广义直流电动机概论

2013-08-15童钟良

上海大中型电机 2013年3期

童钟良

(上海工程技术大学，上海 201620)

0 引言

广义直流电动机是指超越传统直流电动机观念但又具有直流电动机性能特征的电动机。传统直流电动机是指包括电刷、换向器在内的全体零部件装入同一机座内，整机可以直接接至直流电源上运转的电动机。

过去，电动机按照电源输出形式分成直流电动机和交流电动机，但随着电机的发展人们发现以交、直流划分电动机存在许多矛盾。由于现代电机中沿气隙圆周磁场极性都是成对出现的，至少也有一对极，所以电枢线圈中感应电动势都是交变的。用这个观点看问题，现代电机其实都是交流电机［1］。直流电机无非是电枢通过换向器和电刷与直流电源连接。作发电机运行时换向器和电刷充当整流器，作电动机运行时换向器和电刷便是具有自控变频功能的逆变器。

直流电机上的换向器在运行中难免产生火花。这限制了直流电动机的应用范围，也一直困扰着它的发展。开发无换向器电动机的研究早从上世纪中叶就已开始。用电子器件取代电刷和换向器本是一项技术措施，它是不可能改变直流电动机基本作用原理的。然而，在无换向器电动机出现之后，人们竟说它是新式的同步电动机。此后，电气传动技术的研究者们再把同步电动机置入自控变频的调速系统中运行，发现该电动机系统的性能具有直流电动机的特征。这本该是意料之中的事，因为直流电动机本来就是在电枢前置纳入机座内的、具有自控变频功能的逆变器所构成。但是，电气传动界人士却持不同的见解，认为上述实践说明现今的同步电动机性能已经出现了新特征，并认为这是同步电动机的新发展。

直流电动机革除电刷、换向器但仍保留自控变频措施是否转变为自控变频同步电动机了?这是电工界当前存在争议的一个问题［2］。同步电动机的本性是运行中存在失步问题。至于直流电动机，如果认为唯有整机接至直流电源运行的才算直流电动机这是狭义的观念，因为直流电动机的基本特征是存在气隙磁场箝位效应［3］。从直流电动机上取消电刷和换向器留下的电机本体虽然结构外型很像同步电动机，但只要其前置电路上保留自控变频措施就必定在电机本体内存在气隙磁场箝位效应。因此，应当拓展观念把包括前置电路在内的电动机系统视为广义直流电动机。建立这样的概念便容易理解无换向器电动机不存在失步问题，所以不是同步电动机。

1 直流电动机和同步电动机中，转速与频率之间不同的依从关系

直流电动机以电刷和换向器作逆变器，逆变后的电枢交变电流频率取决于转子的转速，可见电刷和换向器是自控变频的逆变器。相比之下，同步电动机内电枢交变电流的频率只能由电源频率来决定。至于电源的频率又凭什么来决定或者受什么因素所支配?这已不是同步电动机运行中表现行为的问题了(如下所述，而是直流电动机运行中的表现行为)。

对直流电动机而言，转子转速一旦变动，电枢电流频率必能立即响应，因为改变频率不受惯性之影响。而对同步电动机来说，电枢旋转磁动势的转速取决于电源的频率(在《电机学》中，旋转磁动势的这个转速称为同步转速)。如果电源频率经常主动地变化，由于转子具有转动惯量，转子转速是不可能立即响应的，即转速变化在时间上必有滞后。这将使同步电动机经常会处于非同步状态。因此，同步电动机只有接在恒频电源上才能持久地稳定运行。即使提及他控变频电源，当电源频率被调定之后，在相当长一段时间内，他控变频电源其实也是恒频馈电的，而接在该电源上的同步电动机也只在这段时间内才能稳定运行。若电源频率非主动变化——随着接在该电源上的电动机转速变动而变化，那么，这种变频电源肯定只能向唯一的电动机馈电，这种“一对一”的馈电方式即使变频电源很显眼——没有纳入机座内却无异于设置在直流电动机机座内的自控变频逆变器。所以电源频率若非主动变化的话，对所接电动机而言，问题就转到直流电动机的自控变频方式上去了。

归纳以上所说，直流电动机在运行中总是由于转子转速的变动引起电枢电流频率的改变，而同步电动机在运行中则以电枢电流频率恒定(或变化)决定转子转速之恒定(或变动)。可见在这两类电动机中，转速与频率之间存在着截然相反的依从关系。

