無刷同步電動機的變頻運行方式研究1
一、前言
無刷同步電動機由于沒有滑環、碳刷等可能產生火花的環節，在化工、煤礦等具有爆炸性環境的場所有著較為廣泛的應用。此外，由于去掉了碳刷等易損元件，大大提高了電機的整體可靠性，在一些要求持續長時間高可靠性運行的場合也有著不少的應用。近年來隨著節能觀念的推廣，大量的無刷同步電動機將面臨變頻改造。
由于無刷同步電動機固有的技術特點，在變頻調速運行時，同步電機遇到的弱磁投勵、電機進相運行、變頻器-勵磁器協同控制等問題一直制約著無刷同步電動機的變頻應用。
本文基于無刷同步電動機的結構和原理，對無刷同步電動機在變頻運行中所遇到的各種問題進行了詳細的分析，并根據理論分析和仿真試驗的結果對這些問題提出適當解決方法，使變頻器能夠驅動無刷同步電動機的可靠、經濟地調速運行。
二、無刷同步電動機的結構與工頻運行過程
1.無刷同步電動機的結構
1為滑動軸承，2為無刷同步電動機繞組，3為冷卻器，4為旋轉整流器，5為勵磁發電機。
2.無刷同步電動機勵磁系統結構
無刷同步電動機勵磁系統結構如圖2所示，其中勵磁發電機與同步電動機同軸轉動。
其中，旋轉整流器負責電機起動過程滅磁與投勵邏輯，其內部結構如圖3所示。電機起動時，旋轉整流器控制滅磁晶閘管T4將滅磁電阻RF連接至無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，以提供較大的起動轉矩，降低勵磁繞組端電壓，此時整流晶閘管T1～T3截止；當電機到達亞同步速且滿足準角條件時，控制器觸發整流晶閘管T1～T3，將勵磁發電機的電樞電壓整流后加在同步電動機的勵磁繞組上，為同步電動機提供持續的勵磁電流，同時關斷滅磁晶閘管T4。此時，旋轉整流器等效于三相二極管不控整流器。
3.無刷同步電動機的工頻穩態運行
無刷同步電動機在工頻穩態運行時，勵磁器向勵磁發電機的定子勵磁繞組通以適當的勵磁電流，在勵磁發電機的轉子電樞繞組端部感應出三相交流電壓，由旋轉整流器（等效于二極管整流器）整流成直流電壓，施加在無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，為其提供持續的勵磁電流。
根據勵磁發電機的物理特性，其輸出的電樞電壓近似于電機轉速和勵磁發電機勵磁電流的乘積成正比，因此勵磁器可以通過調節晶閘管的觸發角，調節勵磁發電機的定子勵磁電流，達到調節無刷同步電動機的轉子勵磁電流的目的。
4.無刷同步電動機的工頻起動投勵過程
工頻起動時，首先高壓斷路器合閘，旋轉整流器的滅磁部分電路根據同步電動機勵磁繞組上的感應電壓將滅磁電阻連接至同步電動機的勵磁繞組上，同步電動機逐漸加速。
高壓斷路器合閘后，勵磁器觸發晶閘管，向勵磁發電機的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著電機轉速的升高，勵磁發電機的轉子電樞繞組電壓逐漸升高，當其高于旋轉整流器的最低工作電壓后，由其供電的旋轉整流器控制器上電，旋轉整流器監測同步電動機勵磁繞組上的感應電壓，當其周期大于預設值（表示同步電動機已到達亞同步速）且到達反向過零點時，觸發整流晶閘管，關斷滅磁晶閘管，將勵磁發電機的轉子電樞電壓整流后加在同步電動機的勵磁繞組上，完成投勵。
電機經過短暫的整步過程后進入穩定的同步運行狀態，電機起動過程完成。
5.無刷同步電動機的工頻停機過程
工頻停機時，斷開高壓斷路器，同時勵磁器調節晶閘管的觸發角至有源逆變區，將勵磁發電機的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發電機的轉子電樞繞組電壓迅速下降，當其小于旋轉整流器的最低工作電壓時，旋轉整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續流二極管將滅磁電阻連接至同步電動機的勵磁繞組上，同步電動機的勵磁電流迅速下降至零。同步電動機在負載和阻力轉矩等的作用下逐漸停穩。
