时间：2023-02-27 11:07:58
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关键词：三相异步电机转动原理，重载起动，调速，过电流保护
三相异步电动机具有结构简单,运行可靠,坚固耐用,价格便宜,维修方便等一系列优点。与同容量的直流电动机相比,异步电动机还具有体积小,重量轻,转动惯量小的特点。，调速。因此,在工矿企业的电机拖动系统中异步电动机得到了更为广泛的应用。
一、三相异步电动机基本的转动原理
三相异步电动机是利用旋转磁场工作的，其工作原理可通过以下演示实验来直观地了解。一个装有手柄的蹄性磁铁以轴座01为支撑自由转动；在蹄性磁铁两磁极之间有一个鼠笼转子，鼠笼转子以轴座02为支撑自由转动；轴座01和轴座02在同一条轴线上。蹄性磁铁和鼠笼转子之间没有摩擦力和机械连动关系，两者均可独立自由转动或保持静止。当摇动手柄使蹄性磁铁顺时针方向旋转时，磁场的磁力线就切割鼠笼转子上的铜条，相当于转子铜条逆时针方向切割磁感线，闭合的铜条中就会产生感生电流，其方向可用右手定则判断。由于感生电流处在蹄性磁铁的磁场中，因此铜条要受到磁场力的作用而使转子转动，磁场力的方向可根据左手定则判断，从判定的结果可知转子转动方向与蹄性磁铁旋转方向一致。，调速。
二、三相异步电动机的重载起动
1、小功率三相异步电动机的重载起动
这种情况的主要问题是起动转矩不足,而小功率三相异步电动机一般为鼠笼型,解决的办法是用特殊电机获得高起动转矩,主要有高转差率电机、深槽式电机和双笼型电机.从起动电流公式和起动转矩公式可以看出,增大转子电阻既可限制起动电流又可提高起动转矩。
高转差率异步电动机的转子导条不是普通的铝条,而是采用电阻率较高的铝合金.这种电机过载能力强,但功率因数低,正常运行时损耗较大,效率较低.所以只适用于频繁起动的场合,主要是起重运输机械.深槽式异步电动机是利用起动过程中转子导条内的集肤效应使起动时的转子电阻增大,改善起动性能又不降低正常运行效率,但功率因数和过载能力有所降低,适用于需要重载起动而对过载能力要求不高的场合.双笼型异步电动机利用集肤效应改善了起动性能,又保证了基本的运行性能,但电机价格较高,一般用于要求起动转矩较高的场合.
2、大功率三相异步电动机的重载起动
此种情况下既要有较高的起动转矩又要限制起动电流,若高起动转矩的笼型异步电动机不能满足要求,可以采用绕线型异步电动机,在转子电路中串联合适的电阻,既可提高起动转矩又能降低起动电流.因而,要求起动转矩大或起动频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动.大功率电动机一般为绕线型。，调速。
三相绕线型异步电动机常用的起动方法有转子串固体电阻、频敏电阻或液体电阻.大功率绕线型异步电动机转子串固体电阻起动,不能无级调节,起动不够平滑。，调速。为了减小冲击,应在转子回路中串入多级对称电阻,并随着转速的升高逐渐切除起动电阻,因此设备投资大,操作、维修不便.串频敏电阻器起动,结构简单、维护方便,可以无级调节,但起动电流较大、功率因数低,使起动转矩受到限制,且不同容量的电动机要配不同规格的频敏变阻器.转子回路串液体电阻,能连续无级调节使电机平滑起动,具有起动转矩大、起动电流小、起动时间短、功率因数高、噪声小、温升低、结构简单的特点,并且可以通过调节液体浓度来改变阻值,使一台起动器适应不同功率的电动机,因此是大功率电动机重载起动的首选方案.
三、三相异步电动机的主要调速方法
三相异步电动机的调速方法包括：变极对数、定子调压、定子变频、串级调速、双馈调速、液力耦合、电磁转差离合器等，从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力耦合器调速，能量损耗在液力耦合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。下面就对改变转差率进行调速的几种方法进行阐述：
1、改变定子电压调速
异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性和转矩，这种方法不适用于普通笼式电机，因为它的转子电阻很小，转速低时电流会急剧上升。，调速。可用于绕线式异步电动机，其转子回路可串电阻或频繁变阻器，大部分转差能量损耗被引到外接电阻或频繁变阻器上，减轻电动机的发热。
2、改变转子电阻调速
这种调速方法只适用于绕线式电动机，在异步电动机的转子电路内串入调速电阻，当负载一定时，转子回路中串接的电阻越大电动机的转速越低，越小转速越高。此方法设备简单，控制方便，初期投资少，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。
3、串级调速
目前，较先进的串级调速应用了可控硅逆变器控制的串级调速线路，其优点是能够获得较硬的机械特性，整流元件压降小，设备占地面积小，无旋转部分，噪声小，维护较简单，是绕线式电动机很有发展前途的调速方法之一，其缺点是，转子回路装有滤波用的电抗器，故功率因数较低。
四、使用过程中有必要加强三相异步电动机的过电流保护
为达到安全可靠的全面保护，只靠设计一种保护方法是不行的，必须全面分析各种故障引起的电流异常情况，采用智能保护器或多功能保护器来保护三相步电动机的安全运行，保护器的设计应具有下面的功能：
1、设置电流速断保护
用于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障或相间接地短路故障，短路电流很大时，迅速切断电源。，调速。
常见的电流速断保护是熔断器和低压断路器。熔断器的熔体串联在被保护的电路中，当电路正常工作时，熔断器不起作用，相当于一根导线，其上面的压降很小，可忽略不计。当电路短路时，很大的短路电流流过熔体，使熔体立即熔断，切断电动机电源，电动机停转，起到保护作用。同样，若电路中接入低压断路器，当再现短路时，低压断路器会立即动作，切断电源，使电动机停转。
2、设置定时限过流保护
作为电动机运行过程中短路保护的后备保护，以提高保护整定的灵活性。
3、设置反时的过负荷保护
防止电动机长时间过负荷运行而引起的电流过大，防止由于电流热效应的累积作用，使定子部分过热而引起的损坏。
