电机学笔记

电机学

电机的分类

电机种类繁多，性能各异。主要有两种分类方法

一、按能量传递、转换功能及用途分类

变压器：
- 主要功能是改变交流电的电压，同时也有改变相数、阻抗及相位的作用。
发电机：
- 将机械能转换为电能。
电动机：
- 将电能转换为机械能。
控制电机：
- 作为自动控制系统的控制元件。
- 电动机与发电机 在运行原理上是可逆的（取决于输入是机械能还是电能），电机还可以运行于其他多种状态。

二、按电机的结构特点及电源性质分类

变压器：
- 属于静止的、不旋转的电气设备。
旋转电机：
- 包含直流电机和交流电机两大类。交流电机根据结构的不同，又进一步细分为以下两种：
- 直流电机：电源为直流电的电机。
- 交流同步电机 ：运行中转速恒等于同步转速。电力系统中的发电机大多是同步电机。
- 交流异步电机 ：运行中转速不等于同步转速（有转差率）。异步电机主要用于电动机。

直流电机的用途、基本工作原理与结构

一、直流电机及其用途

1. 基本定义

直流电机是使机械能与电能相互转换的机械：

直流发电机：把机械能变为直流电能。
直流电动机：把直流电能变为机械能。

2. 历史与现状 电机发展史上，直流电机早于交流电机出现。目前发电主要依靠交流发电机，但在特定领域，直流电机依然有相当多的应用。

3. 直流电动机的四大优点 ① 调速范围广，且易于平滑调节。 ② 过载、启动、制动转矩大。 ③ 易于控制，可靠性高。 ④ 调速时的能量损耗较小。

4. 应用场景（侧重调速要求高的场所） 轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织、起重机、卷扬机拖动等方面。

5. 直流发电机的用途 作为直流电动机的电源，以及用于电解、电镀、电冶炼、充电、交流发电机的励磁等。

6. 主要缺点（瓶颈）

换向困难：限制了电机容量，极限容量约为 1 万千瓦左右。
成本与寿命：换向器（电刷）费工费料，造价昂贵；运行时需要经常维修，寿命较短，且易产生火花。

7. 替代与现代发展

直流电源替代：随着大功率半导体发展，电力整流元件（可控整流）在很多场合替代了直流发电机，但波形平滑度仍不及传统直流发电机。
电动机替代（嵌入式视角延伸） ：采用电力电子技术配合同步电动机，构成**"电子换向的无换向器电动机"（即嵌入式领域常见的 BLDC 无刷电机）**，可具备直流电机的优良性能，但尚未做到全面替代传统带机械电刷的直流电机。

二、直流电机的基本工作原理

核心物理机制： 直流电机绕组在恒定磁场中旋转，会感生出交流电 。再依靠换向装置（机械式换向器） ，将此交流电转变为电刷两端的直流电。

1. 直流电动势的产生（换向器的作用）

（图6-1） 说明：线圈 abcd 在恒定磁场中匀速旋转时，产生的是标准的交变电动势（正弦波形）。此时如果没有换向器，它就是一台交流发电机。

（图6-2） 说明：引入最简单的换向器（由两个相互绝缘的弧形导电片 1、2 组成）。
- 当线圈转至图6-2(a)位置时，电刷 A 接正向，B 接负向，输出正电动势。
- 当线圈转过180°至图6-2(b)位置时，内部感应电动势反向，但换向片与电刷的接触恰好互换，导致电刷 A、B 之间的电动势方向保持不变。
- 最终电刷间的电动势如**（图6-2(c)）** 所示，呈现脉动的直流电动势。

2. 脉动的减小（增加线圈数）

（图6-3） 说明：单个线圈导致的脉动很大。
解决办法 ：实际应用中，通过增加感应电动势的线圈数目。例如将 4 个线圈均匀分布在转子上，各线圈的电动势叠加后，脉动大大减小。
工程结论：如果每极下有 8 个线圈，脉动最大值或最小值与其平均值之差，甚至不到平均值的 1%，基本可以看作是理想的直流。

3. 平均电磁转矩的产生

（图6-4） 说明：考虑电动机状态，由电刷 A、B 通入直流电流。
核心结论 ：要想产生单方向的平均电磁转矩 ，导体位于不同极性（N或S）磁极下时，导体中流过的电流方向必须相反。
恰好，换向器 承担了这个关键任务：它将电刷外的直流电流 ，转变为线圈内部流通的交流电流，以此保证转子各导体受到的电磁力方向始终一致（如图6-4所示的逆时针方向），从而产生持续的平均转矩。

4. 直流电机的换向问题（核心痛点及改进）

（图6-5） 展示了线圈在换向时的电流变化波形。TK 为换向周期（约几毫秒），*TP 为电流持续周期（几十毫秒）。

换向火花产生的原因（三种因素）：
1. 电磁原因：换向时线圈中感生的电动势导致电流变化非线性（线性换向不产生火花，非线性则产生火花）。
2. 机械原因：换向器偏心、绝缘突出、表面不洁、粗糙、电刷压力不合适、接触不良等。
3. 物理原因：运行时表面形成的氧化亚铜薄膜遭到破坏，引起火花。
改善换向的方法：
1. 保证制造工艺，加强运行维护，消除机械原因。
2. 提高电刷质量。
3. 工程最常用方法（针对容量 > 1kW 的直流电机） ：在主磁极之间加装换向极，能有效消除换向不良的电磁原因，防止火花产生。
嵌入式中最常用的 BLDC（无刷直流电机） ，其核心思想正是"用电子开关 + 位置传感器"来替代这一章里容易出火花、寿命短的机械换向器和电刷。