三、無刷同步電機的變頻運行
1.調速運行時的勵磁發電機特性
與有刷同步電動機的滑環直接勵磁不同，無刷同步電動機的勵磁電流由旋轉的勵磁發電機發出。由于勵磁發電機發出的電壓與電機轉速和勵磁發電機定子勵磁電流的乘積成正比，當電機轉速低于其額定轉速較多時，勵磁發電機發出的電壓較低，此時即使勵磁器向勵磁發電機輸出最大的勵磁電流，無刷同步電動機的勵磁電流也將小于其額定值。在起動初期轉速很低時，無刷同步電動機將無法獲得勵磁電流。
同步電動機在無勵磁電流條件下變頻啟動時，其定子電樞繞組將從變頻器吸收較大的感性無功電流（典型值約為電機額定電流的2至3倍），該電流僅在變頻器和同步電動機之間流動，不注入電網，但會造成變頻器和同步電動機定子電樞繞組的短時發熱。因此，在電機轉速較低時，應向勵磁發電機的定子勵磁繞組施加盡可能大的電流，以最大限度降低電機的起動電流。
2.變頻起動時的投勵與整步過程
高壓斷路器合閘后，變頻器高壓上電。變頻器收到“啟動”命令后，從0.5Hz開始向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，并按照預設的加速時間和V/F曲線逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值，同步電動機空載起動。
變頻器向同步電動機定子電樞繞組輸出電壓的同時，通知勵磁器開始向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出強勵勵磁電流，該電流為大于勵磁發電機的額定勵磁電流，小于勵磁發電機的最大短時勵磁電流，此時，勵磁發電機的轉子電樞繞組電流近似為零。
變頻器起動后，同步電動機依靠其凸極轉矩和轉子剩磁，經過短暫的異步加速和整步過程（約1至2秒）后進入同步運行狀態。由于此時同步電動機無勵磁電流，僅依靠凸極轉矩和轉子剩磁運行，因而其定子側電流較大，約為電機額定電流的2至3倍。
隨著電機的加速，勵磁發電機轉子電樞繞組感應的電壓逐漸升高，當其高于旋轉整流器的最低工作電壓時，旋轉整流器控制電源上電。由于此時同步電動機工作在同步運行狀態下，其轉子角的少量擺動在勵磁繞組上感應出較低頻率的電壓，該電壓的周期滿足滑差頻率判據。旋轉整流器在檢測到該電壓后，立即觸發整流晶閘管，向同步電動機的轉子勵磁繞組投入勵磁電流。由于此時電機的轉速仍然較低，勵磁發電機的電樞電壓較低，因而向同步電動機輸出的勵磁電流也較低。投入勵磁后，同步電動機的定子電樞電流將有所降低，隨著電機的加速，勵磁發電機輸出的電壓逐漸增加，同步電動機獲得的勵磁電流也逐漸增加，同步電動機的定子電樞電流逐漸降低至額定電流之下。
當電機轉速增至最低運行轉速（調速區間下界）后，變頻器通知勵磁器將勵磁發電機的定子勵磁電流調整為勵磁發電機的最大持續工作勵磁電流（或額定勵磁電流），電機起動過程完成，電機可以在該轉速下加載運行，或者根據工藝需要，加速至期望的轉速運行。
由于上述電機起動過程較短（其典型值約為30秒），且通常啟動前勵磁發電機和同步電動機繞組溫度不高，因此這一過程不會導致勵磁發電機和同步電動機過熱。
3.調速范圍
對于無刷同步電動機，由于低速時勵磁發電機發出的電壓較低，同步電動機獲得的勵磁電流較小，其最大輸出轉矩（失步轉矩）較小，因此需要根據電機的勵磁-轉矩特性確定其最低運行頻率。
一般的，為了提高電機的調速運行范圍，在轉速較低時，勵磁器向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出勵磁發電機的最大持續工作勵磁電流，此時勵磁發電機的轉子電樞繞組將輸出該轉速下最大的感應電壓（仍小于其額定轉速下的額定電樞電壓），同步電動機也能獲得該轉速下的最大勵磁電流。根據勵磁發電機在其最大持續工作勵磁電流下的輸出電壓、同步電動機轉子勵磁繞組電阻，以及同步電動機的勵磁-轉矩特性曲線，可以計算出各轉速下同步電動機的最大輸出轉矩（失步轉矩）。一般可以按照同步電動機最大輸出轉矩不小于該轉速條件下負載轉矩峰值的1.3倍的原則來確定同步電動機的最低運行轉速（典型值為電機額定轉速的60%至70%）。