4、设置负序电流保护
防止电动机的各类非接地性不对称故障。
5、设置起动时间过长保护防止由于各种原因使得电动机不能成功起动时，大起动电流对绕组的损坏以及起动转矩对轴承的损坏。
结语：为了保证三相异步电动机的安全、经济和稳定运行，就必须要掌握有关异步电动机的安全运行的基本原理，对三相异步电机应用中可能出现的问题进行深入的探讨与分析，做到尽可能合理地使用电动机，避免事故隐患的产生，确保电动机高效运行。
参考文献：
1、汤天浩《电机与拖动基础》[M]北京:机械工业出版社2004；
2、李兴艳《浅谈三相异步电动机的几种常用调速方法》[J]甘肃科技纵横2010（2）；
3、马江鹏《浅析三相异步电动机的组成和工作原理》[J]现代经济信息2010（3）；
4、罗恩华《三相异步电动机起动方法的比较与选择》[J]广东水利电力职业技术学院学报2010（2）。
关键词：变频技术变频器三相异步电机电动机工作原理
电机控制系统 谐波
中图分类号： TN773 文献标识码： A 文章编号：
变频器最初用途是速度控制。随着技术发展和社会对能源运用效率要求的日益提高，逐渐被用于节能领域。该技术尤其在风机、水泵的节能方面得到了广泛应用。以前，在工业生产的流程中，风机、水泵的调速通常使用的是用滑差调速电动机、耦合器等进行调速，以满足工艺生产的需要。根据各单位的实际需要，通常使用的是用耦合器对风机、泵进行20%-80%调速，或加装风门、阀门对风量、流量进行调节。但电机在工频状态下运行，多余的动能通过耦合器转化成热能让冷却水带走或损失在风门和阀门上。这样从能源使用上和生产维护上都不经济，结合现在变频器的技术在风机泵类设备中的应用，为节能降耗工作提供了很好的解决办法。采用变频调节控制技术，取消原来的耦合器及相应的冷却水泵、冷却水和风门、阀门等装置，降低生产中的能源及资源消耗。做好清洁生产、节能降耗。在变频节能技术应用的同时，要降低变频器产生谐波对电网产生的危害。
一、变频技术和变频器
变频技术以其显著的节能效果广泛的应用于工业设备和家用电器。变频技术是改变电源频率的技术，在实际应用中通过变频器来实现改变电源频率。变频器的应用，须结合三相异步电动机的特性，因为变频器与三相异步电动机有着密切的联系。
二、三相异步电动机的作用和特性：
1. 三相异步电动机的作用： 通过三相异步电动机运转（正转或反转）来带动其它设备做各种各样的机械运动。
2. 三相异步电动机的特性：
1) 运转方式：靠旋转磁场来带动电动机转子额定电流为约等于其功率的二倍额定电流为约等于其功率的二倍V/F控制变频器力矩力电机力力转。
2) 接线方式：有星形（Y形）和三角形（形）两种，Y形接线时，电动机的电流小，但力矩也小，三角形（形）接线时电动机的电流大，但力矩大；
3) 变 速：n=60f (1-K)/p
n―电动机转速 60―常数 p―极对数
f ―电源频率 k―滑差系数
公式说明：只要改变电源频率“f”或极对数“p”，就可以改变电动机转速。
三相异步电动机有2极、4极、6极、8极……,工业用的三相异步电动机一般极数不会超过8极，极数越多，转速越慢，但力矩就越大，极数越少，转速就越快，但力矩就越小；每种极数所对应的转速如下：
a) 2极──2950转/分（理想3000转/分，即同步转速）
b) 4极──1450转/分（理想1500转/分，即同步转速）
c) 6极──950转/分（理想1000转/分，即同步转速）
d) 8极──700转/分（理想750转/分，即同步转速）
三、 变频器的作用：
变频器具有：调速的作用：三相异步电动机，变频控制后可以实现调速功能，由输出频率控制电机转速，三相异步电动机由静态至最高速线性加速。通常变频器的频率调节范围是：0-650HZ。启动时电机由0转速线性加速，对机械设备运转没有危害。
四、 变频器的工作原理
变频器将三相380V(220V)/50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电，通过线路传输给电动机，实现电动机变频运行。
五、实际应用案例：以某单位一台40MW锅炉鼓风机、引风机变频技术应用改造为例
现场设备介绍：
40MW锅炉于1989年建成投运，鼓风机用于为锅炉燃烧送风，引风机用于排烟，两台风机未改造前风管上均装有风门调节装置，用以调节风量，以满足锅炉运行工艺要求，鼓、引风电均用自耦降压启动方式。现场设备鼓风机的电机参数如下表1所示，引风机的电机参数如下表2所示。
表1
表2
2、变频改造前后优缺点比较
原系统采用风门调节风量，电机工频运行，其能耗大、效率低、调节精度低，维护工作量很大。改造后变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围广，可实现无极调速，动态响应速度快，调速精度高，操作简便，且易于实现生产工艺的控制自动化。
3、效益分析
改造前平均鼓、引风机运行电流：70.8 A；负载率：60.3 %，改造后平均运行电流：26.2A；负载率：33.3%，通过一个运行期的性能考核分析：改造后节能：60.3%-33.3%=27%，27%×185kW=50kW・h；一年按运行100天计算，可节约电量：50×24×100=12万度。通过以上案例分析，由此可见，在满足生产要求的条件下，采用变频调速节能效果明显著，延长了设备使用寿命、降低了故障率。
4、变频技术在风机泵类设备中应用的主要特点
1、低频力矩大、输出平稳
2、高性能矢量控制
3、转矩动态响应快、稳速精度高
4、减速停车速度快
六：降低变频器谐波危害，提高电能质量
变频其产生的高次谐波对电网产生的危害日益严重。通常采用变频器隔离、接地或采用无源滤波器、有源滤波器、架设无功补偿器装置以及绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围之内以抑制电网污染、提高电能质量，这些值得研究推广。
电网谐波产生的危害主要有：
1)、谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率。同时大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。
