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1、基于FPGA的交流异步电动机变频调速系统摘要纵观生活各个领域，在变速这一方面，大多采用的是电动机的调速。直流电动机调速性能优越，平滑性好，在以前一直是调速应用中的主角。然而，直流电动机也有其固有的缺点：电刷易损坏，更换麻烦，运行不够稳定。于是人们希望用运行稳定，价格低廉的交流异步电动机来实现调速。随着电力电子技术的发展，用交流异步电动机来调速的愿望已经实现。其中尤以变频调速收到关注。变频调速性能优越，甚至可以与直流电动机的调速性能想媲美。设计引入先进的FPGA，作为其核心控制芯片。FPGA是今年来逐渐崭露头角的集成电路，有其独特的优势：简洁、低成本、高速度、功耗小、全集成化、适应性强、便于开发
2、维修等。系统同时采用SPWM专用芯片SA4828。SA4828是大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM波形。本文用FPGA控制SA4828产生三相SPWM波来控制逆变电路，从而实现对三相交流异步电动机的调速。关键词：FPGA，SA4828波形发生器，三相交流异步电动机，变频调速 SPWMThe Variable Frequency Speed Regulation System of AC Induction Motor Based on FPGAABSTRACTThroughout Life in all areas, in terms of the variable speed, the
3、 motor speed is mostly used. For DC speed control performance is superior, smooth and good, and it has been the protagonist in the application of speed before. However, DC machines also has its inherent disadvantages: Flimsy brush, cumbersome replace, less stable operation. So people hope to use com
4、munication asynchronous motor ,which is more stable and cheaper, to realize speed. Along with the development of power and electronic technology, the desire of using AC induction motor speed has come true. Especially the frequency control receive is paid close attention. Frequency control performanc
5、e is predominant which even can be compared favourably with the adjusting speed characteristic of DC Motor .The introduction of advanced FPGA and the central control chip is designed. FPGA is the up-and-coming integrated circuitry this year, it has unique advantages: simple, low cost, high speed, po
6、wer consumption is small, monolithic integration, strong adaptability, facilitate development service and so on. System adopts the special chip SPWM SA4828. SA4828 is large scale integrated circuit dedicated to produce three-phase SPWM wave.This paper uses the FPGA to control SA4828 SPWM wave produc
7、ing three-phase inverter circuits to control, so it can realize the three-phase ac induction motor speed.Keywords: FPGA，SA4828 Wave Generator，Three-phase AC induction motor ， Frequency Control，SPWM目录1 绪论11.1 变频调速技术简介11.2 变频器的发展现状和趋势21.2.1 变频器的发展现状21.2.2 变频器技术的发展趋势21.3 电力电子技术的发展对数字控制的影响31.4 研究的目的与意义5
8、1.5 本次设计方案简介61.5.1 变频器主电路方案的选定61.5.2 控制电路简介71.5.3 设计说明书的组织结构71.6 本章小结82 交流异步电动机92.1 交流异步电动机92.1.1 交流异步电动机的结构92.1.2 交流异步电动机的工作原理112.2 交流异步电动机的额定参数112.3 交流异步电动机的工作原理122.4 交流异步电动机的调速152.5 本章小结173 FPGA数字系统183.1 FPGA简介183.1.1 FPGA与CPLD183.1.2 FPGA 的结构183.1.3 FPGA的特点203.1.4 FPGA的基本原理203.2 FPGA的设计流程213.3 开
9、发工具简介223.4 Verilog HDL 语言233.4.1 Verilog概述233.4.2 Verilog HDL的主要能力233.4.3 Verilog的基本结构253.5 本章小结264 SPWM技术274.1 SPWM调制技术简介274.2 U/f补偿控制方式294.3 其它控制方式314.4 SPWM 波的生成芯片及其特点324.4.1 SA4828的特点324.4.2 SA4828的管脚及其功能324.4.3 SA4828内部结构及工作原理344.4.4 SA4828的参数设置354.5 本章小结395 系统的硬件实现405.1 系统的整体设计405.1.1 系统结构框图40
10、5.1.2 系统整体原理图415.2 主电路425.3 过流保护电路445.4 欠电压、过电压保护445.4.1 过电压保护电路455.4.2 欠电压保护电路465.5 隔离驱动电路465.6 隔离电源475.7 速度反馈475.8 外围电路485.8.1 配置电路495.8.2 时钟电路495.8.3 复位电路505.8.4 存储电路505.9 本章小结506 系统软件实现516.1 控制流程图516.2 实验结果536.2.1 电压频率曲线536.2.2 转速频率曲线536.3 本章小结537 结论54参考文献55致谢571 绪论1.1 变频调速技术简介 变频调速技术是一种以改变交流电动机
11、的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。众所周知，在当前，不管是哪一种机械调速，都是通过电动机调速来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机两种。由于直流电机调速比较容易实现，性能较好，所以过去生产机械的调速大多数是直流电动机。但直流电机也有其固有的缺点，比如：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷需要经常拆换，费时费工，增加了成本，给人们带来太大的麻烦。因此人们设想能不能让简单可靠又廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速呢。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信
12、息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢1。变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。但如何得到一个单独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。20世纪60年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。这个时期的变频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合2。
13、20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步，开始出现了通用变频器。它功能丰富，可以适用于不同的负载和场合，特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。随着变频器的专用大规模集成电路、半导体开关器件、传感器的性能越来越高，进一步提高变频器的性能和功能已成为可能。现在的变频器功能很多，操作也很方便，其寿命和可靠性也较以前有了很大的进步。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将5
14、0Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等3。 本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。 1.2 变频器的发展现状和趋势1.2.1 变频器的发展
