直流電機原理與控制方法

1、電機簡要學(xué)習(xí)手冊2015-2-3方案管理、直流電機原理與控制方法1直流電機簡介直流電機（DM）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機由轉(zhuǎn)子（電樞）、定子（勵磁繞組或者永磁體）、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)了電機控制領(lǐng)域的整座江山。但隨著交流電機控制技術(shù)的發(fā)展，直流電機的弊端也逐漸顯現(xiàn)，在很多領(lǐng)域都逐漸被交流電機所取代。但如今直流電機仍然占據(jù)著不可忽

2、視的地位，廣泛用于對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上，如軋鋼機、電力牽引、挖掘機械、紡織機械，龍門刨床等等，所以對直流電機的了解和研究仍然意義重大。2直流電動機基本結(jié)構(gòu)與工作原理直流電機結(jié)構(gòu)如下圖，是直流電機結(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發(fā)生作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子按照勵磁可分為直勵，他勵，復(fù)勵。電樞產(chǎn)生的磁場會疊加在定子磁場上使得氣隙主磁通產(chǎn)生一個偏角，稱為電樞反應(yīng)，通常加補償繞組使磁通畸變得以修正。U0導(dǎo)體鼻卜處于'極卜;th）導(dǎo)體汕處于5根F直流電機工作原理如圖所示給兩個電刷加上直流電源，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

3、磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，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轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。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，在線圈中的流動方向是dcba,從電刷B流出。此時載流導(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)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。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)電機的原理則是電機的逆過程：原動機提供轉(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

4、明了直流電動機的原理。直流電功率直流電動機直流發(fā)電機3直流電機重要特性如下圖，更加清晰的揭示了直流電機電流電壓與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。我們可以得到直流電機的四個基本方程：F=Bli,條支路emi心各支路電流之和7關(guān)系？Ea、c-Blv條支路。電磁轉(zhuǎn)矩1 。電樞電動勢- 電動勢平衡方程功率平衡方程.。機械特性1'3P1-41-5U=E+I*R電樞繞組端電壓等于反電動勢+內(nèi)阻電流壓降E=Ce*n(3)(4)反電動勢=與電機相關(guān)的常數(shù)*轉(zhuǎn)速T=Ct*I轉(zhuǎn)矩=與電機相關(guān)的常數(shù)*電流Tm-TLT0=J*dw/dt動力學(xué)方程直流電機反電動勢推導(dǎo)重要結(jié)論:特點一Ea - K* n r Ke =60日（

5、電勢系數(shù)、電勢常數(shù)）DCM的反電勢與磁通和電機轉(zhuǎn)速的乘積成正比,電動工作時，反電勢的方向與電框電潦方向相反對他勵，磁通不變時一£由量綱:pVba£/riiiiiiI轉(zhuǎn)矩方程推導(dǎo)一個主極下導(dǎo)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：，=刈，=舞向%g票，丁Nia一.“、一由T于，因Ia2aia,p為磁極對數(shù),則電樞全部導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為:cN2aiapN,2PT2P22aa2aIaK重要結(jié)論：Tem KT I a其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù) KtpN2 a特點:直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和電樞電流的乘積成正比。對他勵DCM,不考慮電樞反應(yīng)影響時、勵磁電流恒定時,TemCTIa，CT=KT=常數(shù)K有量綱：W

6、b3優(yōu)點：直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩直接受電樞電流控制【線性、能觀能控】KT與Ke的關(guān)系pNKt_271a_竺955KpN-C2兀.ee60a方程代表電動機機電能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系;271Ea=K=Ktn爪了。60兩邊同乘電樞電流：電能/&二=Tem機.公式T*Q=Pm=Ea*Ia正好驗證了反電動勢產(chǎn)生的電磁能全部轉(zhuǎn)化成總的機械能。其中，T*Q=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/（單位：W）電源輸入的電能減 去電阻中能量損耗磁場中能量的增加力口 上鐵芯中損耗的能量輸由的機械能力口 上通風(fēng)，摩擦損耗的能并勵時PiUIUIfUIaPcufUI忽略勵磁電路銅耗：PiUIaPcuaPem

7、PcuaPFePP2PcuaPoP2電動機的功率流圖現(xiàn)在看第四個方程Tm-TL-T0=J*dw/dt兩邊同乘于Q,用電機常用參數(shù)表示,則可得公式Tm-TL-T0=GDy/375*dn/dt.直流電機特性曲線在勵磁磁通恒定的情況下，電機特性曲線如下圖，由于良好的線性特性，所4.直流電機調(diào)速/科史"心口出.書*殺續(xù)r發(fā)電機業(yè)動機轉(zhuǎn)網(wǎng)速系統(tǒng)3k蛻邑J戊壹七根由出網(wǎng)速痂先<赭劃泮*mi4;皖折一器調(diào)一一一%，、r力漁由源變陰器調(diào)速整絕改變嵯酒調(diào)速笈統(tǒng)總硼港變而踹調(diào)母系撫、僦放人事凋魂祭境由于傳統(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

