童钟良

（上海工程技术大学，上海 200336）

1 引言

术语“同步电机”频繁出现在自控变频电源馈电的电机系统有关文献中，文献[1]中把自控变频电机调速系统内具有三相交流电枢和直流励磁磁极的电动机指为本身是一台同步电动机，而文献[2]中将自控式同步电动机[3]作为同步电动机的新发展作介绍。

其实，同步电机和直流电机都是具有直流励磁磁极（以下简称为“恒励磁极”）的电机，作电动机运行时，所谓频率自控，是指电枢方面或电源的频率受到电机内恒励磁极轴线之相对转速所控制。文献[4]中则用电机内的箝位概念阐明了上述自控功能，从电路上考察箝位效应，就是指电枢电流的频率自控并且在相位上也受到箝制。从原理上讲，像这样的频率自控本是直流电动机的特征，所以频率自控的电动机理应认为是直流电动机技术的新发展，本文第4节将循着箝位思路揭示其内在联系。

两个相关的事物有所变动时往往存在着因果关系。对频率自控的电动机来说，恒励磁极轴线的变动总是占据主动，而电枢方面或电源频率的相应变化则处于被动，也就是说乃前者为因后者为果的关系，直流电动机中就存在这样的因果关系。而正常运行的同步电动机总是由电源或电枢电流的频率来决定恒励磁极之相对转速的，所以显示出以频率为因、转子转速为果的因果关系。

另外，最近出版的文献[5]把交流励磁发电机纳入下篇，并在绪论中说，从内部的电磁关系看，是同一类特殊的同步电机。由于转子侧交流励磁的发电机通常可采用频率它控与频率自控两种控制方式[5]，而实践中所遇转子侧交流励磁的发电机通常都采用频率自控方式，它并不遵循同步电机原理运行，文献[6]中却把它编入同步电机篇第9章内，且免得与同篇第7章中交流（的）励磁发电机重名而称之为交流励磁同步发电机，这点认识看来也值得商榷。

本文着意强调同步电机的作用原理，旨在说明，凡频率自控的电机无论是电动机还是作发电机，只要不存在转子失步及振荡的，其实都不是同步电机。

2 同步电机的作用原理及其行为

这里，主要以同步电动机来说明。它通常是由定子绕组产生电枢旋转磁动势，旋转磁动势的转速正比于电源频率，转子磁极上的励磁绕组因为由直流馈电形成恒励磁动势。依靠两侧磁动势在气隙中相互吸引的原理，由旋转的电枢磁动势牵引恒励的转子磁动势而运动，所以转子转速就是恒励磁动势的转速。由于转子乃是具有机械惯性的实体，机械惯性使得转子转速的变化率明显小于电枢电流频率的变化率。因此，在以电枢电流频率为因的前提下，同步电动机唯有以恒频电源馈电才能稳定运转，否则频率一旦变动，转子便失步，电动机就不能维持稳定运转了。

基本的恒频电源是交流电网，同步电动机稳定运行时，气隙合成磁场必以等于电网角频率ω的角速度转动，由此带动恒励磁极跟随其后同速地转动，致使恒励磁极的轴线即d轴滞后于气隙合成磁场的轴线一定的电角度δ，这在电枢电路上表现为空载反电动势的相位比端电压的相位滞后一定的相位差角δ。δ称为功角，它的大小由负载决定并且随负载的增减而改变，负载不变时它也不变，例如空载时δ＝0，倘若转入发电机状态δ则为负值。可见，犹如转差率s是感应电机运行状态的标志一样，此处功角δ是个自变量，它是同步电机处于不同运行状态下的标志。

对于并联接在电网上运行的许多同步电动机来说，电网三相电压ua、ub、uc的状况总是一样的，今以电动机出线端上的电压降来表示三相电压

而对每台电动机来说，经过从a-b-c相轴系统到d-q轴系统的坐标变换之后的两轴电压降ud、uq却是各不相同的

式（2）表明，由于各台电动机承担着不同的负载，使得各台同步电动机的功角δ并不相同，所以各电动机内ud与uq的比值ud/uq＝tg(-δ)并不相同。

经过派克变换的同步电动机基本方程是常用于分析同步电动机的瞬态及稳态运行的有效方法，其中，电枢部分的电压方程为

式中，ω是转子转动的角速度，磁链方程为

式（5）表明，在电网电压大小和频率恒定以及功角取决于负载的条件下，同步电动机中id与iq的比值id/iq不仅与if是过励还是欠励有关即与功率因数角φ有关，而且主要是与功角δ有关。据此可以获得同步电动机的功角特性，即输入功率

