對照同步電動機原理鑒識頻率自控的電機

童鐘良

（上海工程技術大學，上海 200336）

1 引言

術語“同步電機”頻繁出現在自控變頻電源饋電的電機系統有關文獻中，文獻[1]中把自控變頻電機調速系統內具有三相交流電樞和直流勵磁磁極的電動機指為本身是一臺同步電動機，而文獻[2]中將自控式同步電動機[3]作為同步電動機的新發展作介紹。

其實，同步電機和直流電機都是具有直流勵磁磁極（以下簡稱為“恒勵磁極”）的電機，作電動機運行時，所謂頻率自控，是指電樞方面或電源的頻率受到電機內恒勵磁極軸線之相對轉速所控制。文獻[4]中則用電機內的箝位概念闡明了上述自控功能，從電路上考察箝位效應，就是指電樞電流的頻率自控并且在相位上也受到箝制。從原理上講，像這樣的頻率自控本是直流電動機的特征，所以頻率自控的電動機理應認為是直流電動機技術的新發展，本文第4節將循著箝位思路揭示其內在聯系。

兩個相關的事物有所變動時往往存在著因果關系。對頻率自控的電動機來說，恒勵磁極軸線的變動總是占據主動，而電樞方面或電源頻率的相應變化則處于被動，也就是說乃前者為因后者為果的關系，直流電動機中就存在這樣的因果關系。而正常運行的同步電動機總是由電源或電樞電流的頻率來決定恒勵磁極之相對轉速的，所以顯示出以頻率為因、轉子轉速為果的因果關系。

另外，最近出版的文獻[5]把交流勵磁發電機納入下篇，并在緒論中說，從內部的電磁關系看，是同一類特殊的同步電機。由于轉子側交流勵磁的發電機通常可采用頻率它控與頻率自控兩種控制方式[5]，而實踐中所遇轉子側交流勵磁的發電機通常都采用頻率自控方式，它并不遵循同步電機原理運行，文獻[6]中卻把它編入同步電機篇第9章內，且免得與同篇第7章中交流（的）勵磁發電機重名而稱之為交流勵磁同步發電機，這點認識看來也值得商榷。

本文著意強調同步電機的作用原理，旨在說明，凡頻率自控的電機無論是電動機還是作發電機，只要不存在轉子失步及振蕩的，其實都不是同步電機。

2 同步電機的作用原理及其行為

這里，主要以同步電動機來說明。它通常是由定子繞組產生電樞旋轉磁動勢，旋轉磁動勢的轉速正比于電源頻率，轉子磁極上的勵磁繞組因為由直流饋電形成恒勵磁動勢。依靠兩側磁動勢在氣隙中相互吸引的原理，由旋轉的電樞磁動勢牽引恒勵的轉子磁動勢而運動，所以轉子轉速就是恒勵磁動勢的轉速。由于轉子乃是具有機械慣性的實體，機械慣性使得轉子轉速的變化率明顯小于電樞電流頻率的變化率。因此，在以電樞電流頻率為因的前提下，同步電動機唯有以恒頻電源饋電才能穩定運轉，否則頻率一旦變動，轉子便失步，電動機就不能維持穩定運轉了。

基本的恒頻電源是交流電網，同步電動機穩定運行時，氣隙合成磁場必以等于電網角頻率ω的角速度轉動，由此帶動恒勵磁極跟隨其后同速地轉動，致使恒勵磁極的軸線即d軸滯后于氣隙合成磁場的軸線一定的電角度δ，這在電樞電路上表現為空載反電動勢的相位比端電壓的相位滯后一定的相位差角δ。δ稱為功角，它的大小由負載決定并且隨負載的增減而改變，負載不變時它也不變，例如空載時δ＝0，倘若轉入發電機狀態δ則為負值。可見，猶如轉差率s是感應電機運行狀態的標志一樣，此處功角δ是個自變量，它是同步電機處于不同運行狀態下的標志。

對于并聯接在電網上運行的許多同步電動機來說，電網三相電壓ua、ub、uc的狀況總是一樣的，今以電動機出線端上的電壓降來表示三相電壓

而對每臺電動機來說，經過從a-b-c相軸系統到d-q軸系統的坐標變換之后的兩軸電壓降ud、uq卻是各不相同的

式（2）表明，由于各臺電動機承擔著不同的負載，使得各臺同步電動機的功角δ并不相同，所以各電動機內ud與uq的比值ud/uq＝tg(-δ)并不相同。

經過派克變換的同步電動機基本方程是常用于分析同步電動機的瞬態及穩態運行的有效方法，其中，電樞部分的電壓方程為

式中，ω是轉子轉動的角速度，磁鏈方程為

式（5）表明，在電網電壓大小和頻率恒定以及功角取決于負載的條件下，同步電動機中id與iq的比值id/iq不僅與if是過勵還是欠勵有關即與功率因數角φ有關，而且主要是與功角δ有關。據此可以獲得同步電動機的功角特性，即輸入功率