8、技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠遠地超過了發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的精度、動態(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的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：靜蓄結(jié)構(gòu)圖該調(diào)速系統(tǒng)的特點是:C11兩個調(diào)節(jié)器.-環(huán)樓套一環(huán)*速度環(huán)是外訐，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，（為兩個團調(diào)節(jié)器均設(shè)宣置限唱；一旦p嘴吊罵限幅（即郵n,其輸出量為恒值,輸入量的變化k再弱響輸出，除三由反械性的相認信號使調(diào)節(jié)器退出飽和;即飽

9、和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷j洞八也輸出間的關(guān)系，相當于使該調(diào)節(jié)器處于斷?%而輸出未達限幅時，調(diào)節(jié)器才起茶帶作用，使輸入褊差電后在調(diào)節(jié)過程中趨于事,而硅志E寸為零13.電搐檢測采用三相交還電流互感器;電諒、轉(zhuǎn)速均實現(xiàn)無靛差，由于轉(zhuǎn)速與電謊調(diào)節(jié)器第一用P1調(diào)節(jié)器，所以系統(tǒng)處于檢志力轉(zhuǎn)速和電律法1為無靜基.轉(zhuǎn)邇調(diào)節(jié)器ASR輸入無存差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速天辭差。動態(tài)特性如圖所示:啟動時，能保證電機以最大允許啟動電流快速啟動，保證了電機啟動轉(zhuǎn)矩，提高了快速性能，一旦達到額定轉(zhuǎn)矩，電機電流下降，轉(zhuǎn)速快速進入穩(wěn)定范圍。該調(diào)速系統(tǒng)能抗負載擾動和電網(wǎng)電壓波動，是一種高性能的調(diào)速系統(tǒng)。:.交流異步電機1.異步電機簡介物理結(jié)構(gòu)定子結(jié)

10、構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)物理模型2.異步電機矢量控制基本理論異步電機的數(shù)學(xué)模型在研究異步電動機的數(shù)學(xué)模型時，還需做如下假設(shè):1）忽略其在空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，且在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(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變化對繞組電阻的影響。三相異步電動機的物理模型如圖所示，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c以角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子三相繞組軸線A、B、C在空間上是固定的。以定子軸線A軸為參考坐標軸，轉(zhuǎn)子a軸和定子a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機慣例和右手螺旋定則。b圖三

11、相異步電動機的物理模型異步電機三相動態(tài)模型數(shù)學(xué)表達式異步電動機的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成,其中磁鏈仿真和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運動方程為微分方程。1）磁鏈方程ALAALABLACLAaLAbLAciABLBALBBLBCLBaLBbLBciBC._LCALCBLCCLCaLCbLCciC()aLaALaBLaCLaaLabLaciabLbALbBLbCLbaLbbLbcibcLcALcBLcCLcaLcbLcc%式中iA,iB,ic,ia,ib,ic為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值;ABCa,b,c為各項繞組的全磁鏈。2）電壓方程三相定子繞組的電壓方程為UciAR

12、iB Ric Rd "dT d -dt d ""dt與此相對應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為UaiaRrUbibRrUcicRrd ""dt d ""dt d %?式中 U a , Ub , Uc , UUbUc為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值； Rs ,Rr為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻值。3）轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機電能力轉(zhuǎn)換原理，在線性電感的條件下，可得到轉(zhuǎn)矩方程為:TenpLms(iAia ieibicic) sin(iAibieic icia)sin(120 )(iAiciBia icib) sin( 120)(2.4)4）運動方

13、程運動控制系統(tǒng)的運動方程為(2. 5)JdwTeTLnpdt式中：J為機組的轉(zhuǎn)動慣量,Tl包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩的負載轉(zhuǎn)矩.坐標變換由于異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復(fù)雜，若在三相坐標系下分析和求解異步電動機的方程則顯得十分困難。因而必須予以簡化，才能在實際中得到運用，使用坐標變換是化簡電動機方程的基本原理。由于異步電動機中有一個復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程使得異步電動機數(shù)學(xué)模型變的復(fù)雜，這個復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程體現(xiàn)了異步電動機的能量轉(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)簡化數(shù)學(xué)模型。1）三相-兩相變換三相異步電動機的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動機定子繞組、，各相磁勢矢量的空間