2 同步电机的失步现象

在自控变频同步电动机及其调速系统的许多文献中，常提到它不存在失步问题，而《电机学》里却很难见到“失步”一词。按理说，讲解从发电机状态过渡到电动机状态本是逐渐地依次先失步之后恢复原速再失步的典型实例，可是这里也没有“失步”的说法。就以国内在不同时期出版的3本有代表性的《电机学》为例，文献［4］中只说“逐步减少发电机的输入功率，转子将减速，功角也将减少”。至于转子减速后又如何?没有下文交代。文献［5］中也是这样。文献［6］中说:“如果减少发电机的输入功率，功角也要减少”。这里未提转子减速，后文却又指出“但是，他们之间仍然保持着同步速的关系”。不提失步说法实难使读者对同步电机的本性能有深刻的印象。

同步电动机负载不变时处于稳定运行状态，这时定、转子两侧磁动势的转速相同，该转速即上述同步速。同步一词在《电机学》中定义为:以电角度计的转速与频率相同［5］。由于电流的频率与磁动势的转速密切相关而且物理背景一样，所以这里所指转速相同也符合“同步”的词意。但是，换一个视角观察，同步电动机稳定运行时，在气隙圆周上旋转着的定、转子两侧磁动势还保持相对静止，从而维持两侧磁动势轴线之间的位置差不变。此位置差常称为转矩角，转矩角不变表明两侧磁动势的轴线处于一种齐步的状态。从相量图上观察，齐步状态表现为感应电动势相量Eo对端电压相量U保持相对静止且功角大小不变。

当同步电动机由恒频、恒压的电源馈电时，电磁转矩是功角的正弦函数。负载一旦变动使得转矩平衡遭破坏，同步电动机就须改变功角大小来调节电磁转矩。功角改变时电动机内转子直轴与气隙合成磁场轴线两者的转速就会稍有差异。从相量图上反映，相量Eo必须对相量U产生一点相对移动才能改变功角的大小。而相量本是转动的有向线段，也就是说这时要求两相量的转速应当有所差异。但是，在恒频电源馈电的情况下，由于气隙合成磁场以及相量U总是以同步速恒速旋转的，而相量Eo的转速则代表转子直轴的转动角速度，所以为了改变功角的大小，转子的转速必须有所改变——不再以同步速转动了。

负载变动总是客观存在的，但是变动有大小之分。同步电动机倘遇负载大变动，功角就会发生360°循环性的大变化，这时转子转速很可能脱离同步速而转为非同步转速，这种情况才称为失去同步。转子失去同步后是不会恢复同步速的。

如果负载变动不大，功角就只需稍微调节一点就行，转子转速也仅须产生一点微变。这种情况下，相量Eo就在原先与相量U保持齐步状态的基础上出现一点极微的相对移动，也表明旋转着的转子直轴与气隙合成磁场轴线会出现一点极微的相对移动，这种极微的相对移动才叫失步。同步电动机失步时转子转速稍有微变，但失步的主要意义则在于使磁场或相量发生相对移动以调节功角，功角调节之后转子尚能很快恢复同步速以保证同步电动机继续稳定运行。值得指出，定、转子两侧磁动势恢复相同转速(即“同步”)是指恢复原速。此时虽也恢复保持相对静止(指“齐步”)，但因功角经历了调节，转矩角亦已有所改变，所以恢复后的齐步状态便与原先有所不同，说明恢复齐步与恢复同步有所不同，即转矩角及功角是多值的，而同步速则是唯一的。即使在他控变频电源情况下，当频率被调定之后同步电动机稳定运行时，同步速虽调节为另一值却仍是保持不变的唯一值。稳定运行的同步电动机出现失步并不意味着转入暂态而是仍然处于稳态运行之中，所以失步不会导致失去同步，也说明失步与失去同步不是一回事，更不能把失步解释成失去同步的简称。

稳定运行的同步电动机只当负载不变时转子才以同步速作同步运转，一旦遇到负载波动转子就会出现失步现象。并且，只要电动机的电磁转矩是通过改变功角来调节的，失步现象就不可避免。同步电动机的一切运行性能特征，包括静态稳定、振荡等等，都是因为转子会发生失步、转矩角及功角可以变动所引起，可见存在失步现象乃是同步电动机的禀性。

