童鐘良

(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)

0 引言

廣義直流電動(dòng)機(jī)是指超越傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)觀念但又具有直流電動(dòng)機(jī)性能特征的電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)是指包括電刷、換向器在內(nèi)的全體零部件裝入同一機(jī)座內(nèi)，整機(jī)可以直接接至直流電源上運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。

過(guò)去，電動(dòng)機(jī)按照電源輸出形式分成直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，但隨著電機(jī)的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)以交、直流劃分電動(dòng)機(jī)存在許多矛盾。由于現(xiàn)代電機(jī)中沿氣隙圓周磁場(chǎng)極性都是成對(duì)出現(xiàn)的，至少也有一對(duì)極，所以電樞線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都是交變的。用這個(gè)觀點(diǎn)看問(wèn)題，現(xiàn)代電機(jī)其實(shí)都是交流電機(jī)［1］。直流電機(jī)無(wú)非是電樞通過(guò)換向器和電刷與直流電源連接。作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)換向器和電刷充當(dāng)整流器，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)換向器和電刷便是具有自控變頻功能的逆變器。

直流電機(jī)上的換向器在運(yùn)行中難免產(chǎn)生火花。這限制了直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，也一直困擾著它的發(fā)展。開(kāi)發(fā)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的研究早從上世紀(jì)中葉就已開(kāi)始。用電子器件取代電刷和換向器本是一項(xiàng)技術(shù)措施，它是不可能改變直流電動(dòng)機(jī)基本作用原理的。然而，在無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之后，人們竟說(shuō)它是新式的同步電動(dòng)機(jī)。此后，電氣傳動(dòng)技術(shù)的研究者們?cè)侔淹诫妱?dòng)機(jī)置入自控變頻的調(diào)速系統(tǒng)中運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能具有直流電動(dòng)機(jī)的特征。這本該是意料之中的事，因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)本來(lái)就是在電樞前置納入機(jī)座內(nèi)的、具有自控變頻功能的逆變器所構(gòu)成。但是，電氣傳動(dòng)界人士卻持不同的見(jiàn)解，認(rèn)為上述實(shí)踐說(shuō)明現(xiàn)今的同步電動(dòng)機(jī)性能已經(jīng)出現(xiàn)了新特征，并認(rèn)為這是同步電動(dòng)機(jī)的新發(fā)展。

直流電動(dòng)機(jī)革除電刷、換向器但仍保留自控變頻措施是否轉(zhuǎn)變?yōu)樽钥刈冾l同步電動(dòng)機(jī)了?這是電工界當(dāng)前存在爭(zhēng)議的一個(gè)問(wèn)題［2］。同步電動(dòng)機(jī)的本性是運(yùn)行中存在失步問(wèn)題。至于直流電動(dòng)機(jī)，如果認(rèn)為唯有整機(jī)接至直流電源運(yùn)行的才算直流電動(dòng)機(jī)這是狹義的觀念，因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)的基本特征是存在氣隙磁場(chǎng)箝位效應(yīng)［3］。從直流電動(dòng)機(jī)上取消電刷和換向器留下的電機(jī)本體雖然結(jié)構(gòu)外型很像同步電動(dòng)機(jī)，但只要其前置電路上保留自控變頻措施就必定在電機(jī)本體內(nèi)存在氣隙磁場(chǎng)箝位效應(yīng)。因此，應(yīng)當(dāng)拓展觀念把包括前置電路在內(nèi)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)視為廣義直流電動(dòng)機(jī)。建立這樣的概念便容易理解無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)不存在失步問(wèn)題，所以不是同步電動(dòng)機(jī)。

1 直流電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)速與頻率之間不同的依從關(guān)系

直流電動(dòng)機(jī)以電刷和換向器作逆變器，逆變后的電樞交變電流頻率取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，可見(jiàn)電刷和換向器是自控變頻的逆變器。相比之下，同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)電樞交變電流的頻率只能由電源頻率來(lái)決定。至于電源的頻率又憑什么來(lái)決定或者受什么因素所支配?這已不是同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中表現(xiàn)行為的問(wèn)題了(如下所述，而是直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的表現(xiàn)行為)。