2)、谐波影响各种电器设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热，造成设备的绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
3)、 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故。
4)、谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量，重者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。
5)、谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量以表计量不准确。
目前谐波的治理方法：
1）、将变频器的隔离、屏蔽、接地；
2）、加装交流电抗器和直流电抗器；
3）、加装无源滤波器；
4）、加装有源滤波器；
5）、加装无功功率静止型无功补偿装置；
6）、线路分开；
7）、电路的多重化、多元化；
8）、变频器控制方式的完善；
9）、使用理想化的无谐波污染的绿色变频器。
[关键词]软启动控制器；电动机；节能启动运行
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0089-01
三相异步电动机由于其具有结构简单、运行可靠、检修维护方便、以及价格便宜等优点被广泛应用到各工程领域，作为电能转换为其它能量的主要动力载体。众所周知，电动机处于直接启动运行工况时，其启动电流一般可以达到额定电流的8倍以上，有的甚至可以达到15倍，强大的启动冲击电机会对电机供配电网、负载机械、以及电动机自身等造成巨大冲击破坏，不仅会影响到电机系统以及其拖动的机械设备的综合使用寿命，同时还会造成电机供电配电网电压发生突降，直接影响到同一配电网中其它用电设备的高效稳定运行。电动机在额定负载率附近工况范围内运行时，其效率较高，通常在80%左右；然而，当电动机拖动负载出现下降现象时，电机系统的运行效率也会随之发生显著下降。在电动机拖动系统选型设计时，通常都是按照系统最大负载和最坏运行条件情况来选定电机功率。在实际运行过程中，电机系统由于负载波动等原因，通常处于轻载（空载）或不均匀时变负载运行工况，导致电机运行在低效工况区，势必会造成大量的电能损失和浪费，因此，提高电机启动运行工况，保障整个电机系统具有较高的运行效率就显得很有必要[1]。
1 电动机软启动及节能方法简介
传统的串联电阻（电抗器）、并联自藕变压器、以及星型一三角形（Y-）等减压启动方式，不仅造价较高，而且电机在启动过程中均会经历一个由辅助供电系统到工频供电系统的跳跃过程，使得电机系统中的某些特征电参量发生特变，不能稳定连续平滑调节启动运行，容易导致电机系统发生机械或电气故障，加上电机控制系统变得越来越复杂，这类控制方式经济性能普遍较低，因此，其逐步被软启动控制系统所取代。
由于供电距离、电机功率等造成电动机直接启动方式，不能满足电机系统配电网电压降要求时，为了确保电机高效稳定的启动运行，应采取相应技术手段，通过降低电机定子电压的启动模式，达到限制启动电流保障电机高效可靠启动运行目的[2]。
基于电机控制系统中电动机启动的主要特性和节能基本理论方法的基础上，本文将对电机节能软启动器的逻辑结构和运行效果进行详细探讨。
2 节能软启动控制器在电机控制系统中的应用
2.1 系统功能单元组成
节能软启动器控制系统是综合三相异步电动机启动和运行保护为一体的节能保护启动控制装置，主要包括电动机软启动自动控制、系统输出输入能量平衡、以及电机故障保护等三大功能模块，其具体逻辑工作原理框图如图1所示：
从图1可知，当三相异步电动机处于起动过程时，控制系统各功能单元就会将电机机端的电压、电流、以及转速等信号经相应A/D模数转换电路，转换成相应的数据信号后送至控制系统中，与系统原始设定值进行动态比较分析后，计算获得对应的电参量偏差和偏差化率值，然后形成对应的控制决策，通过控制系统触发脉冲的宽度来动态调节晶闸管的触发角大小，完成对电机启动的实时控制。通过控制晶闸管触发角的大小，达到改变晶闸管输出电压实现电机降压软启动控制目的。从电动机启动特性来看，电机起动过程中，晶闸管的触发角会随电机启动过程的进行而不断开打，从而实现电机从零转速开始逐步加速无级平滑启动控制运行。当三相异步电动机出现故障时，系统就会检测到已成的工作电压和电流值，控制系统就会通过保护电路完成电机保护跳闸操作，防止电机故障进一步扩大给电机系统带来更加严重的危害，并能通过对应的可视化显示界面，提醒运行人员对相关异常单元进行检查，大大提高电机控制系统的人性化服务水平[3]。
2.2 软启动器PID控制
由于异步电动机控制系统是一个多参量、动态时变、非线性、强耦合的多阶复杂大系统，很难利用一种简洁的控制模型进行描述表达。PID控制系统可以通过内部电路自动分析获得对应准确的控制信号，是现代控制系统中常采用的控制方式，其典型控制原理如图2所示[4-5]：
2.3 应用效果分析
为了分析节能软启动控制器在三相交流异步电动机控制系统中节能降耗作用，在结合前面的理论分析的基础上，通过相应的功能单元组合，形成对应的软启动控制系统，整个系统基本参数为：三相异步电动机额定功率为22KW，额定电流为44A，额定电压380V，采用市电直接供电方式。按照图1所示的结构将异步电动机软启动控制系统进行有效连接，通过电机控制系统中有无装该节能软启动控制器进行比较试验，获得对应的试验数据如表1所示：
从表1可以看出，在加上节能软启动控制器后，电机启动工况特性得到有效改变，不仅降低电机的启动电流（使其比额定电压条件下的38.5A还低，仅为34.7A），有效避免了电机启动时强大启动电流对电网和电机的影响，同时还提高了电机系统的功率（从0.608提高到0.852），保障电机具有较高的工作效率，达到节能降耗的目的。
3 结束语
将以晶闸管为核心的节能软启动控制器应用到三相异步电动机控制系统中，可以有效解决了传统异步电动机启动运行性能水平较低的问题，达到了降低电机启动电流、提高运行效率的节能降耗稳定经济启动运行目的。
参考文献
[1] 徐甫荣，崔立.交流异步电动机启动及优化节能控制技术研究[J].电气传动自动化.2003.25（l）：1-7.