15、现状进入90年代，通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。此外，变频技术和变频器制造己经从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力，使之目前己经进入了高新技术行业。就变频技术而言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等国家可以说是齐头并进，不分伯仲。在这一领域的研制、生产方面，220KW功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断，如德国的西门子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，美国的AB.OE公司、欧洲的ABB等。中小容量的变频器85%为日本
16、产品和台湾产品所占领，如富士(FUJI),三垦( SAMCO )、东芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及台湾的台达。由于这些国家、地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强，所以他们生产的变频器适应范围广，生产己经初具规模变频器应用普及率在85%以上。我国的变频器深圳华为电气(现己经改名安圣电气)、伴灵电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器研究、开发、生产的高新技术企业，拥有雄厚的技术实力，相信不久的将来可以取代国外品牌，创建我们自己的国产名牌。1.2.2 变频器技术的发展趋势在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为S
17、iC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展4：1）网络智能化 智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。2）专门化和一体化 变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用
18、变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。3）环保无公害保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。4）适应新能源现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中
19、体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。1.3 电力电子技术的发展对数字控制的影响电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到现在的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠
20、性。但正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等不足。用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过软件程序的改变方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。在电力电子电路中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电流电压调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。单片机控制克服了模拟电路的固
21、有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，并可实现多种灵活的控制功能。但单片机的工作频率和控制精度是一对矛盾，而且运算和处理速度难以满足高频电路、高速变化的要求。与单片机相比，DSP具有更快的处理速度、更高的集成度和更大容量的存储器。在电力电子装置中，DSP主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。应用的具体电路包括双向DC/DC变换器、逆变电源、光伏发电逆变器、UPS逆变控制电路、交流电机调速电路、谐波抑制电路等。虽然 DSP有许多优点，但也存在一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及其精度等。这些因素会或多或少地影响电路的
22、控制性能。比较而言，DSP适合用于取样速率低和软件复杂程度高的场合；而当系统取样速率高(MHz级)、数据率高(20MB/s以上)、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。FPGA已用于逆变器控制系统、直流电机调速、PWM控制等。目前单片机、DSP、FPGA等在电力电子电路的控制系统中得到了日益广泛的应用。随着电力电子电路的日趋高频化和复杂化，这些芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果，因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势：l)单片机+DSP结构 比如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用单片机，而DC/AC的控制则采用运算速度和频率更高的 DSP 芯
23、片。2) DSP+FPGA结构 DSP具有软件的灵活性，而FPGA具有硬件的高速性，能够处理复杂算法。因此，本结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。3)嵌入DSP模块的 FPGA将具有基本数字信号功能的DSP模块嵌入到FPGA中，这样FPGA提供的 DSP 性能可以达到每秒1280亿次MAC(乘法并累加)，这将大大高于目前主流 DSP 的性能5。数字化控制己广泛应用于电力电子电路的各个方面，满足了电力电子电路日趋高频化和复杂化发展的需要，在提高系统效率、改善系统性能等方面发挥着越来越重要的作用1.4 研究的目的与意义在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要
24、调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，
25、使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽
26、调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。1.5 本次设
27、计方案简介1.5.1 变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。1）交-交型变频器 它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。2）交-直-交型变频器 交-直-交变频器是先把工频交流通
28、过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：a.电流型变频器：电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。b.电压型变频器：电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行
29、几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。1.5.2 控制电路简介由FPGA控制SA4828芯片产生所需要的SPWM波来控
30、制逆变电路开关管的通断，以此产生对称的SPWM波对三相异步电动机供电，实现对异步电动机转速的控制。具体电路见第五章。1.5.3 设计说明书的组织结构 设计利用 FPGA 的特点和优势，在电力电子变频调速技术领域中，应用 FPGA控制SPWM波专用芯片SA4828，来实现基于 SPWM 技术的变频调速数字控制系统的设计，围绕着系统设计的理论分析，系统的结构设计及最终的 FPGA 的实现进行研究，探索 FPGA 在电力电子变频调速技术领域中的应用前景。论文结构安排如下：第一章 绪论。简述设计的技术背景和主要研究内容。第二章 交流异步电动机。介绍了交流异步电动机的基本理论，工作原理，控制方法等。引出
31、变频调速是目前应用最广泛的交流电动机的调速方式。第三章 FPGA数字系统。介绍了FPGA的发展历史，主要应用领域，优势等等，并简要介绍了描述FPGA行为模型的硬件描述语言Verilog HDL。第四章 SPWM技术。介绍了变频的原理，方法。并着重介绍了设计用到的SPWM波专用芯片SA4828的结构及其控制方法。第五章 系统硬件设计。介绍了实现交流异步电动机变频调速的硬件系统。给出了主电路，和几种基本的保护电路原理图。第六章 软件设计。介绍了实现控制FPGA的控制流程，和实现交流异步电动机变频调速的描述语言。1.6 本章小结本章为整个设计说明书的统领章节，介绍了交流变频技术的发展背景和发展现状，
32、说明了使用变频调速的必要性，并引入了较为先进的FPGA作为主控制芯片，并介绍了电力电子技术的发展对数字系统的影响。最后给出了设计说明书的的组织形式，起到了一个提纲挈领的作用。2 交流异步电动机 2.1 交流异步电动机异步电机又称感应电机主要用作电动机，应用最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。异步电动机主要分为：鼠笼式异步电动机，绕线式异步电动机和各种控制用电动机三大类。按定子电源相数分，又可分为单相感应电动机，两相感应电动机和三相感应电动机。2.1.1 交流异步电动机的结构图2.1 交流异步电动机的结构三相异步电动机主要由定子和转子两大部分