4.勵磁調節
?。?）低速滿勵磁運行
同步電動機在最低運行轉速運行時，將從變頻器吸收一定的感性無功電流，功率因數滯后。隨著轉速的升高，其功率因數將逐漸升高，直至單位功率因數（PF=1）。為了降低損耗，提高系統效率，在功率因數到達單位功率因數之前，勵磁器應向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出其最大持續工作勵磁電流。
?。?）高速時的勵磁調節
當同步電動機轉速進一步升高時，將向變頻器發出感性的無功電流，功率因數超前，此時，為了降低損耗，提高系統效率，變頻器將根據其輸出功率因數，與勵磁器進行通訊，降低勵磁器輸出到勵磁發電機的勵磁電流，使同步電動機在單位功率因數下運行。
5.變頻停機過程
變頻器收到“立即停機”命令后，將停止向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，同時通知勵磁器滅磁，勵磁發電機的勵磁電流快速衰減，同步電動機的勵磁電流通過滅磁電阻快速衰減，電機在負載和阻力轉矩的作用下逐漸停穩。
6.失步保護
當變頻器檢測到同步電動機失步時，立即停止向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，同時通知勵磁器滅磁，報告故障。
四、結論
本文基于無刷同步電動機的結構和原理，對無刷同步電動機變頻運行時可能遇到的問題進行了詳細的分析，提出了無刷同步電動機的變頻運行方式，在該運行方式下，變頻器可以驅動無刷同步電動機可靠、經濟地調速運行。
無刷同步電動機由于沒有滑環、碳刷等可能產生火花的環節，在化工、煤礦等具有爆炸性環境的場所有著較為廣泛的應用。此外，由于去掉了碳刷等易損元件，大大提高了電機的整體可靠性，在一些要求持續長時間高可靠性運行的場合也有著不少的應用。近年來隨著節能觀念的推廣，大量的無刷同步電動機將面臨變頻改造。
由于無刷同步電動機固有的技術特點，在變頻調速運行時，同步電機遇到的弱磁投勵、電機進相運行、變頻器-勵磁器協同控制等問題一直制約著無刷同步電動機的變頻應用。
本文基于無刷同步電動機的結構和原理，對無刷同步電動機在變頻運行中所遇到的各種問題進行了詳細的分析，并根據理論分析和仿真試驗的結果對這些問題提出適當解決方法，使變頻器能夠驅動無刷同步電動機的可靠、經濟地調速運行。
二、無刷同步電動機的結構與工頻運行過程
1.無刷同步電動機的結構
1為滑動軸承，2為無刷同步電動機繞組，3為冷卻器，4為旋轉整流器，5為勵磁發電機。
2.無刷同步電動機勵磁系統結構
無刷同步電動機勵磁系統結構如圖2所示，其中勵磁發電機與同步電動機同軸轉動。
其中，旋轉整流器負責電機起動過程滅磁與投勵邏輯，其內部結構如圖3所示。電機起動時，旋轉整流器控制滅磁晶閘管T4將滅磁電阻RF連接至無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，以提供較大的起動轉矩，降低勵磁繞組端電壓，此時整流晶閘管T1～T3截止；當電機到達亞同步速且滿足準角條件時，控制器觸發整流晶閘管T1～T3，將勵磁發電機的電樞電壓整流后加在同步電動機的勵磁繞組上，為同步電動機提供持續的勵磁電流，同時關斷滅磁晶閘管T4。此時，旋轉整流器等效于三相二極管不控整流器。
3.無刷同步電動機的工頻穩態運行
無刷同步電動機在工頻穩態運行時，勵磁器向勵磁發電機的定子勵磁繞組通以適當的勵磁電流，在勵磁發電機的轉子電樞繞組端部感應出三相交流電壓，由旋轉整流器（等效于二極管整流器）整流成直流電壓，施加在無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，為其提供持續的勵磁電流。