[2] 高淑萍.智能型交流异步电机软起动器的研究[硕士学位论文][D]，西安：西安理工大学，2004.
[3] 胡崇岳.交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
关键词：可编程控制 PLC 电动机
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0026-02
1 电动机工作原理
三相异步电动机是由固定不动的定子和利用电磁感应转动的转子组成的，他们之前由空隙分开，当电动机接通电源，定子和转子利用电磁感应，进行相对转动，从而实现电动机由电升动的过程。
具体来说，定子的组成有3个部分，有铁心，铁心上面会缠绕着线圈，即绕组，还有支撑整个结构的机座。三项异步电动机中还有成对的磁极，目的是用来让定子和转子进行转动，在有不同方向的电流通过的时候，定子和转子的转动角度不同，从而控制电动机的正反转。具体实现电动机的正转反转原理是当定子中有三相交流电流过，就会产生定子和转子的相对转动，具体转动的方向是通过定子和转子切割磁感应方向决定的。如果产生的三项交流电的方向和产生顺时针转动的方向一致，三相异步电动机的转动方向就为顺时针方向，如果三相交流异步电动机的转动方向和通入电流逆时针的方向相同，那么三项交流异步电动机的转动方向为逆时针方向。在不通电的时候，定子和转子都是静止的，当通入三相交流电，定子和转子就会按照所通入交流电的方向产生相应的转动，即同向性。电磁感应的原理是在通电的导体周围会产生磁场，反过来磁场的变化也会使导体运动，这个电磁感应的原理就是电动机的基础。定子上缠绕的线圈即绕组中通过三相交流电，如果是对称的，就会产生一个顺时针旋转的磁场，转子接通后，由静止变成切割磁感应线运动，如果不是对称的，产生的电流也使转子切割磁感应线运动，但是是以逆时针的方向运动。这个使转子和定子产生相对运动的力称为电磁力，当力与方向相互结合后，产生了电磁转矩，这个电磁转矩就作为驱动电机旋转的真正动力。
只要控制好电机的真正点动力电磁转矩，就能控制电动机正反转。电动机的正反转是整个工业控制中最基础最常用的控制，小到一个散热风扇的旋转，如控制正转向室内送风，控制反转向室外排风，大到蒸气机中汽轮机的旋转工作，都是通过电动机的正反转为基础，可见，控制好电动机的正反转就是控制了整个工业的核心。
2 PLC对三相异步电机的正反转控制
如前面所述，这个近代工业的开端是以蒸汽机为代表的用机器代替人力，蒸汽机中汽轮片的转动可以通过电动机控制，同样，在产品的生产中，机床的控制也需要用到电动机。比如机床的工作需要使用主轴需要转动，也涉及到正转和反转，控制主轴的正转和反转正式电动机。机床的工作平台需要前进和后退，使工件能够在合适的位置进行加工，机床的工作平台的运动也是通过电动机来控制。起重机吊钩的上升与下降，机床工作台的前进与后退等等。由电动机原理可知，只要把电动机的三相电源进线中的任意两相对调，就可改变电动机的转向。因此正反转控制电路实质上是两个方向相反的单相运行电路，为了避免误动作引起电源相间短路，必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁。按照电动机可逆运行操作顺序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-停”两种控制电路。
以前的电动机的正转反转控制电路需要用继电器系统，改进的系统用PLC代替继电器，同样实现正转反转的功能。主要分为3个步骤：第一步，更改输入输出接线口，并画出接线图；第二步，部编写梯形图吗，即控制正反转的程序；第三步，接线，实现正反转的控制。
KM1是控制电动机正转的线圈，KM2是控制电动机反转的线圈。在输入端，输入有电源，不需要接电源，但是在输出端没有电源，需要接220 V的交流电。
梯形图中，X1、X2和X3分别代表3个按钮，Y1、Y2分别代表继电器的KM1和KM2。
3 结语
电动机在工业上有着广泛的应用。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单、实现方便、参数设计置灵活等优点。该文阐述了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。其内容主要包括I/O地址分配、梯形图。该文设计过程中使用了16位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计，在实际应用中表明此设计是合理有效的。
参考文献
关键词：电动机 降压启动 比较分析
中图分类号：TM343 文献标志码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0128-01
电动机作为一种被广泛使用的设备，在任何工厂或者发电厂中都必须配置电动机，特别是在工厂中，一旦自备的电动机发生了相关故障，则非常可能致使整个工厂都停电，给工程带来巨大的经济损失。在电动机进行启动时可能会整个电力系统造成巨大的启动电压压降，同时也给整个系统的电能质量造成巨大的影响。因此，为了减少电动机对整个电力系统电压的影响，必须合理选择电动机的起动方式，确保电动机的安全启动。本文对电动机的降压启动方式进行比较分析。
1 电动机突然而剧烈的启动造成的危害
