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异步电机主要用途和特点
异步电机主要用作电动机，拖动各类生产机械。例如：在工业方面，用于拖动中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等；在农业方面，用于拖动风机、水泵、脱粒机、粉碎机以及其他农副产品的加工机械等；在农用电器方面的电扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电机拖地的。
异步电机的优点是结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高且实用性强，缺点是功率因数较差。异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。
三相交流异步电机的结构和工作原理
三相交流异步电机主要由定子和转子两部分组成的，定、转子中间是空气隙。此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。具体简述如下。
1、 异步电动机的定子
异步电动机的定子由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。
定子铁心是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁心损坏，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，在硅钢片的两面还应涂上绝缘漆。在定子铁心内圆上开有槽，槽内放置定子绕组。高压大、中型容量异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成 形或Y形。机座的作用主要是固定与支撑定子铁心。
2、 气隙
异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~1.5mm。异步电动机的励磁电流是由定子电源供给的。气隙大时，要求的励磁电流也大，从而影响电动机的功率因数。为了提高功率因数，因尽量让气隙小些，但也不能太小，否则定子和转子有可能发生摩擦或碰撞。
3、 异步电动机的转子
异步电动机的转子由转轴、转子铁心和转子绕组三个部分组成。
定子铁心是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。整个转子铁心固定在转轴上，或固定在转子支架上，转子支架再套在转轴上。转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电机旋转。
4、 其他部件
端盖起支撑作用，轴承起连接转动部分与不动部分，风扇起冷冻电动机的作用。
异步电动机的工作原理
在交流电动机的定子铁心中，沿空间分布均匀分布三个绕组，每个绕组轴相互错开120度。交流异步电机的转子有两种结构形式即绕线转子和笼型转子。绕线转子中的三相绕组如同定子一样， 布置在转子铁心上，并与外部相联接，笼型转子不与电源联接，转子绕组自行闭合，所以结构简单，运行可靠。当三相异步电机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁通势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流i，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，由左手定则确定受力方向，如图中所示。转子受力，产生转矩T，便为电磁转矩，方向与旋转磁通势同方向，转子便在该方向上旋转起来。
转子旋转后，转速为n，只要n<n1（n1为旋转磁通势同步转速），转子导条与磁场有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩T为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。
n<n1
T
f
e
i
S
N
F

图1 异步电动机工作原理
异步电动机直接转矩控制系统
1985年德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制理论，他发现直接去控制异步电动机的电磁转矩和电机定子磁链，而删去电流闭环有更好的动态性能。和矢量控制不同，直接转矩控制摈弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制有以下几个特点：
1） 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；即不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变化与计算。因而，它所需要的信号处理工作比较简单。
2） 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的转子磁链轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。
3） 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单明了。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是直接把转矩作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波形，也不追求磁链完全理想的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形轨迹。
4） 直接转矩控制对转矩实施直接控制。其控制方式是，通过转矩两点调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。
综上所述，直接转矩控制用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，借助于Bang-Bang式调节器产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。
2.2 异步电动机直接控制原理
异步电机直接转矩控制系统是依据异步电动机定子轴系的数学模型而建立起来的，因此掌握异步电动机定子轴系的数学模型对分析和设计直接转矩控制系统是非常必要的。
2.2.1 异步电动机定子轴系的数学模型
定子轴系的电压矢量可表示为