3 直流电动机中存在气隙磁场箝位

在直流电机的电枢上，两个电刷之间的支路是由交替更换的绕组元件所构成，说明支路处于一种动态。而绕组元件中流过矩形波的交变电流也是一种动态。这两个动态因素叠加使得支路电流表观上似为直流，从而使人们以为不仅电刷上流过直流，而且直流电机的电枢电流也是直流。于是，直流电机的分析就显得较为简单，但是简单的直流电机工作原理却未能揭示电动机为何具有优良控制性能的原因。

实际上，直流电动机的电枢在转动，气隙中静止的电枢磁动势其实对电枢铁心是反向旋转的，其转速等于电枢铁心(即转子)的转速，无非两者转向相反。既然电刷不动，所以电枢电流的频率由换向器的转速决定，换句话说，是受转子转速控制的。这就是直流电动机中的自控变频原理。

电枢磁动势是气隙圆周上的分布函数。当磁动势旋转时，它的幅值位置(又称轴线位置)怎样确定?旋转磁动势倘由正弦交流产生，那末，哪一相电流达到最大值，磁动势幅值就到达该相绕组轴线位置上，说明它是由多相正弦交流的相位状况来决定的。今直流电动机内绕组元件彼此串连，整个电枢绕组构成闭路(犹如三相绕组采取Δ接法一般)。只有当电刷触及换向片(即绕组元件的端头)之后，电枢绕组上才构成支路，所以电刷充当着支路的端头。如前所述，当电枢转动时，支路电流表观上是直流，电刷成为正向直流支路和负向直流支路的交汇点，使得电枢磁动势的轴线就在电刷位置上。既然电刷不动，那末电枢磁动势就呈静止状态，而其实却是转动的电枢铁心及其上反向转动的电枢旋转磁动势这两个运动因素的叠加。

主磁极轴线称为直轴，电刷若置于几何中性线上就是处于交轴，所以电枢磁动势的轴线位置在交轴上。直流电动机中这种空间关系是确定不变的，正是根据直轴规定了交轴所在，再参照交轴位置放置上电刷，所以说直轴箝制了电枢磁动势的轴线位置，这就是直流电动机气隙中的磁场箝位效应。气隙磁场箝位的主要意义在于使转矩角成为固定值，其表现虽与转矩角不变时的齐步状态一样。但齐步可能转为失步，所以转矩角可以改变是多值的，而气隙磁场箝位是不会改变的，这便是气隙磁场箝位与齐步的重要区别。

直流电动机因为将主磁极固定了，所以气隙磁场箝位表现为静态。如果讨论反装式直流电动机，就会显示普遍情况下的气隙磁场箝位，即转子上的主磁极倘若可按任意速度转动的话，电枢磁动势的转速将紧跟主磁极的转速而变，两者便显示同速转动。此“同速转动”虽也符合“同步”的词意，但其中转速与频率之间的依从关系却与同步电动机中相反。况且这里不存在唯一的同步速，即所谓的“同步速”变成多值的，气隙磁场箝位后转子绝对不会失步。所以，哪怕气隙磁场箝位表现成同速转动，也不能把反装式直流电动机视为同步电动机，更不是什么“自同步”的同步电动机。在反装式直流电动机中可明显察觉电枢磁动势是旋转的，它与主磁极同速转动是因为由电刷之转速决定的电枢电流频率也是受主磁极转速控制的，说明气隙磁场箝位与电枢电流自控变频是同样物理性质分别在气隙磁场和电路上的两种表现。

电机电磁转矩的通用公式表明，交流电机的电磁转矩都是由定、转子两侧磁动势的大小及转矩角的正弦函数这三个因数的乘积所决定。直流电动机中气隙磁场箝位使得转矩角成为定值，于是电磁转矩大小就与正弦函数无关。如果励磁电流一定，电磁转矩大小就只取决于电枢电流的大小。直流电动机的一切优良性能皆因存在气隙磁场箝位而不是由直流电源馈电的缘故。

4 广义直流电动机的原型

直流电动机的电源装置现今都是晶闸管整流器。并联地接在整流器之输出端上的多台直流电动机皆以其机座内的电刷和换向器构成各自的自控变频逆变器。

由晶闸管整流器-逆变器组成的电源装置一般是他控变频电源，他控变频电源可以同时对并联的多台交流电动机馈电。电机本体接至他控变频电源运行会出现失步现象而显示同步电动机的禀性，所以只有接在他控变频电源上运行的电机本体才真是同步电动机。