通常情况下，在异步电动机中，其全压启动电流与额定电流有一个数量关系，即全压启动电流为额定电流的4～7倍，如果启动电流过大，则将对电动机的寿命进行降低，导致变压器的二次电压出现大幅度的降低，这就减少了电动机的启动转矩，甚至有可能导致电动机出现根本无法启动的局面。异步电动机还会对同一个网络中的其他供电设备造成影响，如果交流电动机突然出现了剧烈的启动现象，则其可能造成大量的损失，如下几点。
（1）进行Y-v启动会造成启动电流或电压发生瞬变，导致相关电气故障的发生，同时还可能造成电压发生剧烈的变化，造成整个电网中其他电气设备出现故障。
（2）造成运行故障。电动机突然启动将造成管路系统产生巨大的压力振动，其会对所带的货物产生严重的损坏。
（3）对经济效益造成严重的影响。电动机的一旦发生了故障，都会造成停运和维修的故障损失，致使电动机的运营成本造成严重的增加。
2 电动机的起动方式分析
2.1 全压直接起动方式分析
作为电动机最为简单的启动方式之一，电动机的全压直接启动就是将其定子绕组上直接加额定电压，然后直接进行启动。电动机的全压直接起动主要适用于负载和电网容量允许的条件下。
电动机全压启动的优点是其起动的转矩较大，且起动的时间较短，所使用的起动设备较为简单，易于操作和维护，启动设备的故障率较低。在对电动机进行全压起动时，由于起动电流很大，如对于鼠笼型电动机其起动电流一般为额定电流的6～8倍，如果此时电动机功率较大，则过大的电动机起动电流将造成配电网电压的降低，直接影响其直接连接的其他电气设备的正常工作。
2.2 Y-起动方式分析
Y-的起动方式就是将连接的电动机，在其起动时接成Y 型，当电动机完成起动后其速度将接近运行。利用这种方式对电动机进行起动时，定子绕组的电压实际上为整个电源电压的50%，而起动电流也较小，仅为直接启动方式的30%，这样就保证了其起动的转矩也较小，整个电动机的起动对电网的冲击力也较小，允许较多次数的起动。利用Y-起动方式进行起动时还无需增加其他设备即可实现对电动机的起动，因此这种起动方式适用于频繁起动的小型电机。
Y-的起动方式主要优点是结构较为简单，且投资较小。当电动机所带负载较低时，可以采用Y-的起动方式，其额定转矩可以与相关的负载进行匹配，这样就能够提高电动机的负载率。
2.3 自耦变压器起动分析
利用自藕变压器的降压起动也可以实现电动机的起动。利用自藕变压器起动能够有效实现带负载起动，这种起动方式在大容量的电动机上经常使用。利用这种起动方式能够有效实现大转矩的起动，并可利用抽头有效实现对转矩的调节。通常自藕变压器可以通过接触器有效实现自动控制，通过自藕变压器起动可实现低成本的起动，其性价比较高，在电机起动中应用较为广泛。
3 电动机的几种降压启动分析
通常在10 kW及以下的小型电机中，其都是可以进行直接启动的，而对于10 kW及以上的电动机中则通常采用降压启动的启动方式。为了对启动转矩进行减小，以防止其对相关机械设备所产生的冲击，如果电动机允许进行全压启动，则其也可采用其他启动方式，即降压启动。
在三相异步电动机中，通常所采用的降压启动方法有以下几种：利用定子串进行降压启动，进行Y-方式的降压启动，进行软启动器的降压启动。利用这些方法都可以有效实现启动电流的降低，对线路的电压降落进行减小，确保电气设备的有效运行。
3.1 串电阻降压启动方式
通常在定子电路中采用串电阻的方式来对定子的绕组上的电压进行有效的降低，在电动机降压启动的过程中，一旦电动机的转速达到额定值时，就应该采用切电阻的方式来有效的限制启动电流，确保电动机能够在全压的方式下进行有效的运行。在对定子串的降压启动的过程中，其电动机启动电流将随定子的电压成正比，而其启动转矩则与电压的平方成正相关。
串电阻降压启动的缺点是其将消耗大量的电能，且串电阻降压启动的成本较高，这种启动方式在启动不频繁的电动机中经常使用。
3.2 自耦变压器降压启动方式
通常将自耦变压器视为启动补偿器，在自耦变压器中其电源和初级是相连的，而自耦变压器的次级是与电动机直接相连的。在自耦变压器中其次级是具有3个及以上的抽头的，因此利用自藕变压器方式可以实现3个不同大小的电压。
使用自耦变压器的方式进行启动时其可以灵活选择启动转矩，并有效选择启动电流。在电动进行启动时，在定子绕组进行启动时其所得到的启动电压将是二次侧的电压，如果启动完毕，则可将自耦变压器进行切除。这样电动机就能过直接连接到相关的电源，即连接至一次侧。在变压器降压启动的过程中，其启动的转矩与电流通常都是按平方值进行降低的，即获得同样的转矩，则其所获得的电流将比降压启动的电流小的多，因此通常将自耦变压器视为启动的补偿器。
采用自耦变压器的启动方式通常在大容量的电动机中进行使用。这种方法的主要缺点是其价格较为昂贵，且结构比较复杂，相对体积较大，不能够进行频繁的操作。
4 结论
上述电动机的启动方式中分析比较中，其具有控制电路简单的共同特点。但由于电动机启动过程中的启动转矩是不可调的，因此在整个启动的过程中将产生巨大的冲击电流，这样就会导致电动机将产生堵转的现象。在对电动机进行软启动时虽然没有冲击电流，但恒流启动过程中会导致电网的继电保护特性具有选择性，因此，当电动机在直接启动不能满足要求时，首先考虑的是软启动降压启动器。
参考文献
[1] 赵建文，翟文利.三相异步电动机起动方式的分析与选择[J].安阳钢铁公司，2006，3：46-48.