式中，

2.2.2 由定子轴系的数学模型分析直接转矩控制的基本思想
由转矩方程可得，若定子磁链和转子磁链为常数，则对转矩的调节和控制作用就是明显的。由于转子磁链的变化总滞后于定子磁链，因此，在短暂的动态过程中，就可以认为转子磁链不变，只要通过控制定子磁链的幅值不变。就通过调节来控制和改变电磁转矩，这是直接转矩控制的实质。
2.2.3 异步电动机定子磁链和电磁转矩的控制原理
1. 逆变器的开关状态和逆变器输出的电压状态
两电平电压型逆变器由3组、6个开关组成。由于 与 、 与 、 与
之间互为方向，即一个接通，另一个断开，所以开关组合有八种可能，若规定A、B、C三相负载的某一相与正极接通时，该相的开关状态为1；反之，负极接通时为0。8种可能的开关状态可以分为两类：一类是6种所谓的工作状态，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一种开关状态是零开关状态，它们的特点是三相负载都接到相同的电位上去。无论三相负载与正极还是负极接通，负载电压都为零。
对于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。如果用符号 （t）表示逆变器输出电压状态的空间矢量关于逆变器的电压状态的表示与开关的对照表见下表。表中的SABC开关状态对应 、 和 的开关状态。
表1 逆变器的电压状态与开关状态的对照关系

状 态
工 作 状 态
零 状 态
1
2
3
4
5
6
7
8
SABC开关状态
011
001
101
100
110
010
000
111
电压状态
表示一

表示二
1
2
3
4
5
6
7

2. 电压空间矢量
在对异步电动机进行分析和控制时，若引入Park矢量会带来很多方便。Park矢量变换将三个标量变换为一个矢量。如果三相异步电动机中对称的三相物理量如图所示，选三相定子坐标系的A轴与Park矢量复平面的实轴重合，则其三相物理量、、的Park矢量为
=
式中，为复系数，成为旋转因子，。

C
B

A
旋转空间矢量的某个时刻在某相轴线上的投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。

空间矢量分量的定义

A

B

C
根据上述定义，可以描述电压空间矢量在坐标系的定子三相坐标系上的相对位置。如下图所示，三相坐标系中的A轴与复平面正交的坐标系的实轴轴重合。

电压空间矢量在坐标系中的离散位置
由此可得逆变器6个工作状态给出了6个不同方向的电压空间矢量，它们周期性的顺序出现，相邻两个矢量之间相差60度；电压空间矢量的幅值不变，因此6个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的6个顶点；六个电压空间矢量是顺序是~出现，它们依次沿着逆时针方向旋转；零电压状态位于六边形的中心。
3. DTC磁链控制
由于电动机转矩与磁链大小有关，为了精确控制转矩，必须同时控制磁链，使其在转矩调节期间幅值不变或变化不大。
DTC的磁链控制通过磁链滞环Bang-Bang控制器实现，它的输入是定子磁链幅值给定及来自电动机模型的定子磁链幅值实际值，滞环宽带为。而DTC的定子磁链为圆形，并且将其分为六个扇区，每个扇区中有一个有效基本电压矢量。在忽略定子电阻电压降后，定子磁链矢量只与电压空间矢量有关，即施加一个电压空间矢量，定子磁链矢量将从起始点沿着该电压矢量方向运动，该用另一个电压矢量后，其将从改变时刻的位置沿着新的方向继续运动。
假设某一时刻来自于电动机模型的定子磁链矢量位于扇区1时，选取该扇区对应的电压空间矢量，并沿着该方向运动，幅值增大，当其增大到一定范围内后，磁链调节器运作，该变电压空间矢量，随后磁链矢量改变方向运转，幅值减小，当减小到一定值时，变回原有的电压空间矢量值，幅值有增大，如此更替变换，使磁链矢量沿着近似圆弧轨迹运动，且幅值保持基本不变。
4. DTC转矩控制
DTC的转矩控制通过转矩滞环Bang-Bang控制器实现，它的输入是转速调节器输出的转矩给定及来自转矩观测器的转矩实际值，滞环宽度。
其控制原理与磁链控制基本相同，假设某一时刻，系统工作与一点，且其达到转矩的上限动作值，转矩调节器输出翻转，电压空间矢量从有效矢量变成零矢量，定子磁链矢量停止转动，这是电动机转子在转，且转子电动势矢量反方向，使转子电流及转矩减小，定子转矩逐渐下降，当达到转矩的下限动作值时，转矩调节器输出转回原状态，电压矢量从零矢量变回有效矢量，定子磁链矢量恢复运转，转矩逐渐上升。如此反复，定子转矩始终在转矩给定两边摆动。