三相异步电动机的结构和基本工作原理

一、异步电动机的用途与分类

1. 主要用途与应用领域 三相异步电机主要作为电动机使用，是生产生活中应用最广、需求量最大的动力设备。

工业：风机、泵、压缩机、中小型轧钢设备、金属切削机床、轻工机械、矿山机械等。
农业：水泵、脱粒机、粉碎机及农副产品加工机械等。
民用电器：电扇、洗衣机、电冰箱、空调等（通常由单相异步电动机拖动）。

2. 主要优点

结构与制造：结构简单、容易制造、价格低廉。
运行性能：运行可靠、坚固耐用、运行效率较高，具有适用的工作特性。

3. 主要缺点与应对

缺点：功率因数较差，运行时必须从电网吸收滞后的无功功率，功率因数总是小于 1。
应对：电网的功率因数可以通过其他方式进行补偿，因此这个缺点并不妨碍异步电动机的广泛使用。

4. 与同步电机的选型权衡

对于单机容量较大、转速又恒定的生产机械，通常采用同步电动机为好（因为同步电机的功率因数可调，甚至可使 cos⁡φ=1或超前）。
但这并不代表异步电动机不能拖动这类负载，实际工程中需根据具体要求进行综合分析比较来选定。

5. 别名与分类（图18-1）

感应电机 ：异步电动机运行时，定子接交流电，转子绕组短路，靠电磁感应 产生转子电动势、电流，进而产生电磁转矩，因此又被称为感应电机。
分类方式：
- 按定子相数分：单相、两相、三相异步电动机。
- 按转子结构分 ：绕线式、笼型（鼠笼型）。其中笼型又分为单鼠笼、双鼠笼、深槽异步电动机。

二、三相异步电动机的额定值

1. 额定参数（铭牌常见数据）

(1) 额定功率 PN ：电动机额定运行时，转轴输出的机械功率 ，单位是 kW 。 (2) 额定电压 UN ：：额定运行状态下加在定子绕组上的线电压 ，单位是 V 。。 (3) 额定电流 IN ：额定运行状态下，定子绕组中的线电流 ，单位是 A 。 (4) 额定频率 f ：我国规定工业用电频率为 50Hz 。 (5) 额定转速 nN ：电动机在额定电压和频率下，轴端输出额定功率时的转速，单位是 r/min 。 (6) 额定功率因数 cos⁡φN ：额定负载时，定子边的功率因数。 (7) 绝缘等级与温升。

(补充：对于绕线式异步电动机，铭牌上通常还会标明转子绕组的额定电动势 E2N 和转子额定线电流 I2N)

2. 额定转矩计算公式

在工程计算中，电动机的额定输出转矩由额定功率和额定转速决定：

公式说明 ：PN 的单位为 kW ，nN 的单位为 r/min ，计算出的额定转矩 T2N 单位为 N·m。

3. 定子绕组的接线方法（实际工程场景）

根据电动机铭牌和电源电压，接线方式有明确要求：

铭牌标有"380/220V，Y/D 联结"：
- 这种电机有6根引出线。
- 接线规则 ：当电源电压为 380V 时，必须接成 Y（星形） ；当电源电压为 220V 时，必须接成 D（三角形） 。绝不可乱接，否则会烧毁电机。
铭牌标有"380V，D 联结"（只有三角形一种接法）：
- 正常运行时必须采用 D 联结。
- 工程巧用（Y-Δ 降压启动） ：在电动机启动过程中 ，可以临时将绕组接成 Y 型 ，接在 380V 电源上（起到降压启动、减小启动电流的作用）。等启动完毕后，再恢复为 D 联结 投入正常运行。
高压电动机（只有3根引出线）：
- 只要电源电压符合铭牌规定，直接接对应电压电源即可。

同步电机的用途、基本类型与结构

一、12-1 同步电机的用途

1. 主要用途（作为发电机） 同步电机最主要、最核心的用途是作为发电机使用。现代社会使用的交流电能，几乎全部由同步发电机产生。

2. 用作电动机 同步电机也可作为电动机使用，主要适用于：

大功率、不要求调速的生产机械（如大型风机、水泵等）。
改善电网功率因数 ：还可以作为同步补偿机使用，它实际上是一台空载运行的同步电动机，通过调节励磁专门向电网发出感性或容性的无功功率，以满足电网的无功功率需求。

3. 现代新发展（无换向器电动机）

近年来，随着电力电子技术 的发展，变频器与同步电动机结合，组成了无换向器电动机。
（注：这在嵌入式领域非常关键，它就是用电子换向代替了直流电机的机械换向，可以得到与直流电机同等的性能，且容量、电压、转速更高，是如今主流高端电机控制方案的前身。）

