如果你對感應馬達還不熟悉，閱讀這篇文章能讓你對感應馬達有大概念！
我們從感應馬達的基礎出發（將感應馬達視作標準馬達），
通過對感應馬達的基本了解（原理、結構與轉速），
我們接著介紹為何需要進階的控制方法（如逆變器控制：V/f控制、VVVF控制），並理解這些控制方法如何改善馬達的性能。
最後，以作為標準馬達的一般感應馬達，與逆變器專用馬達作比較。
本篇為《電力電子學圖鑑》的學習整理，
如果有興趣的朋友可以去看看，並從中瞭解到更多生活中電力電子學的應用。
一、感應馬達的原理與結構
感應馬達是代表性的交流馬達。
以旋轉磁場驅動，也就是轉子導體與定子旋轉磁場產生相對運動。
這個旋轉磁場的產生，是在交流電通過定子線圈時。
接著，旋轉磁場在轉子導體上感應出電流，因為轉子導體在磁場中切割磁力線而感應出電流（法拉第電磁感應定律）。
轉子中的感應電流與磁場相互作用產生力矩（轉矩），從而使轉子轉動。
而轉矩改變時，轉速也會有些微變化。
關於感應馬達的結構：
- 定子：包含多個繞組，這些繞組在交流電作用下產生旋轉磁場。因為以旋轉磁場驅動，所以不需要電刷與整流子。
- 轉子：可以是鼠籠式或繞線式。在鼠籠式轉子中，鋁或銅條被嵌入到鐵芯的溝槽中，並在兩端通過短路環連接。在繞線式轉子中，則包含繞組，類似於定子繞組，並且通過集電環和刷子與外部電路連接。
此外，感應馬達的別稱為「異步馬達」，
因為其轉子速度不等於同步轉速（旋轉磁場的速度）。
要瞭解其原理，可看以下這部影片：
簡單來說，就是阿拉哥圓盤的原理：
當磁鐵順時針移動時，中間的銅盤也會跟著順時針轉動；
而馬達的轉子就像中間的銅盤，當磁場順時針旋轉時，轉子被帶動跟著順時針轉動。
二、感應馬達的轉速
感應馬達的轉速與交流電流的頻率成正比。
$$N_s=\frac{120 \times f(Hz) }{P} \\ N=N_s \times (1-s) $$
另外，感應馬達的轉速N由同步速率Ns與轉差s決定。
同步速率Ns是理想情況下無負載時感應馬達的轉速，它與交流電頻率f和馬達的極數P有關。
交流電的頻率與電壓固定時，感應馬達的轉速N會比同步速率Ns略慢一些。
轉差s為同步速率Ns與實際轉速N的差，通常是小於0.1的小數值。
轉差s是感應馬達正常運作的必要條件，
因為如果轉子以同步速度Ns旋轉，就不會在轉子上感應出電流，也就不會有驅動力矩。
轉子的轉速會隨著負載的增加而減小，因為需要更大的力矩來克服負載，所以轉差也會更大。
可見轉矩與轉差大致成正比。
三、閉環控制與逆變器的重要性
閉環控制是透過反饋系統，使馬達的操作能夠根據實際情況進行調整。
當改變負載轉矩或交流電壓時，感應馬達的轉差會跟著改變，並繼續轉動。
因此，感應馬達的轉速會隨著轉差變化，而透過閉環控制系統的幫助，就可以實現精確調節。
這麼說來，感應馬達可以根據負載變化自動調整，無需手動控制。
但是，當需要對感應馬達的轉速進行精確控制時，通常需要逆變器來提供固定的電壓和頻率輸出，這就是所謂的閉環控制。
總之，逆變器的作用是在閉環控制系統中，通過保持固定的電壓和頻率來實現對感應馬達轉速的精確控制。
說到以逆變器控制感應馬達的方法，書中提了兩種：V/f控制與VVVF控制。
1. V/f控制
V/f控制，顧名思義，是一種維持電壓V與頻率f的比值固定的控制方法。
當比值固定時，即使頻率改變，馬達的磁通量、轉矩仍固定。
因為馬達的磁通量和轉矩T之間的關係可以使用下列公式表示：
$$T\propto \frac{\Phi^2}{f}$$
這個公式表明轉矩T和磁通量的平方成正比，與頻率f成反比。
而在V/f比值固定的情況下，頻率和電壓之間的比值保持不變，即：
$$V=常數\times f$$
然後，將這個等式代入磁通量和轉矩的關係公式：可以得到：
$$T\propto \frac{\Phi^2}{V}$$