以xd=xq的隐极电机为例，在r=0的条件下，电磁转矩

同步电动机稳定运行时U、ω及xd都是定值，if不变时E=定值，电磁转矩T便是以功角δ为自变量的正弦函数。由于在同步电机内功角增减有着一定的自由度，因此可以解释同步电动机在运行中为何会出现转子失步、产生振荡以及存在静态稳定问题等一系列性能行为的原因。例如，在电源频率为因亦即在变化中占主动地位的条件下，无论因为负载增减或者频率改变，同步电动机总是先出现转子失步以增减功角来改变电磁转矩，然后达到新的转矩平衡或者恢复磁动势的相对静止。具有机械惯性的转子当转速升降时必定伴随动能的吸收或释放，既然功角未受制约而是可以反复增减的，在此条件下，改变转速的过程中就会出现振荡[7]。

同步电动机所接的电源主要是电网，也包括它控变频电源在内但不应是普遍意义的交流电源，因为交流电源之中还包括自控变频电源。在自控变频电源系统中，如下文所述，带有磁极位置检测器的那台电机其实已经转型属于直流电动机类型了，而倘若把其他同步电动机并联接至自控变频电源是很难稳定运转的。文献[6]中先明确了同步电机之特征为转子转速与电网频率间有恒定的比例关系，及至同步电动机那章却又将特征改为转子转速与电源频率间的关系，其用意显然是为无换向器电动机纳入同步电动机那章[6]寻求依据，但这一改动很值得商榷。

至于怎样理解“同步电动机”这个名称？在以电源频率恒定为因的前提下，接在电网上并联运行的多台这种电动机的转子转速可以实现皆按同步速转动，即极对数一样的电机有相同的转速，极对数不同的电机按与极对数成反比的转速转动，这才是“同步电动机”名称的切实意义。

3 电枢电流频率自控的电动机并非同步电动机

同步电动机只能采取变频调速，而变频电源有它控变频与自控变频之分，前者较早出现。在它控变频电源馈电的情况下，同步电动机也只有当恒频馈电时才能稳定运转，变频调速过程仅仅是电动机的暂态。

对具有交流电枢与恒励磁极的电机，如果采取措施使其功角δ受到箝制而不能自由增减，那么，式（6）所示的关系即使依然成立，但由于正弦函数sinδ取某值的缘故，电动机运行中就不再会出现转子失步、产生振荡以及存在静态稳定问题等一系列问题了。所采取的措施，当然必须满足机电能量转换的条件，即应保证定、转子两侧磁动势相对静止，从电路角度讲，就是应使电枢电流的频率取决于转子的转速并且严格保持正比关系，这样的措施，就是电枢电流的频率自控，而此时式（6）的右端则由电流意义的比值U/xd（还有if）充当变量了。

将同步电动机置入自控变频电源系统中，就相当于在交流电枢与恒励磁极的电机出线端重置换向器与电刷构成直流电动机。由于电刷的一项重要任务是箝位[4]，在自控变频电源系统中则由磁极位置检测器来承担箝位任务。在此情况下，与配置换向器、电刷不同的是，变频电源就不限于直-交逆变器，也可以应用交-交变频器。从电路角度考察，就是借助磁极位置检测器来控制变频电源的输出频率，以实现自控变频。

更为重要的是，磁极位置检测器所起的作用还使电枢三相电流的相位也是受箝的。例如，受到电动机内空载反电动势之相位所制约，于是电枢三相电流可用下式表示

式（7）中A相电流ia的初相位角比电动机内空载反电动势相位滞后确定的φ角。运用坐标变换将电枢三相电流ia、ib、ic变换为id、iq可得

这里，φ角是恒值不会随负载的增减而改变，从而使id与iq之比值tgφ=id/iq成为定值。因为派克方程对于具有交流电枢与恒励磁极的电机其实都是适用的，今以比值id/iq=定值尤其是φ=0作为约束条件代入派克方程，便能导出直流电动机的性能行为[4]。鉴于直流电动机也是自控变频的电动机，所以频率自控的电动机实际上已经转型属于直流电动机类型了。

