上专业提供电动车辆交流控制器的厂商，如美国Curtis、英国Sevcon、意大利ZAPI、意大利SME、美国Danaher、英国PG，这些企业在电动车辆领域积累多年，有成熟的产品，但并非专门针对电动汽车应用，很多产品的市场定位仅为交流电控叉车领域。

（2）国内专业从事电动车辆电机控制器研发生产的公司，如深圳大地和、北京时光科技、上海电驱动、天津松正（提供永磁同步电机控制系统）、上海大郡，交流电机控制器一般在2010年以后研发完成或正在研发之中，功能不够全面，性能不够高、也不够稳定。

（3）国内从事工业用交流电机控制器研发生产的公司，成立车用电机控制器的事业部，如汇川技术。由于车用低压交流控制器与工业用变频器在技术上有一定的相通性，汇川技术利用它在交流电机控制方面的技术优势以及批量生产能力迅速开发出车用交流电机控制器并将其推向市场，但因为企业进入电动汽车领域的时间不长，对需求的把握还有所欠缺。

可见，车用低压交流控制器的市场成熟度不高，未来随着微型汽车电机驱动系统需求量的逐渐增大，相信越来越多的企业会加入到研发、制造车用低压交流控制器的行列中。

4.3 交流电机控制技术的飞跃发展

交流异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，这也是其控制难的根源所在。过去的标量控制方法（如V/f控制、滑差频率控制）都是从电机稳态方程的角度研究其控制特性，因此保持定子、气隙或是转子磁链恒定仅有稳态下成立，动态控制效果很不理想。而矢量控制从TM坐标系（M轴按转子磁链的方向定向）下的交流异步电机模型出发，采用矢量变换的方法研究电机的动态过程，不仅控制电流、磁链变量的幅值，同时控制其相位，并利用现代控制理念，巧妙实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，促成了高性能交流异步电机控制系统的出现，控制性能完全可以媲美有刷直流电机。可以说，矢量控制是交流电机控制技术的一次飞跃。随着微处理器技术的发展，数字控制芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这为实施复杂的交流电机控制算法提供了硬件支撑。

5 结束语

目前，可以确定的是，直流电机将逐步被交流电机取代，开关磁阻电机应用还不成熟，然而交流异步电机、永磁同步电机孰优孰劣还难下定论。近年来，在批量生产的日本电动汽车车型上以内置式永磁同步电机为主流，而美、欧开发的电动汽车多采用交流异步电机。

参考文献：

［1］侯卓生.异步电动机的矢量控制与四种新型DSP处理器［J］.西北民族学院学报（自然科学版），2001（03）.

The Development Profile and Trend of Pure Electric

Vehicle Motor and Control Technology

Gu Yan

Abstract: The pure electric vehicle has become the future development direction of the automotive industry, and micro, low－speed and short－range pure electric passenger vehicle is more suitable for universal. With its popularity, the market demand for low－voltage AC motor controller will be increasing. Therefore, research on the development profile and trends of micro－pure electric car with the motor and control technology will provide an important reference for the development of electric vehicle industry.