直流電機(jī)原理與控制方法

1、電機(jī)簡(jiǎn)要學(xué)習(xí)手冊(cè)2015-2-3 一、直流電機(jī)原理與控制方法1 直流電機(jī)簡(jiǎn)介直流電機(jī)（DM）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)由轉(zhuǎn)子（電樞）、定子（勵(lì)磁繞組或者永磁體）、換向器、電刷等部分構(gòu)成，以其良好的調(diào)速性能以至于在矢量控制出現(xiàn)以前基本占據(jù)了電機(jī)控制領(lǐng)域的整座江山。但隨著交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)的弊端也逐漸顯現(xiàn)，在很多領(lǐng)域都逐漸被交流電機(jī)所取代。但如今直流電機(jī)仍然占據(jù)著不可忽視

2、的地位，廣泛用于對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上，如軋鋼機(jī)、電力牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械，龍門刨床等等，所以對(duì)直流電機(jī)的了解和研究仍然意義重大。2 直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖，是直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，電樞繞組通過換向器流過直流電流與定子繞組磁場(chǎng)發(fā)生作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子按照勵(lì)磁可分為直勵(lì)，他勵(lì)，復(fù)勵(lì)。電樞產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)疊加在定子磁場(chǎng)上使得氣隙主磁通產(chǎn)生一個(gè)偏角，稱為電樞反應(yīng)，通常加補(bǔ)償繞組使磁通畸變得以修正。2.2 直流電機(jī)工作原理如圖所示給兩個(gè)電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收

3、到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷 B 流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。發(fā)電機(jī)的原理則是電機(jī)的逆過程：原動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，利用法拉第電磁感應(yīng)產(chǎn)生直流電流。如下圖，比較清晰的說明了直流電動(dòng)機(jī)

4、的原理。3直流電機(jī)重要特性如下圖，更加清晰的揭示了直流電機(jī)電流電壓與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。我們可以得到直流電機(jī)的四個(gè)基本方程：U=E+I*R (1) 電樞繞組端電壓等于反電動(dòng)勢(shì)+內(nèi)阻電流壓降E=Ce*n(2) 反電動(dòng)勢(shì)=與電機(jī)相關(guān)的常數(shù)*轉(zhuǎn)速T=Ct*I(3) 轉(zhuǎn)矩=與電機(jī)相關(guān)的常數(shù)*電流Tm-TL-T0=J*dw/dt(4) 動(dòng)力學(xué)方程3.1直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo) 3.2 轉(zhuǎn)矩方程推導(dǎo)一個(gè)主極下導(dǎo)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：由，因，p為磁極對(duì)數(shù)， 則電樞全部導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為： 重要結(jié)論：其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)特點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和電樞電流的乘積成正比。對(duì)他勵(lì)DCM，不考慮電樞反應(yīng)影響時(shí)、勵(lì)磁

5、電流恒定時(shí)，有 有量綱：Wb優(yōu)點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩直接受電樞電流控制【線性、能觀能控】 KT與Ke的關(guān)系公式T*=Pm=Ea*Ia正好驗(yàn)證了反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電磁能全部轉(zhuǎn)化成總的機(jī)械能。其中，T*=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55 (單位：W)3.3 能量關(guān)系 并勵(lì)時(shí) 忽略勵(lì)磁電路銅耗：其中P0就是空載轉(zhuǎn)矩，基本可認(rèn)為變化不大，常當(dāng)做恒定值?，F(xiàn)在看第四個(gè)方程Tm-TL-T0=J*dw/dt,兩邊同乘于，用電機(jī)常用參數(shù)表示，則可得公式Tm-TL-T0=GD2/375*dn/dt.3.4 直流電機(jī)特性曲線在勵(lì)磁磁通恒定的情況下，電機(jī)特性曲線如下圖，由于良好的線性特性，所

6、以電機(jī)調(diào)速范圍廣，線性度好。 4直流電機(jī)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速，通常是以下幾種4.直流電機(jī)調(diào)速 由于傳統(tǒng)調(diào)速原理已被大家廣為熟知，所以不再贅述，這里主要介紹直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中IGBT等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。以下是基于直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：該調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)特性如圖

7、所示：?jiǎn)?dòng)時(shí)，能保證電機(jī)以最大允許啟動(dòng)電流快速啟動(dòng)，保證了電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高了快速性能，一旦達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)電流下降，轉(zhuǎn)速快速進(jìn)入穩(wěn)定范圍。該調(diào)速系統(tǒng)能抗負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓波動(dòng)，是一種高性能的調(diào)速系統(tǒng)。二.交流異步電機(jī)1.異步電機(jī)簡(jiǎn)介1.1物理結(jié)構(gòu) 定子結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1.2 物理模型 2.異步電機(jī)矢量控制基本理論2.1 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在研究異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，還需做如下假設(shè)：1） 忽略其在空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，且在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布；2） 忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；3） 忽略鐵心損耗；4） 不考慮頻率變化和溫度