当电动机由变频电源馈电时，应用磁极位置检测器不仅可以控制电动机内电枢电流的相位，而且也可以控制电动机端电压的相位从而直接箝制功角δ，使功角丧失增减的自由度，电动机同样不再呈现同步电动机的性能行为。

4 电枢电流频率自控的电动机发展过程

虽然直流电动机的问世实际上比同步电动机更早，但起初人们其实是不自觉地应用了电枢电流频率自控的这项技术。

以交流电枢与恒励磁极的电机为基础，欲使电枢电流的频率自控最简单的技术措施就是在电枢出线端装设换向器和电刷，但此时须将电刷接至直流电源，让电动机由直流电源馈电，依靠换向器、电刷组成逆变器。由于电刷总是与恒励磁极置于同侧的，故电刷还能起到自控电枢电流频率的作用，又因为电刷接至直流电源的缘故，所以电枢绕组内流过的电流是方波电流。进一步发展的技术，是应用电力电子元件组成逆变电路接至直流电源，并用同转子磁极共轴安装的磁极位置检测器来使电枢电流的频率自控，这就是无换向器电动机。无换向器电动机电枢绕组内流过的也是方波电流，它与直流电动机的主要差别在于：大多数无换向器电动机的电枢上安置三相绕组，而直流电动机的电枢绕组则为闭路接法的多相交流饶组，后者能使电枢磁动势在电枢铁心上几乎保持匀速转动而只有极微的跳跃，可见无换向器电动机完全是按照直流电动机原理工作的电动机，它理应属于直流电动机技术的新发展。更进步的技术是向电枢三相绕组馈入频率自控的对称三相正弦波交变电流，这样理论上就能使电枢磁动势完全匀速转动了。由于较之频率自控更为重要的是电枢电流的相位必须处于受控状态，而正弦波电流与方波电流的重要差别在于前者在不同瞬间有不同的电流瞬时值，这一点恰与电枢电流的相位控制关系密切，所以要求对转子磁极在不同瞬间所处位置状况检测得更为精密细致，也就是对磁极位置检测器提出了更高的技术要求，此外，对称三相正弦波变频电源的制作技术也更复杂。然而从原理上讲，它仍是在模拟直流电动机的频率自控手段，所以还是直流电动机技术的进一步发展。

综上所述可知，正弦波电流与方波电流的区别并不会导致形成或产生不同类型电机，同步电机与直流电机的类型区别也不是因为正弦波电流与方波电流之波形不同所造成的。

5 励磁电压频率自控的发电机应是异步发电机

同步电机原理并不局限于仅为无箝位的交流电枢与恒励磁极的电机所遵循，异步电机在特定情况下也会呈现同步电机的运行特征。本文在前面解释过同步电机名称的由来，但不能视为对同步电机原理所下的定义。

在转子侧交流励磁的发电机中，转子磁动势在转子铁心上匀速连续移动，导致转子转速不同于电枢旋转磁动势的同步速，即处于异步状态。转子频率它控的发电机稳定运行时，由于转子磁动势的移动速度不改变，以致转子转速总须维持原值，即转差率s是负的定值，这样的电机内仍存在着增减有一定自由度的功角δ，功角仍作为自变量。当发电机出现动态情况时，励磁电压的频率不能跟随转子转速的变动而调整，所以仍会出现转子丧失原速、产生振荡等一系列问题。可见转子频率它控的交流励磁的发电机同样会呈现同步电机的运行特征。

对于转子频率自控的交流励磁的发电机来说，转差率s将随输出有功功率的增减而变动，励磁电压的频率则随转差率的变化而自控调整，发电机运行中便以转差率s作为自变量。文献[5]在阐述其基本电磁关系与数学模型时，也是用感应电机的电压方程式、归算方法、等效电路、相量图及功率关系来进行分析的。转子侧交流励磁的发电机输出有功功率中既包含取决于定子电压大小和转差率s的感应功率成分，又包含由定、转子电压的大小以及其相位差δ所决定的、与δ角成正弦函数关系的双馈功率成分。发电机正常运行时，感应功率不可调控，但调节转子励磁电压的幅值和相位可以调控双馈功率分量，而控制转子励磁电压的相位必牵制了转子磁场轴线对定子磁场轴线的交角δ。尽管双馈功率的大小总是取决于δ角的正弦函数，但关键在于δ角处于受控状态下正弦函数总是取限定值的，所以不会出现振荡，文献[5]在第8章中已用仿真计算曲线证明了它的有功功率调节过程是相当稳定的。