對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一旦變動(dòng)，電樞電流頻率必能立即響應(yīng)，因?yàn)楦淖冾l率不受慣性之影響。而對(duì)同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速取決于電源的頻率(在《電機(jī)學(xué)》中，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的這個(gè)轉(zhuǎn)速稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速)。如果電源頻率經(jīng)常主動(dòng)地變化，由于轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是不可能立即響應(yīng)的，即轉(zhuǎn)速變化在時(shí)間上必有滯后。這將使同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)常會(huì)處于非同步狀態(tài)。因此，同步電動(dòng)機(jī)只有接在恒頻電源上才能持久地穩(wěn)定運(yùn)行。即使提及他控變頻電源，當(dāng)電源頻率被調(diào)定之后，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，他控變頻電源其實(shí)也是恒頻饋電的，而接在該電源上的同步電動(dòng)機(jī)也只在這段時(shí)間內(nèi)才能穩(wěn)定運(yùn)行。若電源頻率非主動(dòng)變化——隨著接在該電源上的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變動(dòng)而變化，那么，這種變頻電源肯定只能向唯一的電動(dòng)機(jī)饋電，這種“一對(duì)一”的饋電方式即使變頻電源很顯眼——沒(méi)有納入機(jī)座內(nèi)卻無(wú)異于設(shè)置在直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座內(nèi)的自控變頻逆變器。所以電源頻率若非主動(dòng)變化的話(huà)，對(duì)所接電動(dòng)機(jī)而言，問(wèn)題就轉(zhuǎn)到直流電動(dòng)機(jī)的自控變頻方式上去了。

歸納以上所說(shuō)，直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中總是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變動(dòng)引起電樞電流頻率的改變，而同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中則以電樞電流頻率恒定(或變化)決定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之恒定(或變動(dòng))。可見(jiàn)在這兩類(lèi)電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)速與頻率之間存在著截然相反的依從關(guān)系。

2 同步電機(jī)的失步現(xiàn)象

在自控變頻同步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的許多文獻(xiàn)中，常提到它不存在失步問(wèn)題，而《電機(jī)學(xué)》里卻很難見(jiàn)到“失步”一詞。按理說(shuō)，講解從發(fā)電機(jī)狀態(tài)過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)本是逐漸地依次先失步之后恢復(fù)原速再失步的典型實(shí)例，可是這里也沒(méi)有“失步”的說(shuō)法。就以國(guó)內(nèi)在不同時(shí)期出版的3本有代表性的《電機(jī)學(xué)》為例，文獻(xiàn)［4］中只說(shuō)“逐步減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，轉(zhuǎn)子將減速，功角也將減少”。至于轉(zhuǎn)子減速后又如何?沒(méi)有下文交代。文獻(xiàn)［5］中也是這樣。文獻(xiàn)［6］中說(shuō):“如果減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，功角也要減少”。這里未提轉(zhuǎn)子減速，后文卻又指出“但是，他們之間仍然保持著同步速的關(guān)系”。不提失步說(shuō)法實(shí)難使讀者對(duì)同步電機(jī)的本性能有深刻的印象。

同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變時(shí)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)定、轉(zhuǎn)子兩側(cè)磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速相同，該轉(zhuǎn)速即上述同步速。同步一詞在《電機(jī)學(xué)》中定義為:以電角度計(jì)的轉(zhuǎn)速與頻率相同［5］。由于電流的頻率與磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)而且物理背景一樣，所以這里所指轉(zhuǎn)速相同也符合“同步”的詞意。但是，換一個(gè)視角觀察，同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在氣隙圓周上旋轉(zhuǎn)著的定、轉(zhuǎn)子兩側(cè)磁動(dòng)勢(shì)還保持相對(duì)靜止，從而維持兩側(cè)磁動(dòng)勢(shì)軸線(xiàn)之間的位置差不變。此位置差常稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩角，轉(zhuǎn)矩角不變表明兩側(cè)磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)處于一種齊步的狀態(tài)。從相量圖上觀察，齊步狀態(tài)表現(xiàn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相量Eo對(duì)端電壓相量U保持相對(duì)靜止且功角大小不變。