8、變化對(duì)繞組電阻的影響。三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型如圖2.1所示，轉(zhuǎn)子繞組軸線、以角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子三相繞組軸線、在空間上是固定的。以定子軸線軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子軸和定子軸之間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。 圖2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型2.1.1 異步電機(jī)三相動(dòng)態(tài)模型數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，其中磁鏈仿真和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程為微分方程。 1）磁鏈方程 （2.1） 式中，為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；，為各項(xiàng)繞組的全磁鏈。2） 電壓方程 三相定子繞組的電壓方程為

9、(2.2)與此相對(duì)應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為 (2.3)式中，為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；，為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻值。3） 轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機(jī)電能力轉(zhuǎn)換原理，在線性電感的條件下，可得到轉(zhuǎn)矩方程為： (2. 4)4） 運(yùn)動(dòng)方程 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為 (2. 5)式中:為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩的負(fù)載轉(zhuǎn)矩.2.1.2 坐標(biāo)變換由于異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，若在三相坐標(biāo)系下分析和求解異步電動(dòng)機(jī)的方程則顯得十分困難。因而必須予以簡(jiǎn)化，才能在實(shí)際中得到運(yùn)用，使用坐標(biāo)變換是化簡(jiǎn)電動(dòng)機(jī)方程的基本原理。由于異步電動(dòng)機(jī)中有一個(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程使得異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型變的復(fù)雜，

10、這個(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程體現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和電磁耦合的相互關(guān)系。為此，需要從電磁耦合關(guān)系出發(fā)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。1)三相-兩相變換三相異步電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組、，各相磁勢(shì)矢量的空間位置如圖2.2所示圖 2.2 三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量根據(jù)變換前后總磁動(dòng)勢(shì)不變和變換前后總功率相等的原則,3s/2s變換用矩陣可表示為 (2. 6) (2. 7) (2.8)根據(jù)前后變換的總功率不變，可求得匝數(shù)比為： (2.9) (2.10)2) 靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換圖 2.3 靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)

11、系的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱為2s/2r變換（其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)），變換同樣是磁動(dòng)勢(shì)相等原則。由圖2.3可知 (2.11) (2.12)寫成矩陣形式，得 (2.13) (2.14)2.1.3 靜止兩相正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型從異步電動(dòng)機(jī)的物理模型可知，異步電動(dòng)機(jī)定子繞組是靜止的，因此只要進(jìn)行3/2變換就行了，而對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組而言，在實(shí)際過程中轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，因此必須先通過三相到兩相變換，再通過旋轉(zhuǎn)到靜止的變換，才能變換到靜止兩相正交坐標(biāo)系。1）電壓方程 (2.15)2）磁鏈方程為 (2.16)3）轉(zhuǎn)矩方程 (2.17)通過旋轉(zhuǎn)變換，改變了定、轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)系，使用相對(duì)靜

12、止等效繞組代替相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定、轉(zhuǎn)子繞組，使得磁鏈和轉(zhuǎn)矩不受定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角對(duì)的影響。旋轉(zhuǎn)變換將非線性變參數(shù)的異步電機(jī)磁鏈方程轉(zhuǎn)化為了線性定常的方程，但是加劇了電壓方程中的非線性耦合程度，將矛盾從磁鏈方程轉(zhuǎn)移到電壓方程中來了，并沒有改變對(duì)象的非線性耦合性質(zhì)。2.1.4 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1）電壓方程1（2.18）2）磁鏈方程為1 (2.19)3）轉(zhuǎn)矩方程1 (2.20)旋轉(zhuǎn)變換將原來靜止的定子繞組使用旋轉(zhuǎn)的繞組代替，并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等效的定子繞組重合，保持嚴(yán)格同步，等效的后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從異步電機(jī)的模型來看，旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型還不如靜態(tài)靜

13、止兩相正交坐標(biāo)系（，）中的簡(jiǎn)單，但是，從方程中可以看出，旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系較靜止兩相正交坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于增加了一個(gè)輸入量，提高了系統(tǒng)控制的自由度，磁場(chǎng)定向控制就是通過選擇而實(shí)現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)速度任意的正交坐標(biāo)系無實(shí)際使用意義，常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將繞組中的交流量變?yōu)橹绷髁?，以便模擬直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。2.2 轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，然后按照直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法來控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。由于變換的變量是矢量，因此這樣的坐標(biāo)變

14、換也稱作矢量變換，對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制系統(tǒng)。令軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希Q作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱坐標(biāo)系；由于軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，因?(2.21) (2.22)為了保證軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還必須使 (2.23)從而得到坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程 (2.24)導(dǎo)出坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度 (2.25)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差定義為轉(zhuǎn)差角頻率 (2.26)可以求得坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 (2.27)由上面的公式可以看出，通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，可以將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)