4. 同步电机的核心工作原理

基本结构：定子（放置电枢绕组）和转子。
发电机状态：转子（装有励磁绕组和磁极）由原动机拖动旋转，通入直流电的励磁绕组产生恒定磁场，旋转磁场与定子相对运动，定子绕组中感应出交流电动势。
频率与极对数、转速的严格关系（核心公式）：当电机的极对数和转速一定时，发出的交流电动势频率是固定的。
电动机状态：定子通三相交流电产生旋转磁场，转子励磁绕组通直流电形成磁铁（磁极），旋转磁场带动磁铁（转子）同步旋转。

f 为频率*(Hz)* ，n 为转速*(r/min)* ，p为极对数

"同步"的定义 ：无论作为发电机还是电动机，极对数一定时，转速 n 与频率 f 之间保持严格的比例关系，这就是"同步"电机的含义。

二、12-2 同步电机的基本类型与结构

同步电机可按用途、结构、冷却方式、原动机类型等多种方法进行分类。

1. 汽轮发电机（高转速、隐极式结构）

运行特点 ：转速极高，通常为 3000 r/min 。（参考 （图12-1） 汽轮发电机的整体结构）。
转子结构（隐极式）：
- 为了在极高转速下固定励磁绕组，大容量汽轮发电机转子几乎全部做成隐极式 。无明显凸出的磁极。（参考 （图12-2） 隐极式转子装配图）。
- 尺寸限制 ：转子直径受离心力限制无法做得很大。为了增大容量，只能增加转子长度，因此汽轮发电机转子呈现细而长的圆柱体 。（参考 （图12-3） 转子铁心结构，转子开槽放入励磁绕组，形成大小齿）。
- 励磁绕组 ：用扁铜线绕成同心式线圈，放入槽内。（参考 （图12-4） 汽轮发电机励磁绕组）。
定子结构：
- 定子由导磁的定子铁心（减少铁耗，通常用0.5mm硅钢片叠成）、导电的定子绕组（由线圈连接而成）、机座等组成。（参考 （图12-5） 定子绕组，通常做成开口槽便于嵌线）。

2. 水轮发电机（低转速、凸极式、立式结构）

运行特点 ：由水轮机带动，转速较低（几十到几百转），因此转子采用凸极式结构，工艺比隐极式简单。
总体结构：立式结构。转子承受推力轴承承担重量。
- 悬吊式 ：推力轴承放在转子上部，稳定性好，用于转速高 的水轮发电机。（参考 （图12-6(a)））。
- 伞式：推力轴承放在转子下部，轴向长度小，可降低厂房高度，用于转速低 的水轮发电机。（参考 （图12-6(b)））。
转子与阻尼绕组：
- 转子由磁轭、磁极、励磁绕组、转子支架、转轴组成。磁极由钢板冲成后铆装。（参考 （图12-7） 磁极装配结构）。
- 重要零部件（阻尼绕组）：磁极极靴上还装有阻尼绕组，由裸铜条放入极靴槽内，两端用铜环焊在一起短路。主要作用是在电机转速接近同步速时，利用其产生异步转矩协助启动（即异步启动法）。

3. 中小型同步电机

范围：容量在几十到几千千瓦。可作为发电机、电动机或补偿机使用。
结构特点：
- 卧式为主。
- 定子铁心与异步机类似，外径<1m用整圆冲片，>1m用扇形片。
- 转子多做成凸极式，小容量大转速时也有用铸钢做磁轭。
- 极特殊的小容量结构（几kW）：有时将磁极放在定子上，电枢绕组放在转子上，引出三相交流电，可提高硅钢片利用率并节省钢材。

4. 同步电机的额定值（铭牌数据）

与异步电机类似，同步电机铭牌需标明以下额定参数： (1) 电机型号。 (2) 额定功率PN (kW)。 (3) 额定电压 UN* (V)。 (4) 额定电流 IN*(A)。 (5) 额定转速 nN (r/min) 。 (6) 额定功率因数 cos⁡φN 。 (7) 额定励磁电压 Uf (V) 和额定励磁电流 If(A)。（部分同步发电机使用半导体整流供给励磁，即自励恒压式）。 (8) 额定温升 (°C)。

直流电动机

一、9-2 直流电动机的运行原理与基本方程式

1. 直流电机的可逆原理（图9-1）

从原理上讲，同一台直流电机既可以作为发电机（机械能→电能），也可以作为电动机（电能→机械能），这就是可逆原理。

发电机状态 ：原动机拖动转子，使电枢感应电动势 Ea > 端电压 U ，电枢电流Ia 为正值，向电网输出电功率。
电动机状态 ：当原动机输入功率减为0，转速下降，导致 Ea<U ，此时 Ia 变为负值（实际方向变为由电网流向电枢），电机从电网吸收电功率，产生的电磁转矩 T 变为拖动转矩，驱动机械负载运行。(图9-1) 展示了这种发电/电动状态下的物理量正方向。