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)由恒頻、恒壓的電源饋電時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩是功角的正弦函數(shù)。負(fù)載一旦變動(dòng)使得轉(zhuǎn)矩平衡遭破壞，同步電動(dòng)機(jī)就須改變功角大小來(lái)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。功角改變時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子直軸與氣隙合成磁場(chǎng)軸線(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)速就會(huì)稍有差異。從相量圖上反映，相量Eo必須對(duì)相量U產(chǎn)生一點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)才能改變功角的大小。而相量本是轉(zhuǎn)動(dòng)的有向線(xiàn)段，也就是說(shuō)這時(shí)要求兩相量的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)有所差異。但是，在恒頻電源饋電的情況下，由于氣隙合成磁場(chǎng)以及相量U總是以同步速恒速旋轉(zhuǎn)的，而相量Eo的轉(zhuǎn)速則代表轉(zhuǎn)子直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，所以為了改變功角的大小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須有所改變——不再以同步速轉(zhuǎn)動(dòng)了。

負(fù)載變動(dòng)總是客觀存在的，但是變動(dòng)有大小之分。同步電動(dòng)機(jī)倘遇負(fù)載大變動(dòng)，功角就會(huì)發(fā)生360°循環(huán)性的大變化，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很可能脫離同步速而轉(zhuǎn)為非同步轉(zhuǎn)速，這種情況才稱(chēng)為失去同步。轉(zhuǎn)子失去同步后是不會(huì)恢復(fù)同步速的。

如果負(fù)載變動(dòng)不大，功角就只需稍微調(diào)節(jié)一點(diǎn)就行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也僅須產(chǎn)生一點(diǎn)微變。這種情況下，相量Eo就在原先與相量U保持齊步狀態(tài)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)一點(diǎn)極微的相對(duì)移動(dòng)，也表明旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子直軸與氣隙合成磁場(chǎng)軸線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)極微的相對(duì)移動(dòng)，這種極微的相對(duì)移動(dòng)才叫失步。同步電動(dòng)機(jī)失步時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速稍有微變，但失步的主要意義則在于使磁場(chǎng)或相量發(fā)生相對(duì)移動(dòng)以調(diào)節(jié)功角，功角調(diào)節(jié)之后轉(zhuǎn)子尚能很快恢復(fù)同步速以保證同步電動(dòng)機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。值得指出，定、轉(zhuǎn)子兩側(cè)磁動(dòng)勢(shì)恢復(fù)相同轉(zhuǎn)速(即“同步”)是指恢復(fù)原速。此時(shí)雖也恢復(fù)保持相對(duì)靜止(指“齊步”)，但因功角經(jīng)歷了調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩角亦已有所改變，所以恢復(fù)后的齊步狀態(tài)便與原先有所不同，說(shuō)明恢復(fù)齊步與恢復(fù)同步有所不同，即轉(zhuǎn)矩角及功角是多值的，而同步速則是唯一的。即使在他控變頻電源情況下，當(dāng)頻率被調(diào)定之后同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，同步速雖調(diào)節(jié)為另一值卻仍是保持不變的唯一值。穩(wěn)定運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失步并不意味著轉(zhuǎn)入暫態(tài)而是仍然處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之中，所以失步不會(huì)導(dǎo)致失去同步，也說(shuō)明失步與失去同步不是一回事，更不能把失步解釋成失去同步的簡(jiǎn)稱(chēng)。