15、現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦，而且降低了微分方程組的階次。2.3 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算由于轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測(cè)比較困難，在異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中采用按模型計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值和空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以更具電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的公式推導(dǎo)出來，也可以利用狀態(tài)觀測(cè)器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測(cè)模型。在實(shí)際中，多用比較簡(jiǎn)單的計(jì)算模型。在磁鏈計(jì)算的模型中，由于主要測(cè)量的信號(hào)不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。2.3.1 電流模型1) 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過3/2變換得到靜止兩相正交坐標(biāo)系上的電流，在利用坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)

16、模型計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在軸上的分量： (2.28)也可表述為： (2.29)在坐標(biāo)系中計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，即使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，由于電壓、電流和磁鏈均為正弦量，計(jì)算量大，程序復(fù)雜，對(duì)計(jì)算步長(zhǎng)敏感。圖2.4為坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。圖 2.4 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型2） 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 (2.30)三相定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換，再按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到坐標(biāo)軸上的電流，從而求得和信號(hào)，由與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相加得到定子頻率信號(hào)，再經(jīng)過積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角。和第一種模型相比，這種模型更容易收斂，計(jì)算量更小，而且也比較準(zhǔn)確。圖 2.5 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型上述討論的兩種計(jì)算轉(zhuǎn)子磁

17、鏈的電流模型都是需要實(shí)際測(cè)量的電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，不論電機(jī)運(yùn)行在高速還是低速時(shí)都能夠適用，但從其方程中可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算受到電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響。如電動(dòng)機(jī)溫度的升高、頻率的變化影響轉(zhuǎn)子電阻Rr，磁鏈的飽和程度會(huì)影響電感Lm和Lr。由于這些影響的存在，會(huì)使得計(jì)算的磁鏈幅值與位置信號(hào)產(chǎn)生失真，轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能降低，這是電流模型的不足之處。2.3.2 電壓模型根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動(dòng)勢(shì)的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型叫做電壓模型。 （2.31）式中： 圖 2.6 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型電壓模型通過實(shí)測(cè)的電流和電壓信號(hào)來計(jì)算定子磁鏈。從電壓模

18、型的表達(dá)式中可以看出，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)遣恍枰D(zhuǎn)速信號(hào)的，并且與轉(zhuǎn)子電阻Rr無關(guān)。相對(duì)于電流模型而言，電壓模型受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響比較小，而且算法簡(jiǎn)單，適合在實(shí)際中運(yùn)用。電壓模型的缺點(diǎn)是其計(jì)算表達(dá)式中包含純積分項(xiàng)，積分的初始值和累積誤差都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，在低速時(shí)，定子電阻壓降變化的影響也比較大。比較電壓模型和電流模型，電壓模型更適合于中、高速范圍，而電流模型能適應(yīng)低速。實(shí)際中可以將兩者模型結(jié)合起來，在低速時(shí)采用電流模型，在中、高速時(shí)采用電壓模型，解決好兩者的過渡問題，便可以提高整個(gè)運(yùn)行范圍中計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確度。3.具體控制方案3.1 控制框圖3.2基于瑞薩RX62T系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案 系統(tǒng)總體硬件

19、框圖 系統(tǒng)總體軟件框圖 系統(tǒng)主程序框圖 系統(tǒng)中斷框圖三.交流同步電機(jī)1 同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 同步電機(jī)即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速的電機(jī)。同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。 作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)

20、電壓的目的。2 同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理2.1工作原理 定子三相繞組通入三相交流電后會(huì)形成旋轉(zhuǎn)的磁勢(shì)，其速度n1=60f/p(即同步轉(zhuǎn)速)。其中p為極對(duì)數(shù)，f為通入三相交流電的頻率。異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子是三相閉合回路，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子回路，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，產(chǎn)生電磁力矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。所以轉(zhuǎn)子速度和同步速度之間（定子磁鏈速度）有個(gè)轉(zhuǎn)差，故稱為異步電機(jī)。在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子為永磁體或是通過直流勵(lì)磁建立起轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，如圖所示： 同步電機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到定子磁鏈轉(zhuǎn)速（即同步轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)子速度n2=n1=

21、60f/p.即電樞繞組的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致，轉(zhuǎn)速相同。很重要的一點(diǎn)是同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)必須相同，否則電機(jī)是不能運(yùn)轉(zhuǎn)的。而對(duì)于異步或感應(yīng)電機(jī)來講，其轉(zhuǎn)子的極數(shù)是自動(dòng)感應(yīng)定子極數(shù)的。也可以講，轉(zhuǎn)子是沒有極數(shù)的。2.2結(jié)構(gòu)形式 同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為凸極式和隱極式同步電機(jī)。凸極式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對(duì)磁極和勵(lì)磁線圈，如圖所示。當(dāng)勵(lì)磁線圈中通過直流勵(lì)磁電流后，每個(gè)磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為 N 極和 S 極。對(duì)水輪發(fā)電機(jī)來說，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，(根據(jù)同步轉(zhuǎn)速公式)做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。另外，中小型同步電機(jī)多半也做成凸極式。  水輪發(fā)電機(jī) 隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖所示。沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開有許多槽，這些槽中嵌放著勵(lì)磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒有開槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會(huì)出現(xiàn) N 極和 S 極。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。