2. 直流电动机的基本方程式（电动机惯例）

为了计算方便，规定直流电动机的电压 U 和电流 Ia 均为正（表示从电源吸收电功率），基于这种"电动机惯例" (图9-2)，可推导出以下核心公式：

感应电动势（反电动势） ：Ea=CenΦ
电压平衡方程 ：U=Ea+IaRa (此公式表明：端电压被反电动势 Ea 和电枢电阻压降 IaRa 抵消)
电磁转矩 ：T=CTΦIa
转矩平衡方程 ：T=TL=T2+T0**(电动机产生的电磁转矩 T 与负载转矩 TL 平衡。TL包含输出的机械负载 T2 和空载损耗转矩 T0)
励磁电流 ：If=Uf/Rf
磁通关系：Φ=f(If,Ia)

3. 功率平衡关系（图9-3）

输入功率分配 ：P1=PM+pCu（输入电功率 = 电磁功率 + 电枢回路总铜耗）
电磁功率转换 ：PM=P2+p0 （电磁功率 = 输出的机械功率 + 空载损耗功率，空载损耗包含机械摩擦损耗 pme 和铁耗 pFe）。
总损耗与效率 ：总损耗 ∑p 包括励磁损耗、铜耗、铁耗及附加损耗。电动机效率为 η=1−∑p/p2 。(图9-3) 展示了清晰的他励直流电动机功率流程图。

二、直流电动机的工作特性与机械特性

1. 他励（永磁）直流电动机的工作特性（图9-4）

工作特性是指在 U=UN 、If=IfN 条件下，n,T,η 随电枢电流 Ia 变化的规律。(图9-4) 综合展示了此特性：

转速特性 n=f(Ia) ：由 n=(U−IaRa)/(CeΦn) 可知，当 Ia 增大时，转速 n 呈直线下降。他励电机转速降落较小，通常额定转速变化率在 2%~8% 之间（硬特性）。
转矩特性 T=f(Ia) ：电磁转矩 T 与电枢电流 Ia 成正比。实际中，由于电枢反应产生去磁效应，转矩特性会略微向右偏。
效率特性 η=f(Ia)：与发电机类似，效率曲线存在一个最大值。通常电动机运行在额定负载附近时效率最高。

2. 机械特性 n=f(T)n =f (T)（图9-5）

在 U 、Φ 一定的条件下，转速 n 与电磁转矩 T 的关系。由公式推导得出：

n0′：理想空载转速。
α ：机械特性的斜率。斜率越小，特性越"硬"，负载变化时转速波动越小。永磁/他励直流电机即为硬特性。
转速调整率：

。
(图9-5) 直观展示了斜率为负的硬机械特性直线。

3. 运行稳定性的判定（图9-6）

当负载出现扰动（转速微小增量 dn ）时，若产生的拖动转矩增量 dT<dTL（负载阻力矩增量），则机组会减速回到原平衡点，属于稳定运行。
若机械特性曲线上翘，可能出现 dT>dTL，导致转速偏离越来越大，属于不稳定运行。
(图9-6) 中的图 (a) 为稳定运行，图 (b) 为不稳定运行。工程上常采用添加**串励绕组（稳定绕组）**的方式防止曲线上翘。

4. 串励与复励直流电动机的特性（图9-7 ~ 图9-10）

串励直流电动机（图9-7）：
- 励磁绕组与电枢串联，Ia=If。气隙磁通 Φ 随 Ia* 变化。
- 特性（图9-8） ：具有非常明显的**"软特性"** 。当转矩 T 增大时，转速 n 急剧下降。
- 致命缺陷 ：不允许空载运行（或皮带传动）。空载时 T 极小，Ia→0 ，Φ→0，理想空载转速 n 会趋于无穷大，导致电机"飞车"损坏。
复励直流电动机（图9-9，图9-10）：
- 结合了串励和并励的特点。若两者磁势方向相同为积复励 （最常用），方向相反为差复励（极易不稳定，极少使用）。
- (图9-10) 综合对比了四种直流电动机的机械特性曲线：1硬特性（他励），2软/硬折中（复励），3偏软（以串励为主），4极软（纯串励）。

三、直流电动机的启动

直流电机启动瞬间，转速 n=0，所以反电动势 Ea =0。若直接全压启动，Ia=U/Ra ，由于 Ra极小，启动电流将极大（可达额定电流的十几倍）。因此禁止直接全压启动（除极小容量电机外）。

常用的三种启动方法：

直接启动：仅适用于很小容量且电枢电阻较大的微型电机，存在换向困难、火花严重等问题，一般不采用。
电枢串电阻启动（图9-11）：
- 在电枢回路中串联启动电阻 Rst。启动电流被限制在 Ist=U/(Ra+Rst)（一般为 2~2.5 倍额定电流）。
- 启动后，随着转速 n 上升，利用接触器逐步切除 Rst ，直到电机达到额定转速。(图9-11) 展示了电阻分级切除的电路原理。缺点：启动过程中能量消耗大。
降压启动：
- 通过降低电枢端电压 U 来限制启动电流。
- 优点：启动平滑，能量损耗小。条件：需要一套独立的可调压直流电源（如晶闸管可控整流电源，或嵌入式常用的斩波器）。这是现代高性能直流调速系统中最为推崇的方法。