穩(wěn)定運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)只當(dāng)負(fù)載不變時(shí)轉(zhuǎn)子才以同步速作同步運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦遇到負(fù)載波動(dòng)轉(zhuǎn)子就會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。并且，只要電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是通過(guò)改變功角來(lái)調(diào)節(jié)的，失步現(xiàn)象就不可避免。同步電動(dòng)機(jī)的一切運(yùn)行性能特征，包括靜態(tài)穩(wěn)定、振蕩等等，都是因?yàn)檗D(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生失步、轉(zhuǎn)矩角及功角可以變動(dòng)所引起，可見(jiàn)存在失步現(xiàn)象乃是同步電動(dòng)機(jī)的稟性。

3 直流電動(dòng)機(jī)中存在氣隙磁場(chǎng)箝位

在直流電機(jī)的電樞上，兩個(gè)電刷之間的支路是由交替更換的繞組元件所構(gòu)成，說(shuō)明支路處于一種動(dòng)態(tài)。而繞組元件中流過(guò)矩形波的交變電流也是一種動(dòng)態(tài)。這兩個(gè)動(dòng)態(tài)因素疊加使得支路電流表觀上似為直流，從而使人們以為不僅電刷上流過(guò)直流，而且直流電機(jī)的電樞電流也是直流。于是，直流電機(jī)的分析就顯得較為簡(jiǎn)單，但是簡(jiǎn)單的直流電機(jī)工作原理卻未能揭示電動(dòng)機(jī)為何具有優(yōu)良控制性能的原因。

實(shí)際上，直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)動(dòng)，氣隙中靜止的電樞磁動(dòng)勢(shì)其實(shí)對(duì)電樞鐵心是反向旋轉(zhuǎn)的，其轉(zhuǎn)速等于電樞鐵心(即轉(zhuǎn)子)的轉(zhuǎn)速，無(wú)非兩者轉(zhuǎn)向相反。既然電刷不動(dòng)，所以電樞電流的頻率由換向器的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，換句話(huà)說(shuō)，是受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的。這就是直流電動(dòng)機(jī)中的自控變頻原理。

電樞磁動(dòng)勢(shì)是氣隙圓周上的分布函數(shù)。當(dāng)磁動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的幅值位置(又稱(chēng)軸線(xiàn)位置)怎樣確定?旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)倘由正弦交流產(chǎn)生，那末，哪一相電流達(dá)到最大值，磁動(dòng)勢(shì)幅值就到達(dá)該相繞組軸線(xiàn)位置上，說(shuō)明它是由多相正弦交流的相位狀況來(lái)決定的。今直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)繞組元件彼此串連，整個(gè)電樞繞組構(gòu)成閉路(猶如三相繞組采取Δ接法一般)。只有當(dāng)電刷觸及換向片(即繞組元件的端頭)之后，電樞繞組上才構(gòu)成支路，所以電刷充當(dāng)著支路的端頭。如前所述，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支路電流表觀上是直流，電刷成為正向直流支路和負(fù)向直流支路的交匯點(diǎn)，使得電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)就在電刷位置上。既然電刷不動(dòng)，那末電樞磁動(dòng)勢(shì)就呈靜止?fàn)顟B(tài)，而其實(shí)卻是轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞鐵心及其上反向轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)因素的疊加。

主磁極軸線(xiàn)稱(chēng)為直軸，電刷若置于幾何中性線(xiàn)上就是處于交軸，所以電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)位置在交軸上。直流電動(dòng)機(jī)中這種空間關(guān)系是確定不變的，正是根據(jù)直軸規(guī)定了交軸所在，再參照交軸位置放置上電刷，所以說(shuō)直軸箝制了電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)位置，這就是直流電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)箝位效應(yīng)。氣隙磁場(chǎng)箝位的主要意義在于使轉(zhuǎn)矩角成為固定值，其表現(xiàn)雖與轉(zhuǎn)矩角不變時(shí)的齊步狀態(tài)一樣。但齊步可能轉(zhuǎn)為失步，所以轉(zhuǎn)矩角可以改變是多值的，而氣隙磁場(chǎng)箝位是不會(huì)改變的，這便是氣隙磁場(chǎng)箝位與齊步的重要區(qū)別。