根據勵磁發電機的物理特性，其輸出的電樞電壓近似于電機轉速和勵磁發電機勵磁電流的乘積成正比，因此勵磁器可以通過調節晶閘管的觸發角，調節勵磁發電機的定子勵磁電流，達到調節無刷同步電動機的轉子勵磁電流的目的。
4.無刷同步電動機的工頻起動投勵過程
工頻起動時，首先高壓斷路器合閘，旋轉整流器的滅磁部分電路根據同步電動機勵磁繞組上的感應電壓將滅磁電阻連接至同步電動機的勵磁繞組上，同步電動機逐漸加速。
高壓斷路器合閘后，勵磁器觸發晶閘管，向勵磁發電機的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著電機轉速的升高，勵磁發電機的轉子電樞繞組電壓逐漸升高，當其高于旋轉整流器的最低工作電壓后，由其供電的旋轉整流器控制器上電，旋轉整流器監測同步電動機勵磁繞組上的感應電壓，當其周期大于預設值（表示同步電動機已到達亞同步速）且到達反向過零點時，觸發整流晶閘管，關斷滅磁晶閘管，將勵磁發電機的轉子電樞電壓整流后加在同步電動機的勵磁繞組上，完成投勵。
電機經過短暫的整步過程后進入穩定的同步運行狀態，電機起動過程完成。
5.無刷同步電動機的工頻停機過程
工頻停機時，斷開高壓斷路器，同時勵磁器調節晶閘管的觸發角至有源逆變區，將勵磁發電機的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發電機的轉子電樞繞組電壓迅速下降，當其小于旋轉整流器的最低工作電壓時，旋轉整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續流二極管將滅磁電阻連接至同步電動機的勵磁繞組上，同步電動機的勵磁電流迅速下降至零。同步電動機在負載和阻力轉矩等的作用下逐漸停穩。
三、無刷同步電機的變頻運行
1.調速運行時的勵磁發電機特性
與有刷同步電動機的滑環直接勵磁不同，無刷同步電動機的勵磁電流由旋轉的勵磁發電機發出。由于勵磁發電機發出的電壓與電機轉速和勵磁發電機定子勵磁電流的乘積成正比，當電機轉速低于其額定轉速較多時，勵磁發電機發出的電壓較低，此時即使勵磁器向勵磁發電機輸出最大的勵磁電流，無刷同步電動機的勵磁電流也將小于其額定值。在起動初期轉速很低時，無刷同步電動機將無法獲得勵磁電流。
同步電動機在無勵磁電流條件下變頻啟動時，其定子電樞繞組將從變頻器吸收較大的感性無功電流（典型值約為電機額定電流的2至3倍），該電流僅在變頻器和同步電動機之間流動，不注入電網，但會造成變頻器和同步電動機定子電樞繞組的短時發熱。因此，在電機轉速較低時，應向勵磁發電機的定子勵磁繞組施加盡可能大的電流，以最大限度降低電機的起動電流。
2.變頻起動時的投勵與整步過程
高壓斷路器合閘后，變頻器高壓上電。變頻器收到“啟動”命令后，從0.5Hz開始向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，并按照預設的加速時間和V/F曲線逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值，同步電動機空載起動。
變頻器向同步電動機定子電樞繞組輸出電壓的同時，通知勵磁器開始向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出強勵勵磁電流，該電流為大于勵磁發電機的額定勵磁電流，小于勵磁發電機的最大短時勵磁電流，此時，勵磁發電機的轉子電樞繞組電流近似為零。
變頻器起動后，同步電動機依靠其凸極轉矩和轉子剩磁，經過短暫的異步加速和整步過程（約1至2秒）后進入同步運行狀態。由于此時同步電動機無勵磁電流，僅依靠凸極轉矩和轉子剩磁運行，因而其定子側電流較大，約為電機額定電流的2至3倍。