以xd=xq的隱極電機為例，在r=0的條件下，電磁轉矩

同步電動機穩定運行時U、ω及xd都是定值，if不變時E=定值，電磁轉矩T便是以功角δ為自變量的正弦函數。由于在同步電機內功角增減有著一定的自由度，因此可以解釋同步電動機在運行中為何會出現轉子失步、產生振蕩以及存在靜態穩定問題等一系列性能行為的原因。例如，在電源頻率為因亦即在變化中占主動地位的條件下，無論因為負載增減或者頻率改變，同步電動機總是先出現轉子失步以增減功角來改變電磁轉矩，然后達到新的轉矩平衡或者恢復磁動勢的相對靜止。具有機械慣性的轉子當轉速升降時必定伴隨動能的吸收或釋放，既然功角未受制約而是可以反復增減的，在此條件下，改變轉速的過程中就會出現振蕩[7]。

同步電動機所接的電源主要是電網，也包括它控變頻電源在內但不應是普遍意義的交流電源，因為交流電源之中還包括自控變頻電源。在自控變頻電源系統中，如下文所述，帶有磁極位置檢測器的那臺電機其實已經轉型屬于直流電動機類型了，而倘若把其他同步電動機并聯接至自控變頻電源是很難穩定運轉的。文獻[6]中先明確了同步電機之特征為轉子轉速與電網頻率間有恒定的比例關系，及至同步電動機那章卻又將特征改為轉子轉速與電源頻率間的關系，其用意顯然是為無換向器電動機納入同步電動機那章[6]尋求依據，但這一改動很值得商榷。

至于怎樣理解“同步電動機”這個名稱？在以電源頻率恒定為因的前提下，接在電網上并聯運行的多臺這種電動機的轉子轉速可以實現皆按同步速轉動，即極對數一樣的電機有相同的轉速，極對數不同的電機按與極對數成反比的轉速轉動，這才是“同步電動機”名稱的切實意義。

3 電樞電流頻率自控的電動機并非同步電動機

同步電動機只能采取變頻調速，而變頻電源有它控變頻與自控變頻之分，前者較早出現。在它控變頻電源饋電的情況下，同步電動機也只有當恒頻饋電時才能穩定運轉，變頻調速過程僅僅是電動機的暫態。

對具有交流電樞與恒勵磁極的電機，如果采取措施使其功角δ受到箝制而不能自由增減，那么，式（6）所示的關系即使依然成立，但由于正弦函數sinδ取某值的緣故，電動機運行中就不再會出現轉子失步、產生振蕩以及存在靜態穩定問題等一系列問題了。所采取的措施，當然必須滿足機電能量轉換的條件，即應保證定、轉子兩側磁動勢相對靜止，從電路角度講，就是應使電樞電流的頻率取決于轉子的轉速并且嚴格保持正比關系，這樣的措施，就是電樞電流的頻率自控，而此時式（6）的右端則由電流意義的比值U/xd（還有if）充當變量了。

將同步電動機置入自控變頻電源系統中，就相當于在交流電樞與恒勵磁極的電機出線端重置換向器與電刷構成直流電動機。由于電刷的一項重要任務是箝位[4]，在自控變頻電源系統中則由磁極位置檢測器來承擔箝位任務。在此情況下，與配置換向器、電刷不同的是，變頻電源就不限于直-交逆變器，也可以應用交-交變頻器。從電路角度考察，就是借助磁極位置檢測器來控制變頻電源的輸出頻率，以實現自控變頻。

更為重要的是，磁極位置檢測器所起的作用還使電樞三相電流的相位也是受箝的。例如，受到電動機內空載反電動勢之相位所制約，于是電樞三相電流可用下式表示

式（7）中A相電流ia的初相位角比電動機內空載反電動勢相位滯后確定的φ角。運用坐標變換將電樞三相電流ia、ib、ic變換為id、iq可得

這里，φ角是恒值不會隨負載的增減而改變，從而使id與iq之比值tgφ=id/iq成為定值。因為派克方程對于具有交流電樞與恒勵磁極的電機其實都是適用的，今以比值id/iq=定值尤其是φ=0作為約束條件代入派克方程，便能導出直流電動機的性能行為[4]。鑒于直流電動機也是自控變頻的電動機，所以頻率自控的電動機實際上已經轉型屬于直流電動機類型了。