直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)閷⒅鞔艠O固定了，所以氣隙磁場(chǎng)箝位表現(xiàn)為靜態(tài)。如果討論反裝式直流電動(dòng)機(jī)，就會(huì)顯示普遍情況下的氣隙磁場(chǎng)箝位，即轉(zhuǎn)子上的主磁極倘若可按任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)的話(huà)，電樞磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速將緊跟主磁極的轉(zhuǎn)速而變，兩者便顯示同速轉(zhuǎn)動(dòng)。此“同速轉(zhuǎn)動(dòng)”雖也符合“同步”的詞意，但其中轉(zhuǎn)速與頻率之間的依從關(guān)系卻與同步電動(dòng)機(jī)中相反。況且這里不存在唯一的同步速，即所謂的“同步速”變成多值的，氣隙磁場(chǎng)箝位后轉(zhuǎn)子絕對(duì)不會(huì)失步。所以，哪怕氣隙磁場(chǎng)箝位表現(xiàn)成同速轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能把反裝式直流電動(dòng)機(jī)視為同步電動(dòng)機(jī)，更不是什么“自同步”的同步電動(dòng)機(jī)。在反裝式直流電動(dòng)機(jī)中可明顯察覺(jué)電樞磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)的，它與主磁極同速轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)橛呻娝⒅D(zhuǎn)速?zèng)Q定的電樞電流頻率也是受主磁極轉(zhuǎn)速控制的，說(shuō)明氣隙磁場(chǎng)箝位與電樞電流自控變頻是同樣物理性質(zhì)分別在氣隙磁場(chǎng)和電路上的兩種表現(xiàn)。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式表明，交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由定、轉(zhuǎn)子兩側(cè)磁動(dòng)勢(shì)的大小及轉(zhuǎn)矩角的正弦函數(shù)這三個(gè)因數(shù)的乘積所決定。直流電動(dòng)機(jī)中氣隙磁場(chǎng)箝位使得轉(zhuǎn)矩角成為定值，于是電磁轉(zhuǎn)矩大小就與正弦函數(shù)無(wú)關(guān)。如果勵(lì)磁電流一定，電磁轉(zhuǎn)矩大小就只取決于電樞電流的大小。直流電動(dòng)機(jī)的一切優(yōu)良性能皆因存在氣隙磁場(chǎng)箝位而不是由直流電源饋電的緣故。

4 廣義直流電動(dòng)機(jī)的原型

直流電動(dòng)機(jī)的電源裝置現(xiàn)今都是晶閘管整流器。并聯(lián)地接在整流器之輸出端上的多臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)皆以其機(jī)座內(nèi)的電刷和換向器構(gòu)成各自的自控變頻逆變器。

由晶閘管整流器-逆變器組成的電源裝置一般是他控變頻電源，他控變頻電源可以同時(shí)對(duì)并聯(lián)的多臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)饋電。電機(jī)本體接至他控變頻電源運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象而顯示同步電動(dòng)機(jī)的稟性，所以只有接在他控變頻電源上運(yùn)行的電機(jī)本體才真是同步電動(dòng)機(jī)。

電源裝置如果同樣是由晶閘管整流器-逆變器組成，但若接在該電源上的電機(jī)本體帶有磁極位置檢測(cè)功能且能控制逆變器的輸出頻率，這樣一臺(tái)自控變頻電源就只能向唯一的電機(jī)本體饋電。前已指出，這種“一對(duì)一”的饋電方式無(wú)異于晶閘管整流器向某臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)饋電的情況，這個(gè)裝置系統(tǒng)就是無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)。