四、直流电动机的调速

直流电动机的调速性能远优于交流异步电机。调速的目标通常要求：①调速范围广 ②平滑性好 ③经济性好 ④可靠性高。

调速方法有以下三种主流途径（针对他励直流电机）：

1. 改变电枢回路串联电阻 Ra（图9-12）

方法：在电枢回路中串联可调电阻。
特点：只能实现降速调节。电阻越大，转速越低。
缺点：能耗极大（大电流流过电阻发热），不经济且特性变软，多用于小功率、短时调速的场合。(图9-12) 展示了不同串入电阻下的机械特性曲线。

2. 减小气隙磁通 Φ（弱磁调速）（图9-13）

方法：在励磁回路中串联电阻，减小励磁电流 If，从而减小磁通 Φ。
特点：只能实现升速调节（弱磁升速）。由 n=(U−IaRa)/(CeΦ*), 可知，Φ 减小，*n 上升。
优点：由于控制的是励磁回路，功率小，效率高，调速设备简易。
限制：电机转速受换向和机械强度限制，调速范围一般不能超过 2:1 或 3:1。(图9-13) 展现了不同磁通下的机械特性（注意曲线呈翘起状）。

3. 改变电枢端电压 U（调压调速）（图9-14、图9-15、图9-16）

方法：保持励磁不变，通过调节加在电枢两端的电压 U 来实现。
特点：只能实现降速调节，且机械特性是一组相互平行的直线 （硬度不变）。(图9-14) 直观展示了调压调速的特性曲线。
实现方式（现代电力电子常用）：
- 可控制整流器调压 ：利用晶闸管可控整流电路供电。(图9-15)
- 直流斩波器调压（嵌入式核心知识点） ：即 PWM（脉冲宽度调制）调压 。利用 MOSFET/IGBT 等半导体开关器件的高速开关，控制电枢通电时间。(图9-16)
- 平均输出电压公式：
嵌入式视角 ：这就是你在嵌入式开发中利用 MCU 的定时器输出 PWM 信号，去控制直流电机转速的直接物理依据。改变占空比 α，就能线性调节加在电机上的平均电压，从而实现平滑、低损耗的调速。

三相异步电动机的功率、特性、启动与调速

一、三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指：在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩 T 与转速 n*（或转差率 s*）之间的函数关系。

1. 机械特性的定性分析与参数表达式

非线性关系 ：异步电机的机械特性是非线性的。通过分析 s 变化时，气隙磁通 Φm 、转子电流 I2 和转子功率因数 cos⁡φ2 的变化，可以得出转矩在某一转差率下会存在最大值。
参数表达式公式：经过 T 形等效电路推导，得到三相异步电动机机械特性的参数表达式：

2. 固有机械特性

在额定电压、额定频率下，定子回路不串入任何元件时的机械特性。

四大关键工作点 （参考 （图20-2） 曲线）：
1. 理想空载运行点 ：n =n 1，T =0，s=0。
2. 额定运行点（B点） ：电磁转矩 T=TN ，转速为额定转速 nN。
3. 最大转矩点（C点） ：T=Tm ，对应的转差率称为临界转差率 sm 。过载能力 km=Tm/TN （一般异步电机 km 为 1.6~2.2，起重冶金用可达 2.2~2.8）。
4. 启动点（D点） ：n =0,s =1，转矩为堵转转矩 Ts。
最大转矩 ：Tm ∝U12；漏电抗越大，Tm 越小。临界转差率 sm ∝ R2′。
堵转转矩 ：Ts 与电压平方成正比，漏抗越大 Ts 越小。

3. 人为机械特性

通过改变控制参数，人为得到的特性曲线。

降低定子端电压 （参考 （图20-3） ）：Tm 和 Ts 会随 U12 急剧下降，但 sm 不变。如果恒转矩负载运行在低压下，电流会很大，可能烧毁电机；轻载时降低电压可节能。
转子回路串入三相电阻 （参考 （图20-4） ，仅限绕线式电机）：Tm 不变，sm 增大。串入适当的电阻可使 sm =1，堵转转矩达到最大转矩 Tm 。但若串入过大，Ts 反而会减小。

4. 机械特性的实用公式（工程应用）

实际电机参数常难获取，因此利用产品手册的额定数据可推导出更实用的公式。

推导可得求临界转差率 sm 的公式：
在额定负载范围内的线性段（sN>s>0），可简化为：

二、三相异步电动机的启动

1. 三相异步电动机直接启动（图21-1）

启动痛点 ：直接全压启动时，启动电流Is=(4∼7)IN ，而启动转矩 Ts 仅为 (1.4∼2.2)TN 。大电流、低转矩是直接启动的致命缺点。
对电网的影响 ：大电流会导致配电变压器瞬时压降过大（若 ΔU>10%），影响同一电网下其他设备运行，甚至造成重载电机无法启动。
适用条件：变压器容量足够大（通常是变压器容量远大于电机额定功率），且对电机启动次数有限制时。7.5kW 以下小容量电机常用此方法。