关键词：FPGA SA4828波形发生器 三相交流异步电动机 变频调速 SPWM
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0127-02
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50 Hz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）和间接变频（又称交-直-交变频），后者又分为谐振变频和方波变频。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 系统简介
1.1 交流异步电动机
三相异步电动机主要由定子和转子两大部分构成，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。异步电动机结构如图1所示。
1.2 SPWM技术
SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术，即在PWM的基础之上，改变调制脉冲的方式。脉冲宽度和时间占空比按正弦规率变化，这样输出波形经过适当的滤波就可以做到输出正弦波。
产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波（称为载波）与一个正弦波（称为调制波）进行比较，如图2所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时刻。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。
2 系统的硬件实现
基于FPGA的交流异步电动机的变频调速系统，以FPGA为核心控制芯片，利用SA4828芯片产生SPWM波，再通过驱动电路驱动逆变开关。再加上电路，保护电路等，构成整个完整系统。
本设计为交流异步电动机的变频调速，主要涉及主电路和控制电路两大部分（如图3）。
系统各组成部分简介。
供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220 V，中大功率的采用三相380 V电源。
整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。此处采用三相不可控整流，用不可控的二极管组成三相桥式整流电路。它可以使电网的功率因数接近1。
滤波电路：此处采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。
逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥式逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。
以上四个部分组成主电路，其余部分为控制电路。
电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。
控制电路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，FPGA芯片选ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片。控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。从而得到与信号电路对称的SPWM波。
此处选用电动机原始参数如下：
额定功率PN：7.5 kW；
额定电压UN：380 V；
额定电流IN：15.6 A；
效率：86%；
功率因数：0.85；
过载系数：=2.2；
极对数：p=2。
3 系统软件实现的实验结果
电压频率曲线可以分为两段，在额定电压一下，电压频率成正比。当电压上升到额定频率后，不在上升。
对于恒负载时，由前面章节分析可知，电动机的转速会与其电源频率成正比。转速与频率的关系曲线如图4所示。
4 结论
本文采用FPGA控制三相PWM波专用芯片SA4828。具有电源频率可调，删除窄脉冲，响应速度快，可现场编程等特点。最终验证了系统的可行性和有效性。系统中还有过流保护和过压保护等。还可以通过FPGA监视系统的其他故障，SA4828芯片还提供在紧急情况下急停的功能。在这种内部控制保护与电路保护相结合的方式，保证了电机的安全运行。
但系统也存在许多不足之处，如控制方案的实现不够精确，FPGA芯片选择上不够经济，检测保护电路不够完善，这些问题有待进一步研究解决。
参考文献
[1]何超.交流变频调速技术[M].北京：北京航空航天出版社，2006（9）：1-65.
[2]董飞燕.变频技术的应用及发展[D].河南：平顶山工学院，2005.
[3]张建军.浅谈我国变频器发展技术[J].科学情报发展与经济，2005（1）：134-135.
[4]梁昊.最新变频器标准实施和设计[M].北京：电力出版社，2005（8）：125-136.
[5]杨小豹.基于FPGA的变频调速控制[D].华侨大学硕士论文，2006.