由整流器-逆變器組成的電源裝置因?yàn)榘鳝h(huán)節(jié)，所以變頻電源的輸出波形為矩形波。一般來(lái)說(shuō)，矩形波是周期性時(shí)間或空間函數(shù)，它可以分解成富氏級(jí)數(shù)，必要時(shí)可取其中的基波分量作定性分析?；娏骺捎孟嗔棵枋觯ù艌?chǎng)也可用空間矢量描述，所以無(wú)論是討論電流還是討論氣隙磁場(chǎng)，矩形波交流電動(dòng)機(jī)與正弦波交流電動(dòng)機(jī)并不存在本質(zhì)上的差別。

無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)是靠配置了磁極位置檢測(cè)器來(lái)實(shí)施自控變頻的。但與直流電動(dòng)機(jī)稍有不同，直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)電刷置于幾何中性線(xiàn)上時(shí)轉(zhuǎn)矩角被箝成90°電角度;而無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)若將空載換流超前角設(shè)定為0°時(shí)轉(zhuǎn)矩角卻在120°～60°范圍內(nèi)擺動(dòng)，其平均值才是90°電角度。但無(wú)論如何，與同步電動(dòng)機(jī)存在失步現(xiàn)象的稟性比較，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角畢竟是受到直軸箝制了，所以才顯現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的性能。應(yīng)該認(rèn)為，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)雖是交流電動(dòng)機(jī)卻系直流電動(dòng)機(jī)的新發(fā)展，所以并非同步電動(dòng)機(jī)而是廣義直流電動(dòng)機(jī)。

無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角存在擺動(dòng)的原因，是因?yàn)殡姌胁捎萌嗬@組，并且變頻電源的輸出波形為矩形波的緣故。倘若允許電樞繞組采納很多相數(shù)，或者，電樞仍為三相繞組但變頻電源輸出正弦波交流的話(huà)，這種進(jìn)一步發(fā)展的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)，氣隙磁場(chǎng)箝位就能和直流電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)得一樣了。

5 廣義直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展

電動(dòng)機(jī)如果由輸出正弦波的變頻電源饋電，倘若還要自控變頻，那末磁極位置檢測(cè)器的構(gòu)造就會(huì)相當(dāng)復(fù)雜。這成了無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，但也啟示我們有必要重新思考和認(rèn)識(shí)磁極位置檢測(cè)器的功能及其結(jié)構(gòu)。對(duì)電機(jī)本體采取矢量變換控制，其思路就是參照直流電動(dòng)機(jī)存在氣隙磁場(chǎng)箝位的原理提出來(lái)的。

正弦分布的電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)若用轉(zhuǎn)動(dòng)的空間矢量來(lái)描述，那末，空間矢量所在位置就是磁動(dòng)勢(shì)幅值所在位置。前面講過(guò)，氣隙中的分布磁動(dòng)勢(shì)如果是由正弦波電流所激勵(lì)，其幅值位置取決于三相電流之相位狀況。反之，如果先給定幅值位置——即先知道空間矢量所在，也可以由此確定三相電流之相位狀況。

采取矢量變換控制的話(huà)，磁極位置檢測(cè)器只需給出電機(jī)本體內(nèi)的直軸相對(duì)于電樞繞組軸線(xiàn)之間的夾角信息就夠了，這可使磁極位置檢測(cè)器的構(gòu)造簡(jiǎn)單許多。

矢量變換控制亦名磁場(chǎng)定向控制，其原理就是根據(jù)從磁極位置檢測(cè)器傳來(lái)的夾角信息(即參照電機(jī)本體內(nèi)直軸所在位置)。先在處于電機(jī)本體之外的控制環(huán)節(jié)中，在控制環(huán)節(jié)里的二相坐標(biāo)系上，明確空間矢量的指定位置，例如，取 d-q坐標(biāo)系，并且再令 id=0，便能指定空間矢量在q軸上了。然后，再在控制環(huán)節(jié)中采取二相-三相坐標(biāo)變換，以明確對(duì)稱(chēng)三相電流應(yīng)取的相位。如此控制著向電機(jī)本體饋電的電流相位，就能在電機(jī)本體內(nèi)實(shí)施直軸對(duì)電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)軸線(xiàn)位置的箝制了。