14、位置如圖所示 F三相坐標系和兩相正交坐標系中的磁動勢矢量根據(jù)變換前后總磁動勢不變和變換前后總功率相等的原則，3s/2s變換用矩陣可表小為11(2. 6)(2.7)N2iN3(iA-iB-ic)22N2iN3(ibic)211iN32iN2302根據(jù)前后變換的總功率不變，可求得匝數(shù)比為:2）靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換圖靜止兩相正交坐標系和旋轉(zhuǎn)正交坐標系中的磁動勢矢量從靜止兩相正交坐標系到旋轉(zhuǎn)正交坐標系的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱為2s/2r變換（其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)），變換同樣是磁動勢相等原則。由圖可知idicosisiniqisinicosq寫成矩陣形式，得idcossiniqs

15、incoscossinC2s/2rsincos靜止兩相正交坐標系中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型從異步電動機的物理模型可知，異步電動機定子繞組是靜止的，因此只要進行32變換就行了，而對于轉(zhuǎn)子繞組而言，在實際過程中轉(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系。1）電壓方程UsRs000iss0Us_0Rs00Isds0Ur-00Rr0irdtrrrUr000Rrirrrr2）磁鏈方程為sLs0Lm0iss=0Ls0Lmis一Lm0Lr0irr0Lm0Lrir3）轉(zhuǎn)矩方程TenpLm（isirisir）通過旋轉(zhuǎn)變換，改變了定、轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)系，使用相對靜止等

16、效繞組代替相對運動的定、轉(zhuǎn)子繞組，使得磁鏈和轉(zhuǎn)矩不受定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角對的影響。旋轉(zhuǎn)變換將非線性變參數(shù)的異步電機磁鏈方程轉(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，并沒有改變對象的非線性耦合性質(zhì)。旋轉(zhuǎn)正交坐標系中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1）電壓方程1UsdR000i sdsd1 squsq0Rs00i sqdsq1 sdurd00R0irddt rd(1) rqurq000Rri rqrq(1) rd2)磁鏈方程為1sdLs0Lm0isdsq0Ls0LmisqrdLm0Lr0irdrq0Lm0Lri rq3)轉(zhuǎn)矩方程1TenpLm ( isqi r

17、d isdirq )()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，保持嚴格同步，等效的后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對運動。從異步電機的模型來看，旋轉(zhuǎn)正交坐標系（dq坐標系）中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型還不如靜態(tài)靜止兩相正交坐標系（，）中的簡單，但是，從方程中可以看出,旋轉(zhuǎn)正交坐標系較靜止兩相正交坐標系的優(yōu)點在于增加了一個輸入量i,提高了系統(tǒng)控制的自由度，磁場定向控制就是通過選擇i而實現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)速度任意的正交坐標系無實際使用意義，常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標系，將繞組中的交流量變?yōu)橹绷髁?，以便模擬直流電動機進行控制。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

18、坐標變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型，然后按照直流電動機的調(diào)速方法來控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應(yīng)量，以實施控制。由于變換的變量是矢量，因此這樣的坐標變換也稱作矢量變換，對應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制系統(tǒng)。令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量重合，稱作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系，簡稱mt坐標系；由于m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量重合，因此rdrtrmrq為了保證m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量始終重合，還必須使rtrqdtdt從而得到mt坐標系中的狀態(tài)方程LnLmidism dTdist dTdtd rLmLsRLm 匚匚JLr 1Ts

19、t% JTLLmismT rRsL2RrLm.TLismLsLr22Rs LrRr Lm -LsL21stlist1 ismusm工ust導(dǎo)出mt坐標系的旋轉(zhuǎn)角速度LmTr ri stmt坐標系旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差定義為轉(zhuǎn)差角頻率LmTr rist可以求得mt坐標系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達式npLmLrist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磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist,轉(zhuǎn)子磁鏈r僅由定子電流勵磁分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Te正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積istr,實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦，而且降低了微分方程組的階次。轉(zhuǎn)子磁鏈計算由于轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測比較

20、困難，在異步電機交流調(diào)速系統(tǒng)中采用按模型計算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值和空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以更具電動機數(shù)學(xué)模型的公式推導(dǎo)出來，也可以利用狀態(tài)觀測器或狀態(tài)估計理論得到閉環(huán)的觀測模型。在實際中，多用比較簡單的計算模型。在磁鏈計算的模型中，由于主要測量的信號不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。電流模型1）在坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型由實測的三相定子電流通過32變換得到靜止兩相正交坐標系上的電流，在利用坐標系中的數(shù)學(xué)模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈在軸上的分量:也可表述為:d rdt1T1TLmiTr sLm.T?ls1Trs 11Trs 1rTr