當電動機由變頻電源饋電時，應用磁極位置檢測器不僅可以控制電動機內電樞電流的相位，而且也可以控制電動機端電壓的相位從而直接箝制功角δ，使功角喪失增減的自由度，電動機同樣不再呈現同步電動機的性能行為。

4 電樞電流頻率自控的電動機發展過程

雖然直流電動機的問世實際上比同步電動機更早，但起初人們其實是不自覺地應用了電樞電流頻率自控的這項技術。

以交流電樞與恒勵磁極的電機為基礎，欲使電樞電流的頻率自控最簡單的技術措施就是在電樞出線端裝設換向器和電刷，但此時須將電刷接至直流電源，讓電動機由直流電源饋電，依靠換向器、電刷組成逆變器。由于電刷總是與恒勵磁極置于同側的，故電刷還能起到自控電樞電流頻率的作用，又因為電刷接至直流電源的緣故，所以電樞繞組內流過的電流是方波電流。進一步發展的技術，是應用電力電子元件組成逆變電路接至直流電源，并用同轉子磁極共軸安裝的磁極位置檢測器來使電樞電流的頻率自控，這就是無換向器電動機。無換向器電動機電樞繞組內流過的也是方波電流，它與直流電動機的主要差別在于：大多數無換向器電動機的電樞上安置三相繞組，而直流電動機的電樞繞組則為閉路接法的多相交流饒組，后者能使電樞磁動勢在電樞鐵心上幾乎保持勻速轉動而只有極微的跳躍，可見無換向器電動機完全是按照直流電動機原理工作的電動機，它理應屬于直流電動機技術的新發展。更進步的技術是向電樞三相繞組饋入頻率自控的對稱三相正弦波交變電流，這樣理論上就能使電樞磁動勢完全勻速轉動了。由于較之頻率自控更為重要的是電樞電流的相位必須處于受控狀態，而正弦波電流與方波電流的重要差別在于前者在不同瞬間有不同的電流瞬時值，這一點恰與電樞電流的相位控制關系密切，所以要求對轉子磁極在不同瞬間所處位置狀況檢測得更為精密細致，也就是對磁極位置檢測器提出了更高的技術要求，此外，對稱三相正弦波變頻電源的制作技術也更復雜。然而從原理上講，它仍是在模擬直流電動機的頻率自控手段，所以還是直流電動機技術的進一步發展。

綜上所述可知，正弦波電流與方波電流的區別并不會導致形成或產生不同類型電機，同步電機與直流電機的類型區別也不是因為正弦波電流與方波電流之波形不同所造成的。

5 勵磁電壓頻率自控的發電機應是異步發電機

同步電機原理并不局限于僅為無箝位的交流電樞與恒勵磁極的電機所遵循，異步電機在特定情況下也會呈現同步電機的運行特征。本文在前面解釋過同步電機名稱的由來，但不能視為對同步電機原理所下的定義。

在轉子側交流勵磁的發電機中，轉子磁動勢在轉子鐵心上勻速連續移動，導致轉子轉速不同于電樞旋轉磁動勢的同步速，即處于異步狀態。轉子頻率它控的發電機穩定運行時，由于轉子磁動勢的移動速度不改變，以致轉子轉速總須維持原值，即轉差率s是負的定值，這樣的電機內仍存在著增減有一定自由度的功角δ，功角仍作為自變量。當發電機出現動態情況時，勵磁電壓的頻率不能跟隨轉子轉速的變動而調整，所以仍會出現轉子喪失原速、產生振蕩等一系列問題。可見轉子頻率它控的交流勵磁的發電機同樣會呈現同步電機的運行特征。

對于轉子頻率自控的交流勵磁的發電機來說，轉差率s將隨輸出有功功率的增減而變動，勵磁電壓的頻率則隨轉差率的變化而自控調整，發電機運行中便以轉差率s作為自變量。文獻[5]在闡述其基本電磁關系與數學模型時，也是用感應電機的電壓方程式、歸算方法、等效電路、相量圖及功率關系來進行分析的。轉子側交流勵磁的發電機輸出有功功率中既包含取決于定子電壓大小和轉差率s的感應功率成分，又包含由定、轉子電壓的大小以及其相位差δ所決定的、與δ角成正弦函數關系的雙饋功率成分。發電機正常運行時，感應功率不可調控，但調節轉子勵磁電壓的幅值和相位可以調控雙饋功率分量，而控制轉子勵磁電壓的相位必牽制了轉子磁場軸線對定子磁場軸線的交角δ。盡管雙饋功率的大小總是取決于δ角的正弦函數，但關鍵在于δ角處于受控狀態下正弦函數總是取限定值的，所以不會出現振蕩，文獻[5]在第8章中已用仿真計算曲線證明了它的有功功率調節過程是相當穩定的。