隨著電機的加速，勵磁發電機轉子電樞繞組感應的電壓逐漸升高，當其高于旋轉整流器的最低工作電壓時，旋轉整流器控制電源上電。由于此時同步電動機工作在同步運行狀態下，其轉子角的少量擺動在勵磁繞組上感應出較低頻率的電壓，該電壓的周期滿足滑差頻率判據。旋轉整流器在檢測到該電壓后，立即觸發整流晶閘管，向同步電動機的轉子勵磁繞組投入勵磁電流。由于此時電機的轉速仍然較低，勵磁發電機的電樞電壓較低，因而向同步電動機輸出的勵磁電流也較低。投入勵磁后，同步電動機的定子電樞電流將有所降低，隨著電機的加速，勵磁發電機輸出的電壓逐漸增加，同步電動機獲得的勵磁電流也逐漸增加，同步電動機的定子電樞電流逐漸降低至額定電流之下。
當電機轉速增至最低運行轉速（調速區間下界）后，變頻器通知勵磁器將勵磁發電機的定子勵磁電流調整為勵磁發電機的最大持續工作勵磁電流（或額定勵磁電流），電機起動過程完成，電機可以在該轉速下加載運行，或者根據工藝需要，加速至期望的轉速運行。
由于上述電機起動過程較短（其典型值約為30秒），且通常啟動前勵磁發電機和同步電動機繞組溫度不高，因此這一過程不會導致勵磁發電機和同步電動機過熱。
3.調速范圍
對于無刷同步電動機，由于低速時勵磁發電機發出的電壓較低，同步電動機獲得的勵磁電流較小，其最大輸出轉矩（失步轉矩）較小，因此需要根據電機的勵磁-轉矩特性確定其最低運行頻率。
一般的，為了提高電機的調速運行范圍，在轉速較低時，勵磁器向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出勵磁發電機的最大持續工作勵磁電流，此時勵磁發電機的轉子電樞繞組將輸出該轉速下最大的感應電壓（仍小于其額定轉速下的額定電樞電壓），同步電動機也能獲得該轉速下的最大勵磁電流。根據勵磁發電機在其最大持續工作勵磁電流下的輸出電壓、同步電動機轉子勵磁繞組電阻，以及同步電動機的勵磁-轉矩特性曲線，可以計算出各轉速下同步電動機的最大輸出轉矩（失步轉矩）。一般可以按照同步電動機最大輸出轉矩不小于該轉速條件下負載轉矩峰值的1.3倍的原則來確定同步電動機的最低運行轉速（典型值為電機額定轉速的60%至70%）。
4.勵磁調節
?。?）低速滿勵磁運行
同步電動機在最低運行轉速運行時，將從變頻器吸收一定的感性無功電流，功率因數滯后。隨著轉速的升高，其功率因數將逐漸升高，直至單位功率因數（PF=1）。為了降低損耗，提高系統效率，在功率因數到達單位功率因數之前，勵磁器應向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出其最大持續工作勵磁電流。
?。?）高速時的勵磁調節
當同步電動機轉速進一步升高時，將向變頻器發出感性的無功電流，功率因數超前，此時，為了降低損耗，提高系統效率，變頻器將根據其輸出功率因數，與勵磁器進行通訊，降低勵磁器輸出到勵磁發電機的勵磁電流，使同步電動機在單位功率因數下運行。
5.變頻停機過程
變頻器收到“立即停機”命令后，將停止向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，同時通知勵磁器滅磁，勵磁發電機的勵磁電流快速衰減，同步電動機的勵磁電流通過滅磁電阻快速衰減，電機在負載和阻力轉矩的作用下逐漸停穩。
6.失步保護
當變頻器檢測到同步電動機失步時，立即停止向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，同時通知勵磁器滅磁，報告故障。
四、結論
本文基于無刷同步電動機的結構和原理，對無刷同步電動機變頻運行時可能遇到的問題進行了詳細的分析，提出了無刷同步電動機的變頻運行方式，在該運行方式下，變頻器可以驅動無刷同步電動機可靠、經濟地調速運行。
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