电源装置如果同样是由晶闸管整流器-逆变器组成，但若接在该电源上的电机本体带有磁极位置检测功能且能控制逆变器的输出频率，这样一台自控变频电源就只能向唯一的电机本体馈电。前已指出，这种“一对一”的馈电方式无异于晶闸管整流器向某台直流电动机馈电的情况，这个装置系统就是无换向器电动机。

由整流器-逆变器组成的电源装置因为包含整流环节，所以变频电源的输出波形为矩形波。一般来说，矩形波是周期性时间或空间函数，它可以分解成富氏级数，必要时可取其中的基波分量作定性分析。基波电流可用相量描述，基波磁场也可用空间矢量描述，所以无论是讨论电流还是讨论气隙磁场，矩形波交流电动机与正弦波交流电动机并不存在本质上的差别。

无换向器电动机是靠配置了磁极位置检测器来实施自控变频的。但与直流电动机稍有不同，直流电动机当电刷置于几何中性线上时转矩角被箝成90°电角度;而无换向器电动机若将空载换流超前角设定为0°时转矩角却在120°～60°范围内摆动，其平均值才是90°电角度。但无论如何，与同步电动机存在失步现象的禀性比较，无换向器电动机的转矩角毕竟是受到直轴箝制了，所以才显现直流电动机的性能。应该认为，无换向器电动机虽是交流电动机却系直流电动机的新发展，所以并非同步电动机而是广义直流电动机。

无换向器电动机的转矩角存在摆动的原因，是因为电枢采用三相绕组，并且变频电源的输出波形为矩形波的缘故。倘若允许电枢绕组采纳很多相数，或者，电枢仍为三相绕组但变频电源输出正弦波交流的话，这种进一步发展的无换向器电动机，气隙磁场箝位就能和直流电动机表现得一样了。

5 广义直流电动机的发展

电动机如果由输出正弦波的变频电源馈电，倘若还要自控变频，那末磁极位置检测器的构造就会相当复杂。这成了无换向器电动机进一步发展的瓶颈，但也启示我们有必要重新思考和认识磁极位置检测器的功能及其结构。对电机本体采取矢量变换控制，其思路就是参照直流电动机存在气隙磁场箝位的原理提出来的。

正弦分布的电枢旋转磁动势若用转动的空间矢量来描述，那末，空间矢量所在位置就是磁动势幅值所在位置。前面讲过，气隙中的分布磁动势如果是由正弦波电流所激励，其幅值位置取决于三相电流之相位状况。反之，如果先给定幅值位置——即先知道空间矢量所在，也可以由此确定三相电流之相位状况。

采取矢量变换控制的话，磁极位置检测器只需给出电机本体内的直轴相对于电枢绕组轴线之间的夹角信息就够了，这可使磁极位置检测器的构造简单许多。

矢量变换控制亦名磁场定向控制，其原理就是根据从磁极位置检测器传来的夹角信息(即参照电机本体内直轴所在位置)。先在处于电机本体之外的控制环节中，在控制环节里的二相坐标系上，明确空间矢量的指定位置，例如，取 d-q坐标系，并且再令 id=0，便能指定空间矢量在q轴上了。然后，再在控制环节中采取二相-三相坐标变换，以明确对称三相电流应取的相位。如此控制着向电机本体馈电的电流相位，就能在电机本体内实施直轴对电枢旋转磁动势轴线位置的箝制了。

值得提醒的是，尽管在介绍矢量变换控制原理时未提及自控变频，但是，只要电流的相位受控那么馈电的频率也必受直轴转速所控制［7］，所以也是一种自控变频。与直流电动机相比，直流电动机中是依据直轴束缚着电刷位置，而这里是参照直轴来箝制对称多相电流的相位，效果同样都是产生气隙磁场箝位，所以电机本体必呈直流电动机的性能特征。实施矢量变换控制的电机本体，同样消除了失步现象，不再具备同步电动机的禀性，无疑已不是同步电动机。固执地认为它仍为同步电动机的观点是过分强调电机本体的表观构造而不追究其内在性质的一种偏见。实际上，实施矢量变换控制的电机本体就是无换向器电动机的进一步发展，也是广义直流电动机。