為了調節轉子勵磁電壓的幅值和相位，可行方案之一是在勵磁系統中應用矢量變換控制。文獻[4]中已指出，矢量變換控制思想的基礎是對電動機內的電樞電流實施相位控制，矢量變換是手段和形式，相位控制才是它的實質。對轉子勵磁電壓實施相位控制必定同時伴隨頻率自控，所以并不會呈現同步電機的運行特征。

長期以來我國電機界一直認為交流電機包括同步電機和異步電機兩類型，并說感應電機是異步電機的別名，現在明確了：感應電機才是基本類型的電機之一[6-8]。轉子側交流勵磁的發電機其轉子電流無疑主要不是靠電磁感應產生的，但其轉子轉速像感應電機那樣具有異步特征即存在轉差，所以它還是異步電機，文獻[1]將繞線型雙饋異步電動機列入特種電機篇之中是值得借鑒的。既然實踐中所遇轉子側交流勵磁的發電機通常都采用頻率自控方式，它以轉差率s作自變量而交角δ是處于受控狀態下的，所以就不是同步發電機而是繞線型雙饋異步電機的應用之一，它是交流勵磁異步發電機（注意，這與感應發電機是完全不同的）。

對繞線型異步電機的運行倘若施加某些約束，例如令轉差率s不作為變量而是取定值，它便會呈現同步電機的特征或者變壓器的特征，前者包括對轉子饋以直流令其持續s=0運轉，后者是將轉子堵住保持s=1工作，但都僅僅是在原理上與同步電機或者變壓器原理一致而并非實用的同步電機和變壓器。可見，轉子頻率它控的交流勵磁的發電機也只是因為在繞線型雙饋異步電機上施加了保持轉差率s為非零定值的約束才呈現同步電機特征的，繞線型異步電機這種表現特征之多樣性充分說明它不是基本類型電機而可視為特種電機。

6 結論

分類問題在各門學科的研究與發展中都占一席地位。合理的歸類有助于正確認識客觀世界和促進技術創新，推動學科向縱深發展。

直流電機與同步電機都有直流勵磁磁極和多相交流電樞，卻為何成為不同類型的電機？前者無非是多了換向器、電刷且由直流電源饋電罷了。它們屬于不同類型電機的根據不是結構上的局部差異或者所連接的交、直流電源之不同，而在于工作原理上的不同。同步電動機是指功角的增減有著一定自由度的電機，未受制約的功角在非穩態情況下可以反反復復地增大又減小從而引起振蕩。相比之下，直流電動機便是內功率因數角受箝制的電機，其電樞電流頻率與轉子轉速的關系雖和同步電機一樣總是成正比的，但在直流電動機中這一關系卻轉化成以轉子轉速的變化為因、頻率的改變為果的因果關系了。頻率自控正是這種因果關系的外觀表現。

在變頻電源上實施頻率自控的同時必定伴隨對電動機內電樞電流的相位或者端電壓的相位也實施了控制，實質上就是對電機氣隙中定、轉子兩側磁動勢或磁場軸線的相對位置（或稱夾角）實施了控制。直流電動機靠裝在機座內的電刷箝位，而磁極位置檢測器則是裝在機外對電動機實施箝位的元件。所以凡是頻率自控的電機，不論頻率自控是在電樞側還是勵磁的轉子側，只要存在箝位，電機內就不存在增減有一定自由度的功角了。

電樞側頻率自控的（交流）電動機既不可能接在自控變頻電源上并聯運行，也不可能實現同步轉動，所以不是自控式同步電動機而是（交流）箝位電動機，屬于直流電動機類型，而本文已闡明，現代直流電動機實乃頻率自控的電動機，故或可稱為屬于箝位電動機類型。

[1] 仲明振等主編.中國電氣工程大典第15卷電氣傳動自動化[M].北京:中國電力出版社,2009:80.

[2] 中國電工技術學會.電工高新技術叢書第6分冊電動機的新發展[M].北京:機械工業出版社,2001.

[3] 李發海,朱東起.電機學(第四版)[M].北京:科學出版社,2007.

[4] 童鐘良.存在箝位效應的直流和交流電動機[J].電氣技術,2009(10):12-15.

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[6] 唐任遠等主編.中國電氣工程大典第9卷電機工程[M].北京:中國電力出版社,2008.

[7] 童鐘良.“自控變頻同步電機”系統中的交流電機是箝位電動機[J].電機與控制應用,2008(6):5-7.

[8] 許實章.電機學(修訂本)下冊[M].北京:機械工業出版社,1990.