为了调节转子励磁电压的幅值和相位，可行方案之一是在励磁系统中应用矢量变换控制。文献[4]中已指出，矢量变换控制思想的基础是对电动机内的电枢电流实施相位控制，矢量变换是手段和形式，相位控制才是它的实质。对转子励磁电压实施相位控制必定同时伴随频率自控，所以并不会呈现同步电机的运行特征。

长期以来我国电机界一直认为交流电机包括同步电机和异步电机两类型，并说感应电机是异步电机的别名，现在明确了：感应电机才是基本类型的电机之一[6-8]。转子侧交流励磁的发电机其转子电流无疑主要不是靠电磁感应产生的，但其转子转速像感应电机那样具有异步特征即存在转差，所以它还是异步电机，文献[1]将绕线型双馈异步电动机列入特种电机篇之中是值得借鉴的。既然实践中所遇转子侧交流励磁的发电机通常都采用频率自控方式，它以转差率s作自变量而交角δ是处于受控状态下的，所以就不是同步发电机而是绕线型双馈异步电机的应用之一，它是交流励磁异步发电机（注意，这与感应发电机是完全不同的）。

对绕线型异步电机的运行倘若施加某些约束，例如令转差率s不作为变量而是取定值，它便会呈现同步电机的特征或者变压器的特征，前者包括对转子馈以直流令其持续s=0运转，后者是将转子堵住保持s=1工作，但都仅仅是在原理上与同步电机或者变压器原理一致而并非实用的同步电机和变压器。可见，转子频率它控的交流励磁的发电机也只是因为在绕线型双馈异步电机上施加了保持转差率s为非零定值的约束才呈现同步电机特征的，绕线型异步电机这种表现特征之多样性充分说明它不是基本类型电机而可视为特种电机。

6 结论

分类问题在各门学科的研究与发展中都占一席地位。合理的归类有助于正确认识客观世界和促进技术创新，推动学科向纵深发展。

直流电机与同步电机都有直流励磁磁极和多相交流电枢，却为何成为不同类型的电机？前者无非是多了换向器、电刷且由直流电源馈电罢了。它们属于不同类型电机的根据不是结构上的局部差异或者所连接的交、直流电源之不同，而在于工作原理上的不同。同步电动机是指功角的增减有着一定自由度的电机，未受制约的功角在非稳态情况下可以反反复复地增大又减小从而引起振荡。相比之下，直流电动机便是内功率因数角受箝制的电机，其电枢电流频率与转子转速的关系虽和同步电机一样总是成正比的，但在直流电动机中这一关系却转化成以转子转速的变化为因、频率的改变为果的因果关系了。频率自控正是这种因果关系的外观表现。

在变频电源上实施频率自控的同时必定伴随对电动机内电枢电流的相位或者端电压的相位也实施了控制，实质上就是对电机气隙中定、转子两侧磁动势或磁场轴线的相对位置（或称夹角）实施了控制。直流电动机靠装在机座内的电刷箝位，而磁极位置检测器则是装在机外对电动机实施箝位的元件。所以凡是频率自控的电机，不论频率自控是在电枢侧还是励磁的转子侧，只要存在箝位，电机内就不存在增减有一定自由度的功角了。

电枢侧频率自控的（交流）电动机既不可能接在自控变频电源上并联运行，也不可能实现同步转动，所以不是自控式同步电动机而是（交流）箝位电动机，属于直流电动机类型，而本文已阐明，现代直流电动机实乃频率自控的电动机，故或可称为属于箝位电动机类型。

[1] 仲明振等主编.中国电气工程大典第15卷电气传动自动化[M].北京:中国电力出版社,2009:80.

[2] 中国电工技术学会.电工高新技术丛书第6分册电动机的新发展[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3] 李发海,朱东起.电机学(第四版)[M].北京:科学出版社,2007.

[4] 童钟良.存在箝位效应的直流和交流电动机[J].电气技术,2009(10):12-15.

[5] 杨顺昌,廖勇,李辉,向大为.异步化同步发电机[M].北京:科学出版社,2009.

[6] 唐任远等主编.中国电气工程大典第9卷电机工程[M].北京:中国电力出版社,2008.

[7] 童钟良.“自控变频同步电机”系统中的交流电机是箝位电动机[J].电机与控制应用,2008(6):5-7.

[8] 许实章.电机学(修订本)下册[M].北京:机械工业出版社,1990.