2. 三相鼠笼型异步电动机降压启动

目的：减小启动电流。代价：启动转矩也会大幅降低（与电压平方成正比）。

① 定子串电抗器启动（图21-2） ：在定子回路串入电抗。设降压比 u=U1′/UN ，则启动电流和启动转矩均缩小为直接启动时的 u 和 u2 倍。
② Y-Δ 启动（图21-3，图21-4） ：前提是电机正常运行时必须是三角形（Δ）联结。启动时用星形（Y）联结。相电压降为原来的 1/（3）1/2，启动电流和启动转矩均为直接启动时的 1/3。仅适用于轻载启动或空载启动。
③ 自耦降压启动（图21-5，图21-6） ：又称启动补偿器。设自耦变压器变比为 N2/N1 ，则启动电流和启动转矩均降低为直接启动时的 (N2/N1)2。相比Y-Δ更灵活（有多档抽头可选），但设备体积大、成本高。
方法对比 ：见表21-1，综合比较了直接启动、串电抗、Y-Δ、自耦降压的电压、电流及转矩相对值。

3. 高启动转矩的鼠笼型异步电动机（特殊结构）

针对鼠笼式无法在转子外串电阻的局限，通过改变转子结构满足重载启动需求。

转子电阻值较大的鼠笼电机：利用黄铜、铝青铜代替紫铜做导条。启动转矩大，但运行特性变软，效率较低，适用于冲床、剪床等带冲击性负载。
双鼠笼异步电动机（图2） ：转子有外层（上笼，高电阻，黄铜） 和内层（下笼，低电阻，紫铜） 。启动时电流频率高，趋肤效应导致电流主要集中在外层，启动转矩大；运行时频率低，电流主要在内层，运行特性硬。属于高转差率电机。
深槽异步电动机（图3） ：利用深窄转子槽的趋肤效应。启动时导条中电流分布不均匀，集中于槽口，相当于减小了导条截面积，增大了电阻。启动转矩大，但功率因数偏低。

4. 三相绕线型异步电动机的启动

① 转子回路串电阻启动（图21-7） ：在转子回路串入金属电阻或水电阻。能有效增大启动转矩，减小定子电流。通过调整电阻使 sm=1s**m =1 获得最大启动转矩。常用于起重机、球磨机等要求大堵转转矩的设备。缺点：启动控制复杂，且若长时间运行在电阻上，电能损耗巨大。
② 转子串频敏变阻器启动（图21-8，图21-9） ：频敏变阻器是一个三相铁心线圈（用厚钢板叠成）。物理特性 ：频率高时（启动瞬间 s=1 ，转子电流频率高），铁耗大，等效电阻大，起到限制电流、提高转矩的作用；随着转速上升（s 减小），频率变低，等效阻抗自动减小 。它实现了近乎无级的平滑启动。启动结束后可通过接触器将其短接切除。

三、三相异步电动机的调速

异步电机转速公式：

调速方式主要有三大类。

1. 改变定子电压调速（图22-1）

通过调压器降低定子电压 U1 。T∝U12。
缺点：调速范围极小。对于恒转矩负载，降压后转速几乎不变，电流反而大增，会烧毁电机 。仅适用于风机、泵类（转矩随转速平方下降）的负载。

2. 转子回路串接电阻调速（仅限绕线式）

原理：增大转子回路电阻，人为机械特性变软（参考前面的 图20-4 ）。在恒转矩负载下，电阻越大，转差率 s 越大，转速降低。
优点：属于恒转矩调速，简单可靠。
严重缺点 ：调速范围小（2~3:1），低速时 PM 大量消耗在外串电阻上，效率极低。目前已很少用于调速，多数被"启动"功能替代。

3. 变极调速（图22-2）

原理：在频率恒定（50Hz）时，转速与极对数 p 成反比。通过改变定子绕组的接线方式改变 p。
特点：只能实现有级调速 （通常为 2:1 或 3:2 等倍极比）。其转子必须采用鼠笼型（因为鼠笼转子能自动适应极对数变化）。常用于车床、镗床、磨床等机床主轴。

4. 变频调速（现代工业绝对主流）

核心公式 ：定子相电压U1≈E1=4.44f1N1kdp1Φm 。当频率 f1 变化时，若电压保持恒定，磁通 Φm 会改变。因此变频必须伴随变压。

① 从基频往下调速（恒磁通变频，即恒转矩调速）：
- 最好采用 E1/f1=常数 ：此时最大转矩 Tm 恒定，机械特性硬，调速范围宽。（参考 （图22-3））
- 工程简便方案 U1/f1=常数 ：低频时，由于定子电阻 R1 不可忽略，最大转矩 Tm 会有所下降。（参考 （图22-4） ）。实际变频器中通常采用 V/f 控制，并在低频时进行"电压补偿"（又叫转矩提升）。
② 从基频往上调速（弱磁调速，即恒功率调速）：
- 由于电压受额定电压 UN 限制无法继续升高，只能保持 U1=UN 不变，升高频率 f1 。此时Φm 减弱。
- 机械特性如 （图22-5） 。最大转矩 Tm∝1/f12 （近似 1/f1 ）。属于恒功率调速方式，随着转速增加，输出转矩会大幅下降。