论文关键词：电机及拖动；项目教学法；应用实践；教学体会
“电机及拖动”是湖北水利水电职业技术学院电气类专业重要的职业基础课程，该课程不仅是后续职业技术课程的基础，而且与学生从事职业岗位的联系非常密切。基于高职教育的技能应用型人才培养目标，笔者在教授“电机及拖动”课程时尝试采用项目教学法。教学实践证明，项目教学法在“电机及拖动”课程中应用后，学生更容易了解掌握相关职业工作情况，培养了职业意识，更好地做好就业准备，更快地进入职业角色。
从效果来看，近几届的毕业生中有数量较多的学生直接进入电机、变压器生产企业工作，如湖北电机厂、江西特种电机厂等，或在大型企业中从事电机、变压器的进场试验工作，并且这些学生表现优秀，受到企业的重用。
一、项目教学法在“电机及拖动”课程中的应用方法
项目教学法，是指将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，围绕着项目组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程的一种教学方法。在“电机及拖动”课程中采用项目教学法，利用项目任务将电机理论知识和电机应用实际结合起来，且与企业实际生产过程直接联系；学生在完成项目的过程中发现问题，并通过实践解决问题，这样既可以培养学生的学习能力，又可使学生更快地掌握理论知识与操作技能，同时实现与将来从事相关职业岗位工作的零距离对接。
“电机及拖动”课程是一门实践性较强的课程，与工程实际密切联系。各类电机的空载、短路、运行及电动机的起动、调速等实验也是实际的检修、维护和试运行及出厂实验项目。由此在“电机及拖动”课程教学中，直流发电机的运行分析，直流电动机起动、调速、制动，变压器空载短路试验、运行分析，交流绕组，异步电动机起动、调速、制动，同步电动机起动、运行分析等主要内容都可采用项目教学法。
二、项目教学法在“电机及拖动”课程中的应用实例
1.明确项目任务：三相异步电动机的维修
交流绕组是交流电机最重要的部分，又是最容易发生故障的部分，而电动机修理的大部分工作是对绕组的修理。例如三相异步电动机一相断线，如果保护设备不完善，只需十几分钟的单相运行，绕组就会烧坏。另外，电机长期过热，使绝缘老化，或者绕组局部修理无法挽救，都需要全部拆换绕组。通过三相异步电动机的维修实习，让每个学生更深入、全面地掌握交流电机的结构和电枢绕组在铁芯中的分布规律及连接方式；学习定子绕组的重嵌工艺，学会对维修后的电机进行测试、实验、试运行；使学生能将所学的电磁理论与实际电机相结合，为将来从事相关专业技术工作打下一定的基础。
项目要求：掌握定子绕组常用术语及展开图。24槽四极单层链式绕组下线。掌握电机的结构和电枢绕组在铁芯中的分布规律及连接方式。掌握电机的拆装、检修、试验的基本知识，培养初步操作技能。培养学生良好的职业道德和严谨的工作作风。项目重点：定子绕组的空间分布与连接规律。项目难点：快速准确的嵌放线圈。项目教学准备：旧三相异步电动机15台；绕线机及线模三套；万用表；绝缘电阻表；漆包线、绝缘纸、竹片若干；包扎带4捆；电烙铁10把；划线板30个、压线脚15把、橡皮锤15把、铁锤15把、起子15把等。
2.制订项目计划
由于高职学生文化基础不好，学习自觉性差或不会学习，学习较被动，普遍缺乏逻辑思维能力，导致学生自主进行项目设计有一定难度。因此教师要加以详细指导，明确告知学生应该准备的相关学习内容，并将制订的项目计划发给学生。
（1）定子绕组常用术语及绕组分布与连接方式（1节）。
（2）24槽单层链式绕组展开图（1节）。
（3）异步电动机的工作原理与结构（1节）。
（4）电机拆卸（1节）。
（5）电机绕组拆除（2节）。
（6）绝缘结构及工具、材料（1节）。
（7）24槽4极单层链式绕组绕线（2节）。
（8）24槽4极单层链式绕组下线（8节）。
（9）24槽4极单层链式绕组出线焊接（2节）。
（10）24槽4极单层链式绕组端部整形包扎（2节）。
（11）电机试验（2节）。
（12）电机故障及处理（2节）。
（13）电机装配（2节）。
（14）总结与评价（1节）。
（15）教师项目测评：观察电机通电运转情况（2节）。
总计项目计划用时30节。
3.项目实施
（1）合理进行学生分组：项目小组大概2～4人为宜。先由学生自由组合成项目小组，教师再适当调整，力求各个小组的实力较为均衡，小组内部能做到优势互补，各成员能发挥各自的特长和优势。确认每组组长即项目负责人，负责协调小组内部的各种问题及向教师汇报小组的进展情况和所遇到的问题。
（2）按照已确定的工作步骤开展工作：在项目教学开展的初期，由于学生缺乏解决问题的能力和自信，项目进展相对比较缓慢。这时教师要根据知识的难易程度，将项目涉及到的理论知识和操作技能进行必要的讲授或演示。比如教师要演示定子绕组绕线、下线步骤等，讲解注意事项及工艺要求。教师还要随时协助解决学生提出的问题，并予以引导、表扬和鼓励。
（3）各组进行总结写出项目总结报告及项目体会。
4.项目评价
（1）提交成果、评价总结。根据每个学生在该项活动中的参与程度、所起的作用、合作能力及成果等进行评价。项目结束后，学生应提交一份报告书。先由学生对自己维修的电机质量进行自我评价，总结自己的收获，分析自己的不足之处，确立以后应努力的方向；并给出自我评定等级。然后由教师进行检查评分。通过对比师生评价结果，找出造成评价结果差异的原因。
（2）教师对本项目进行评价总结。主要包括本项目的重要知识点，解释重要概念，学生在项目实施过程中出现的共性问题及解决方法，总结内容要求学生整理成文字资料以备今后复习巩固。