這表示在V/f比值固定的情況下，轉矩 T和磁通量的平方成正比，電壓成反比。
因此，V/f比值固定時，即使頻率改變，馬達的磁通量、轉矩仍固定。
2. VVVF控制
此為另一常用的控制方法，較V/f控制進階。
VVVF控制的主要目標是在不同的工作條件下實現對馬達的高效、靈活控制。
當固定V/f，轉速有其上限，這個上限轉速就叫做基本轉速。
VVVF控制通常根據馬達的轉速區間采取不同的控制策略：
| 小於基本轉速時（低轉速區間） | 大於基本轉速時（高轉速區間） |
| 在這個區間，VVVF控制採用V/f控制， 也就是將電壓和頻率的比例保持不變。 這被稱為定轉矩控制， 目的是在低轉速時提供較高的轉矩， 以應對啟動和低速運行時的需求。 | 在這個區間，VVVF控制固定電壓， 僅改變頻率，這被稱為定輸出控制。 如此有助於提高馬達的運行效率，減少能耗， 同時確保穩定的運行。 要注意的是，大於基本轉速時，馬達的轉矩與轉速成反比， 這是因為固定電壓，增加頻率將降低馬達的轉矩。 |
總的來說，VVVF控制綜合了電壓和頻率的變化，以實現對感應馬達全速域的高效控制。
這種策略不僅能夠應對啟動和低速運行時的需求，還能夠在高速運行時保持穩定並節約能源。
這使得VVVF控制成為現代工業應用中常見且有效的馬達控制方法。
3. 逆變器專用馬達
一般的感應馬達是標準馬達，也就是可以三相交流電直接驅動。
而針對V/f控制或VVVF控制等控制策略去優化的馬達，被稱為逆變器專用馬達。
一般的逆變器可控制標準馬達，不過如果改用逆變器專用馬達的話，效率會更好。
因為一般逆變器產生的輸出電壓和電流，通常不是純正弦波，而是包含了諧波。
這些諧波會在標準馬達中產生額外的熱量和電應力，降低其效率和壽命。
相較之下，逆變器專用馬達被設計來抵抗這些諧波，並且耗散更少能量，所以也更不會過熱。
四、重點整理
我們從感應馬達的基礎出發（將感應馬達視作標準馬達），
通過對感應馬達的基本了解，我們可以更清楚地認識到為何需要進階的控制方法（如逆變器控制：V/f控制、VVVF控制）。
最後，以作為標準馬達的一般感應馬達，與逆變器專用馬達作比較。
以下為本篇的重點整理：
- 原理與結構：感應馬達是一種交流馬達，它透過旋轉磁場驅動轉子，從而產生轉矩，而不需要電刷；至於轉子則由導電條構成，在兩端由環形導體連接，形成類似鼠籠的結構。
- 轉速與同步速率：感應馬達的轉速幾乎與交流電流的頻率成正比，但實際轉速會略慢於同步速率，這稱為轉差。這個轉差是必要的，以便在轉子上感應出電流。
- 逆變器控制：感應馬達可以在固定電壓和頻率的情況下穩定運轉，但若要控制轉速，則需要逆變器來實現控制。
- V/f固定控制：這是一種逆變器控制方法，透過維持電壓和頻率的比值固定，來穩定磁通量和轉矩。（適用於需要穩定轉矩的應用。）
- VVVF控制：是一種在不同轉速區間使用不同的控制策略，以提高效率並應對不同負載情況。
- 逆變器專用馬達：逆變器專用馬達設計用來抵抗逆變器產生的諧波，提高效率和壽命。
總結來說，感應馬達是一種常見的交流馬達，其工作原理和控制方法可以通過逆變器來實現精確控制，從而應對不同應用場景的需求。
補充：應用考量
在選擇和應用感應馬達時，需考慮以下因素：
- 負載特性：對於重負載啟動或需要高啟動轉矩的應用，選擇異步速度較高的馬達可能更合適。因為較高的異步速度（轉子速度與同步速度之間的差異）意味著轉子繞組會在旋轉磁場中切割更多的磁力線。這將導致較大的感應電流，從而產生較大的啟動轉矩。這種馬達適合於需要強大啟動力但不一定需要非常高效率的應用。
- 效率與經濟性：長時間運行的應用中，選擇效率高、異步速度低的馬達更為經濟。因為較低的異步速度意味著轉子與同步速度的差距較小，這會降低轉子中的感應電流，從而減少能量損耗，也較不易發熱。