值得提醒的是，盡管在介紹矢量變換控制原理時(shí)未提及自控變頻，但是，只要電流的相位受控那么饋電的頻率也必受直軸轉(zhuǎn)速所控制［7］，所以也是一種自控變頻。與直流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)中是依據(jù)直軸束縛著電刷位置，而這里是參照直軸來(lái)箝制對(duì)稱(chēng)多相電流的相位，效果同樣都是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)箝位，所以電機(jī)本體必呈直流電動(dòng)機(jī)的性能特征。實(shí)施矢量變換控制的電機(jī)本體，同樣消除了失步現(xiàn)象，不再具備同步電動(dòng)機(jī)的稟性，無(wú)疑已不是同步電動(dòng)機(jī)。固執(zhí)地認(rèn)為它仍為同步電動(dòng)機(jī)的觀點(diǎn)是過(guò)分強(qiáng)調(diào)電機(jī)本體的表觀構(gòu)造而不追究其內(nèi)在性質(zhì)的一種偏見(jiàn)。實(shí)際上，實(shí)施矢量變換控制的電機(jī)本體就是無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，也是廣義直流電動(dòng)機(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)失步和氣隙磁場(chǎng)箝位是性質(zhì)對(duì)立的、分別標(biāo)志著兩個(gè)類(lèi)型電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行表現(xiàn)行為。存在失步乃同步電動(dòng)機(jī)的稟性，直流電動(dòng)機(jī)具有氣隙磁場(chǎng)箝位的特征。

2)直流電動(dòng)機(jī)其實(shí)也是交流電機(jī)。用交流電機(jī)的眼光觀察，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)以及直流電動(dòng)機(jī)包括廣義直流電動(dòng)機(jī)仍是主要的三大基本類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)。

3)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)是不存在失步問(wèn)題的交流電動(dòng)機(jī)。它起源于直流電動(dòng)機(jī)，并未脫離直流電動(dòng)機(jī)存在氣隙磁場(chǎng)箝位的作用原理，所以理應(yīng)回歸直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)型，它是廣義直流電動(dòng)機(jī)的原型。

4)電機(jī)本體若由他控變頻電源饋電，這才是同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方案。電機(jī)本體若由自控變頻電源饋電就不是同步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槌霈F(xiàn)氣隙磁場(chǎng)箝位已使電機(jī)本體內(nèi)氣隙磁場(chǎng)的特征發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。廣義直流電動(dòng)機(jī)是指由自控變頻電源與電機(jī)本體組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，可稱(chēng)為箝位電動(dòng)機(jī)。

5)直流電動(dòng)機(jī)上的電刷和換向器是原始的自控變頻逆變器。自從將它移出電機(jī)之外改置自控變頻電源之后，就開(kāi)創(chuàng)了電機(jī)的自控變頻技術(shù)蓬勃發(fā)展的新局面。矢量變換控制的誕生就是其中一例，矢量變換控制乃是氣隙磁場(chǎng)箝位原理的新實(shí)踐。

［1］童鐘良.從交流電樞的視角更新對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的認(rèn)識(shí)［J］.上海大中型電機(jī)，2010(4):19-22.

［2］唐任遠(yuǎn)，顧國(guó)彪，秦和，等主編.中國(guó)電氣工程大典第9卷電機(jī)工程［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008:4.

［3］童鐘良.“自控變頻同步電機(jī)”系統(tǒng)中的交流電機(jī)是箝位電動(dòng)機(jī)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008(6):5-7.

［4］許實(shí)章主編.電機(jī)學(xué)下冊(cè)(修訂本)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990:219.

［5］李發(fā)海，朱東起.電機(jī)學(xué)(4版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:167-299.

［6］章名濤主編.電機(jī)學(xué)下冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，1964:528-529.

［7］童鐘良.以電樞電流相位受控的觀念闡明直流電動(dòng)機(jī)原理［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2009增刊:1-5.