33、构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电机气隙要小，一般为0.2 mm2mm。 定子主要由铁心、绕组与机座三部分组成。转机子主要由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。异步电动机结构如图一所示。下面分别介绍：1）定子部分 机座 机座用来支撑定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用
34、钢板焊接而成。 定子铁心 定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流损耗和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒形，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘。在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。 定子绕组 定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组，还要加放层间绝缘。 轴承 轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动
35、轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 2）转子部分 转子是电动机中的旋转部分，一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。
36、三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。笼型转子 线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能。笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组。绕线型转子 绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上
37、，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。 两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。一般电动机转子上还装有风扇或风翼，便于电动机运转时通风散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来。3） 气隙所谓气隙就是定子与转子之间的空隙
38、。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。2.1.2 交流异步电动机的工作原理定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。 若定子每相绕组由P个线圈串联，绕组的始端之间互差360/P，将形成P对磁极的旋转磁场。旋转磁场的转速（同步转速）可用下式表
39、示： (2.1)为同步转速，为电源的频率，p为电动机定子磁极的磁对数。转子绕组在旋转磁场下产生感应电动势，又由于定子绕组是自短路的，故定子中将产生感应电流。感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩)，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且与旋转磁场的转速有一定差别。这个速度差用转差率来表示 (2.2)为转子的转速。在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小，仅在001-006之间。2.2 交流异步电动机的额定参数三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额
40、定数据。主要的额定数据为：额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。 (2.3) 额定电压UN(V)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。 额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。 此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。
41、对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。 2.3 交流异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。以定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组为例。在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。定子旋转磁场 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。
42、现将三相绕组的末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接三相交流电源。且三相绕组分别叫做U、V、W相绕组。如下图所示。图2.2产生旋转磁场的电流条件假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iU的初相位为零，则三相绕组U、V、W的电流（相序为UVW）的瞬时值为： (2.4)图2.3 旋转磁场示意图当t=0时iU=0，iV为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2端流到V1端；iW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从W1端流到W2端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图a所示。当t=/2时ia为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从U
43、1端流到U2端。Iv、iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2、W2端流到V1、W1端；此时的合成磁场如图b所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 p/2。当t=p时iu=0，iv为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从v1端流到v2端。Iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从W2端流到W1端；此时的合成磁场 如图c所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了p。当t=3p/2时IU为负, 电流实际方向与正方向相反， IviW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从V1、W1端流到V2、W2端。此时的合成磁场如图d所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺
44、时针方向旋转了3p/2 。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。旋转磁场的旋转方向和速度 U相绕组内的电流超前V相绕组内的电流2 p /3，而V相绕组内的电流又超前W相绕组内的电流2 p /3，当三相交流电的UVW，旋转磁场的旋转方向为从UVW，即向顺时针方向旋转。在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。 。从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如
45、图所示的三相绕组。其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 p /2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为： (2.5)所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同
46、步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S，即 (2.6)转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。异步电动机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负，异步电动机有三种运行状态。电动机运行状态 所对应的转差率区间为：（)。特点是n与同方向，且，电磁转矩是驱动性质的，将电能转换为机械能。发电机运行状态 所对应的转差率区间为：（)。特点是n与同方向且，电磁转矩是制动性质的，将机械能转换为电能。电磁制动运行状态 所对应的转差率区间为：（）。特点是n与反方向；转子以高于同步的速度切割旋转磁场，电磁转矩是制动性质的，定子从电网吸收的电能和转子的机械能都变成电机内部的损耗而转换为热能6。2.4 交流异步电动机的调速由上节可知，交流异步电动机的同步速度与电源频率成正比，与磁极极对数成反比,即。故常见的异步电动机调速方法有：1） 变极对数调速改