21、 r )rTr r )在 坐標系中計算轉(zhuǎn)子磁鏈時，即使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，由于電壓、電流和磁鏈均為正弦量，計算量大，程序復(fù)雜，對計算步長敏感。圖為坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。圖坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型2）在mt坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型d rdt11TrLmTri smrist三相定子電流iabc經(jīng)過坐標變換，再按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到mt坐標軸上的電流ist,ism,從而求得,和s信號，由S與實測轉(zhuǎn)速相加得到定子頻率SSIMISS信號1,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，計算量更小，而且也比較準確。圖在mt坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型上述討論的兩種

22、計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都是需要實際測量的電流和轉(zhuǎn)速信號，不論電機運行在高速還是低速時都能夠適用，但從其方程中可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈的計算受到電動機參數(shù)變化的影響。如電動機溫度的升高、頻率的變化影響轉(zhuǎn)子電阻Rr,磁鏈的飽和程度會影響電感Lm和Lr。由于這些影響的存在，會使得計算的磁鏈幅值與位置信號產(chǎn)生失真，轉(zhuǎn)子磁鏈信號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。電壓模型根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動勢的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型叫做電壓模型。r卜(UsRis)dtLsisLm()r-(UsRis)dtLsis式中：TrLRrLm1-Lm-LsLr圖計算轉(zhuǎn)

23、子磁鏈的電壓模型電壓模型通過實測的電流和電壓信號來計算定子磁鏈。從電壓模型的表達式中可以看出，計算轉(zhuǎn)子磁鏈是不需要轉(zhuǎn)速信號的，并且與轉(zhuǎn)子電阻Rr無關(guān)。相對于電流模型而言，電壓模型受電動機參數(shù)變化的影響比較小，而且算法簡單，適合在實際中運用。電壓模型的缺點是其計算表達式中包含純積分項，積分的初始值和累積誤差都會影響計算結(jié)果，在低速時，定子電阻壓降變化的影響也比較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。實際中可以將兩者模型結(jié)合起來，在低速時采用電流模型，在中、高速時采用電壓模型，解決好兩者的過渡問題，便可以提高整個運行范圍中計算轉(zhuǎn)子磁鏈的準確度。3.具體控制方案

24、控制框圖基于瑞薩RX62T系統(tǒng)的實現(xiàn)方案AC常閉節(jié)點系統(tǒng)總體硬件框圖系統(tǒng)總體軟件框圖（變量初始化J循環(huán)隹制面板指令與顯示）MAX48通訊，參數(shù)/變量更新：系統(tǒng)主程序框圖中斷服務(wù)程序A/D電流采贏換完畢SVPW輸出恢復(fù)現(xiàn)場系統(tǒng)中斷框圖三.交流同步電機1同步電動機結(jié)構(gòu)同步電機即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速包等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速的電機。同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。作為發(fā)電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得

25、到較多地應(yīng)用。同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。2同步電動機矢量控制原理工作原理定子三相繞組通入三相交流電后會形成旋轉(zhuǎn)的磁勢，其速度n1=60f/p（即同步轉(zhuǎn)速）。其中p為極對數(shù)，f為通入三相交流電的頻率。異步電機中，轉(zhuǎn)子是三相閉合回路，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子回路，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢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

26、個轉(zhuǎn)差，故稱為異步電機。在同步電機中，轉(zhuǎn)子為永磁體或是通過直流勵磁建立起轉(zhuǎn)子磁場，如圖所示:同步電機轉(zhuǎn)速可以達到定子磁鏈轉(zhuǎn)速（即同步轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)子速度n2=n1=60f/p.即電樞繞組的磁場旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致，轉(zhuǎn)速相同。很重要的一點是同步電機定、轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)必須相同，否則電機是不能運轉(zhuǎn)的。而對于異步或感應(yīng)電機來講，其轉(zhuǎn)子的極數(shù)是自動感應(yīng)定子極數(shù)的。也可以講，轉(zhuǎn)子是沒有極數(shù)的。結(jié)構(gòu)形式同步電機根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為凸極式和隱極式同步電機。凸極式同步電機轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈，如圖所示。當勵磁線圈中通過直流勵磁電流后，每個磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為N極和S極。對水輪發(fā)電機來說，由于水輪機的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，（根據(jù)同步”速公式）做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。水輪發(fā)電機隱極式轉(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，這些槽中嵌放著勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒有開