5. 交流电机矢量控制基本概念（高频核心）

传统的 V/f 和转差频率控制无法实现高性能（解耦）控制。矢量控制（VC）的思想借鉴了直流电机。

直流与交流的差异：
- 直流电机（如 （图22-6） ）的励磁电流 If 和电枢电流 Ia 在空间上互相垂直，可以独立调节，互不干扰，解耦特性极好。
- 交流电机（如 （图22-7））定子电流和励磁电流强耦合，是非线性系统。
矢量控制的基本思路（磁场定向）：
- 旋转坐标系（M-T坐标系） ：把三相定子电流分解为两个分量：励磁分量 isM**（产生磁场）** 和 转矩分量 isT**（产生转矩）** 。（参考 （图22-8））。
- 转矩方程 ：T=C'TψrisT 。如果能维持转子磁链 ψr 恒定，则电机的电磁转矩 T 仅与定子电流的转矩分量 isT 成正比，实现了类似直流电机的解耦控制！
核心控制流程（图22-10，图22-11）：
- 通过三相/两相变换（3/2 变换） 将三相静止坐标系（A,B,C）变换为两相静止坐标系（α ,β）。
- 再通过旋转变换（Park 变换） 将两相静止坐标系变换为 以同步速度旋转的 M-T 坐标系（或 d-q 坐标系）。
- 嵌入式视角 ：这些数学变换（Clarke变换、Park变换及其逆变换），是你在嵌入式 STM32/DSP 上实现 FOC（磁场定向控制，即矢量控制） 算法的底层数学基石。

6. 鼠笼型异步电动机的转矩直接控制（DTC - 补充知识点）

原理：DTC 不依赖坐标变换和解耦，而是直接控制定子磁链和电磁转矩。
逆变器状态与电压空间矢量：
- 三相逆变器有 6 个开关管，共形成 8 种开关状态（6个非零矢量，2个零矢量）。（参考 （图22-12） 和 表22-1）。
- 通过选择合适的"空间电压矢量"，可以控制定子磁链矢量的幅值和旋转方向。（参考 （图22-14，图22-15））。
滞环控制：
- 将磁链和转矩的实测值与给定值进行滞环（Bang-Bang）比较。
- 根据滞环控制器输出的"增大/减小"信号，查阅 开关状态表（表22-2） 来选择最合适的电压矢量。（参考 （图22-16，图22-17，图22-18））。
特点：DTC 省去了旋转坐标变换和复杂的PI调节器，转矩响应极快，但存在转矩脉动较大、低速性能不佳的问题（早期）。

同步电机与无刷直流电机（BLDC）运行原理

第一部分：同步电机运行原理

1. 同步电机的可逆原理

同步电机与发电机在运行状态上可以相互转换。

发电机状态 ：当原动机（如汽轮机、水轮机）向发电机输入机械功率，拖动转子加速，导致转子磁场 Ff1 超前于气隙磁密 Bδ 一个角度 θ，从而产生电枢电动势和电流，发出电功率 PM。
电动机状态 ：如果要让同步电机作为电动机运行，首先需要减小原动机输入，直到转子失去原动机的拖动。如果在转子上加上机械负载，转子转速下降，E0 滞后于电压 U ，功角 θ 变为负值。这时，电磁功率 PM 变成负值（表示从电网吸收电功率），电机向电网吸收电功率，转化为机械功率输出。（对应教材 （16-1）图 中的时空相量图变化）。

2. 同步电机的功率关系与相量图

功率转换 ：同步电动机从电网吸收电功率P 1，减去定子绕组的铜损 PCu 后，转换为电磁功率 PM ；电磁功率再减去电动机的机械损耗和铁耗（空载损耗 P0 ），即为轴端输出的机械功率 P2 。功率流程图可以参考 （16-4）图。

电动势方程与相量图 ：在电动机惯例下，电流 II 方向与发电机惯例相反，电压方程为 U=E˙ 0*+I(R+jXs)* 其时空相量图参考 （16-3）图。

功率因数调节（V形曲线） ：同步电动机突出的优点是可以通过调节励磁电流 If 来改变功率因数。
- 正常励磁 ：cosφ=1，电机吸收纯有功功率。
- 欠励磁：电机吸收滞后性无功功率（相当于电感负载）。
- 过励磁 ：电机吸收超前性无功功率（相当于电容负载）。工程上常利用过励同步电动机来提高电网的功率因数。在负载转矩不变的条件下，电枢电流 I 与励磁电流 If 的关系曲线呈"V"字形，即同步电机的V形曲线 。（参考教材 （16-8）图）。