（3）成绩评定。1）组内评定：由各小组成员根据各组员对本项目贡献的情况进行互评，占成绩的40﹪，包括：工作量、努力程度、知识运用、合作互助四方面，各占25分。2）组间互评：学生们互相交流学习，取长补短，并推荐优秀电机，占成绩的20﹪。包括：实用、创新、工作态度、质量、知识运用五方面，各占20分。3）教师评定：由教师对各小组完成项目情况进行评定，占成绩的40﹪。如果只检查成果的话，小组内每个学生的成绩相同，这显然是不公平的，因此应对项目的全过程进行评价。观察小组工作中哪些学生是主角，做的工作多而且重要，哪些学生处于次要地位，是在别人的指导下工作的；和不同的学生谈话并提出一些问题来了解学生的知识技能掌握情况。包括实用、创新、工作态度、质量、知识运用五方面，各占20分。
（4）综合三个评定情况，确定每一名学生的学习成绩。
三、采用项目教学法的教学体会
（1）采用项目教学法组织教学，学生的热情高，往往能给教师意外的惊喜，发现了不少实践能力很强的学生，再以他们为各小组的组长，调动了他们的学习积极性。在整个项目实施过程中，学生不懂的问题能积极主动的向教师寻求帮助，学生的学习自觉性和主动性都有明显提高。
（2）项目教学法又称为“跨学科的课程”，它可以让不同的课程内容在教学中反映出来，事实上是相关课程整合的一种方式。因此采用项目教学法组织教学，对教材的要求也很高，项目教学中往往一本教材不能满足教学的需求，需要多本教材甚至多门学科结合使用。因此需要教师自编项目教材。
（3）采用项目教学法组织教学，在学生合作学习过程中极易出现成绩较好学生包办代替成绩相对落后的学生的工作，给一些喜欢偷懒的学生钻空子的现象，个别自学能力和自控能力都比较差的学生容易产生依赖思想。如果这部分学生的学习积极性没有充分调动起来，项目教学法也就没有创新和发展，很难取得好的教学效果。因此教师应该抽出大量的时间帮助程度比较差的学生，进行“因材施教”。
教学目标 以往的教材都注重对电机的理论分析。而本课程教学则会从学校实际出发，以培养应用型人才为宗旨，着重从应用角度出发，分析直流电机、变压器、异步电机和微特电机等的基本结构、工作原理、电磁关系和运行特性，重点掌握各种电机的外特性，为掌握本专业和学习后续课程打下基础。
在专业课程体系中的定位 《电机应用技术》是浙江大学城市学院自动化专业的专业方向课程，该课程的学习将为后续《电气控制与PLC应用》《交直流调速技术》和毕业设计等课程环节建立必要的基础，是自动化专业承上启下的重要专业课程。
在专业能力培养中的定位 该课程定位于让学生树立以交直流电机为控制对象的完整的自动控制系统的概念，结合已学过的电路原理、数字电子技术基础、模拟电子技术基础、单片机、电力电子技术等课程，搭建以电机为控制对象的闭环控制系统，并完成对电机性能的调试和控制。
与核心课程群中其他课程在知识体系与能力培养上的整体设计 《电机应用技术》与自动化专业的其他核心课程之间的关系，如下图所示。在一个完整的闭环控制系统中，《计算机控制》《单片机》《PLC》是控制手段，《电力电子技术》《数电》《模电》提供电机的驱动电路，《电机应用技术》构成系统的控制对象，《运动控制技术》和《控制系统设计》提供系统的理论概念和分析方法，《自动控制理论》《系统建模与仿真》《智能控制》偏重原理性地介绍和理论的分析，主要定位培养学生的系统概念和理论分析能力。
基础知识要求 要求掌握直流电机的结构和基本工作原理、直流电动机的电力拖动、变压器基本工作原理和变压器组别判断、交流电机的结构和基本工作原理、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、微特电机以及电动机的容量选择等。知识点：电力拖动系统的运动方程式;直流电机的工作原理、内部结构、用途、运行特性以及他励直流电机的起动、调速和制动;变压器的结构和工作原理、变压器空载运行和负载运行特性、变压器的接线组别判断;三相异步电动机的工作原理、内部结构、用途、工作特性、参数的测定、运行特性、三相异步电动机的起动、制动和调速问题;了解伺服电机、步进电机、测速发电机、无刷直流电动机的结构和基本工作原理。
能力培养要求 培养学生了解直流电机、变压器、交流电机的运行特性分析，同时结合已经学习过的电路原理、数字电子技术基础、模拟电子技术基础、单片机、电力电子技术等课程，搭建以电机为控制对象的闭环系统，树立闭环反馈系统的整体概念，完成对电机的性能分析和控制。技能点：能够搭建以电机为控制对象的闭环控制系统，并对电机性能进行分析，同时借助单片机等控制手段完成对电机的智能控制，能够独立完成闭环系统硬件搭建和调试，掌握PID等经典控制算法在实际系统中的应用。
实践教学要求 利用课外时间以三四人的小组为单位，搭建直流电机的闭环控制系统，要求完成硬件系统搭建、软件程序编写与调试以及报告的撰写。通过本次设计，增加学生对电机理论知识的感性认识，完成理论到实践的转换。
作业要求 随堂课后作业、课外引导性项目实践设计、网上在线测试。随堂与课堂讲授知识点匹配的作业要求跟随进度完成;课外引导性项目实践设计分6周完成，完成硬件系统搭建、软件程序编写与调试以及报告的撰写，实施分组进行。
考核要求 在理论考试中，加强基础、强调应用、注重引导、形式多样。充分利用试题的设计与收集，合理设计试题，着重考查学生对基本概念的理解掌握及应用所学知识的能力，淡化理论的推导和复杂的数学计算，着重考察学生综合应用电机及拖动知识的能力。调动学生积极性，结合教学互动，让学生参与到理论教学中来。开学初让学生组成学习小组，人数限定在2人或3人，指定组长，上一节课会将下节重要内容布置下去，每节课都预留部分时间，让学生对本节重点内容进行讲解。评价比例为：期末考试成绩占40%，平时成绩占60%，其中平时作业加到课率15%、课堂情况10%、平时测试15%、综合性设计（注重学生的个性化发展）20%。
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