3. 同步电机的启动问题与稳定性

无法自启动：同步电机在启动时，如果直接将定子接入电网，定子磁场会以极高的同步转速旋转，而静止的转子由于惯性，无法在瞬间跟随上旋转磁场，因此无法自行启动。
工业上的异步启动法 ：为了解决自启动难题，工业同步电动机的转子上通常会加装笼型启动绕组。启动时，电机先作为异步电动机运转，当转速接近同步速时，再通入励磁电流，将转子"拉入同步"，进入同步电动机运行状态。
稳定性 ：同步电机在功角 θ 位于 0° 到 90° 之间时，运行状态是稳定的；当 θ>90∘ 时，系统将失去稳定（失步）。额定运行点通常设计在 θ =30∘ 左右，以保证留有充足的过载能力。（稳定区间参考 （16-6）图）。

第二部分：自控式同步电机（BLDC）的转子位置检测

1. 转子位置检测器的作用与构成

自控式同步电动机（在实际嵌入式硬件中，就是指我们常说的无刷直流电机 BLDC ）依靠转子位置信号来确定定子绕组的通电顺序。这些位置传感器类型多样，常见的有霍尔效应传感器、光电式传感器。

光电式位置检测器结构 ：通常由两部分组成。一部分是固定在转子轴上、随转子同轴旋转的遮光盘（盘上开有180°缺口的圆盘）；另一部分是静止的光电开关元件。（如 （24-6）图 所示）。光电开关的组成包含光源（发光二极管）和光敏接收管（如 （24-7）图 所示）。

2. 信号产生机制与MCU接口

空间分布 ：三个光电开关（或霍尔元件）在空间上固定在相隔 120°电角度 的位置上。
信号特征 ：随着电机转动，三个传感器会产生互差 120° 的方波信号。（如 （24-8）图 所示，显示了三个检测元件 eA , eB , eC的感应电动势波形）。

嵌入式开发（MCU）映射 ：在实际的MCU控制代码中，这三个传感器引脚直接接入单片机的 GPIO 输入 引脚。由于电机旋转时信号变化很快，通常会开启 GPIO 外部中断（EXTI），每当传感器的电平发生翻转时，单片机能立刻响应，获取当前转子所在的扇区位置。

第三部分：自控式同步电机（BLDC）的运行与控制

1. 相量图与基本方程

相量图 ：自控式同步电机的相量图与普通同步发电机类似，但相位和电压关系上有区别，通常因为换向重叠角的存在，会让电流相位发生偏移。（参考 （24-10）图）。

电压平衡：在无刷直流电机系统中，等效电压方程会受整流器输出直流电压、换向电阻以及电机绕组电阻的影响。

2. 换相逻辑与六步换相（核心知识点）

换相触发逻辑 ：根据位置传感器信号的变化，MCU需要输出对应的触发信号，让逆变器的半导体元件（MOSFET/IGBT）导通，这就是六步换相。
硬件逻辑电路 ：传统的硬件实现上，可以通过使用"非门"和"与门"构建逻辑电路，将三个位置传感器信号转化为6个触发控制信号，时序图参考 （24-9）图。（实际嵌入式代码中，这通常通过软件状态机或定时器DMA查表来实现）。

换向重叠角 ：由于电感的存在，换相不是瞬间完成的，存在换相重叠角，使得转矩产生一定的脉动。（参考 （24-11）图 不同角度下的电磁转矩变化曲线）。

MCU的驱动输出 ：在嵌入式控制中，MCU利用高级定时器（如STM32的TIM1/TIM8） ，输出 6路互补PWM 。要特别注意，同一桥臂的上下两个开关管绝对不能同时导通，否则会导致电源短路炸管，因此在配置PWM时必须加入死区时间保护。

3. 电磁转矩与转速特性

电磁转矩：BLDC的电磁转矩与气隙磁通、电枢电流、相位以及换向重叠角有关。其公式类似直流电机，但由于电子换向器的作用，换向和磁场位置是同步的。
机械特性与调速 ：无刷直流电机的机械特性 （转速 n 与转矩 T 的关系）与串励或并励直流电机类似，近似一条直线，如 （24-12）图 所示。

4. 调速方法

根据转速公式推导，嵌入式控制BLDC调速主要有两种方式：

调节输入电压（最常用） ：通过改变MCU输出PWM信号的占空比 ，来改变加在逆变器上的平均电压 Ed 。占空比越大，电压越高，转速越高。（如 （24-13）图）。

调节励磁电流（弱磁升速） ：通过改变电机内部磁场强度来调速。减弱励磁电流，电机最高转速可以超过额定转速（弱磁升速），但会牺牲部分最大转矩。（如 （24-14）图）。

第四部分：交-交变频器工作原理

基本定义 ：交-交变频器（Cycloconverter）是一种不经过中间直流环节，直接利用多组晶闸管，将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电的装置。
结构与波形 ：它由多组反并联的整流电路组成。通过控制各组晶闸管的触发角大小，可以在负载上得到正弦波状的输出电压。（如 （24-15）图 和 （24-16）图 所示的单相交交变频器电路与输出电压波形）。

相数升级与特点 ：三相交交变频器（如 （24-17）图 所示）使用晶闸管数量极多，输出谐波少，但控制复杂。

交-交变频器属于重型工业（大功率、低频场合，通常小于 1/2 或 1/3 电源频率）的电力电子技术。仅做原理了解，后续嵌入式开发很少涉及

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