基于無刷同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理的其變頻運(yùn)行方式淺析

1　引言

無刷同步電動(dòng)機(jī)由于沒有滑環(huán)、碳刷等可能產(chǎn)生火花的環(huán)節(jié)，在化工、煤礦等具有爆炸性環(huán)境的場(chǎng)所有著較為廣泛的應(yīng)用。此外，由于去掉了碳刷等易損元件，大大提高了電機(jī)的整體可靠性，在一些要求持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間高可靠性運(yùn)行的場(chǎng)合也有著不少的應(yīng)用。近年來隨著節(jié)能觀念的轉(zhuǎn)變，大量的無刷同步電動(dòng)機(jī)將面臨變頻改造。

由于無刷同步電動(dòng)機(jī)固有的技術(shù)特點(diǎn)，在變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)遇到的弱磁投勵(lì)、電機(jī)逆相運(yùn)行、變頻器-勵(lì)磁器協(xié)同控制等問題，一直制約著無刷同步電動(dòng)機(jī)的變頻應(yīng)用。

本文基于無刷同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)無刷同步電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行中所遇到的各種問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并根據(jù)理論分析和仿真試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)這些問題提出適當(dāng)解決方法，使變頻器能夠驅(qū)動(dòng)無刷同步電動(dòng)機(jī)可靠、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速運(yùn)行。

2　無刷同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工頻運(yùn)行過程

2.1　無刷同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

無刷同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　無刷同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖中：1為滑動(dòng)軸承，2為無刷同步電動(dòng)機(jī)繞組，3為冷卻器，4為旋轉(zhuǎn)整流器，5為勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

2.2　無刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中勵(lì)磁發(fā)電機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2　無刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，旋轉(zhuǎn)整流器負(fù)責(zé)電機(jī)起動(dòng)過程滅磁與投勵(lì)邏輯，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上，以提供較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低勵(lì)磁繞組端電壓，此時(shí)整流晶閘管t1~ t3截止;當(dāng)電機(jī)到達(dá)亞同步速且滿足準(zhǔn)角條件時(shí)，控制器觸發(fā)整流晶閘管t1 ~t3，將勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電樞電壓整流后加在同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上，為同步電動(dòng)機(jī)提供持續(xù)的勵(lì)磁電流，同時(shí)關(guān)斷滅磁晶閘管t4。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器等效于三相二極管不控整流器。

2.3　無刷同步電動(dòng)機(jī)的工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

無刷同步電動(dòng)機(jī)在工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁器向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組通以適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，在勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組端部感應(yīng)出三相交流電壓，由旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上，為其提供持續(xù)的勵(lì)磁電流。

根據(jù)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的物理特性，其輸出的電樞電壓近似于電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的乘積成正比，因此勵(lì)磁器可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)無刷同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的目的。

2.4　無刷同步電動(dòng)機(jī)的工頻起動(dòng)投勵(lì)過程

無刷同步電動(dòng)機(jī)的工頻起動(dòng)投勵(lì)過程如圖4所示。

圖3　旋轉(zhuǎn)整流器結(jié)構(gòu)

圖4　無刷同步電動(dòng)機(jī)工頻起動(dòng)過程

工頻起動(dòng)時(shí)，首先高壓斷路器合閘，旋轉(zhuǎn)整流器的滅磁部分電路根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組上的感應(yīng)電壓將滅磁電阻連接至同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上，同步電動(dòng)機(jī)逐漸加速。

高壓斷路器合閘后，勵(lì)磁器觸發(fā)晶閘管，向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電壓逐漸升高，當(dāng)其高于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓后，由其供電的旋轉(zhuǎn)整流器控制器上電，旋轉(zhuǎn)整流器監(jiān)測(cè)同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組上的感應(yīng)電壓，當(dāng)其周期大于預(yù)設(shè)值（表示同步電動(dòng)機(jī)已到達(dá)亞同步速）且到達(dá)反向過零點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)整流晶閘管，關(guān)斷滅磁晶閘管，將勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞電壓整流后加在同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上，完成投勵(lì)。

電機(jī)經(jīng)過短暫的整步過程后進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)起動(dòng)過程完成。

2.5　無刷同步電動(dòng)機(jī)的工頻停機(jī)過程

工頻停機(jī)時(shí)，斷開高壓斷路器，同時(shí)勵(lì)磁器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角至有源逆變區(qū)，將勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁電流迅速降至零，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電壓迅速下降，當(dāng)其小于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續(xù)流二極管將滅磁電阻連接至同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上，同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流迅速下降至零。同步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩等的作用下逐漸停穩(wěn)。

3　無刷同步電機(jī)的變頻運(yùn)行

3.1　調(diào)速運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)特性

與有刷同步電動(dòng)機(jī)的滑環(huán)直接勵(lì)磁不同，無刷同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流由旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出。由于勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)定子勵(lì)磁電流的乘積成正比，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于其額定轉(zhuǎn)速較多時(shí)，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓較低，此時(shí)即使勵(lì)磁器向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出最大的勵(lì)磁電流，無刷同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也將小于其額定值。在起動(dòng)初期轉(zhuǎn)速很低時(shí)，無刷同步電動(dòng)機(jī)將無法獲得勵(lì)磁電流。

同步電動(dòng)機(jī)在無勵(lì)磁電流條件下變頻啟動(dòng)時(shí)，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(jī)額定電流的2～3倍），該電流僅在變頻器和同步電動(dòng)機(jī)之間流動(dòng)，不注入電網(wǎng)，但會(huì)造成變頻器和同步電動(dòng)機(jī)定子電樞繞組的短時(shí)發(fā)熱。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，應(yīng)向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組施加盡可能大的電流，以最大限度降低電機(jī)的起動(dòng)電流。

3.2　變頻起動(dòng)時(shí)的投勵(lì)與整步過程

無刷同步電動(dòng)機(jī)的變頻起動(dòng)過程如圖5所示。

圖5　無刷同步電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)過程

高壓斷路器合閘后，變頻器高壓上電。變頻器收到“啟動(dòng)”命令后，從0.5hz開始向同步電動(dòng)機(jī)的定子電樞繞組輸出電壓，并按照預(yù)設(shè)的加速時(shí)間和v/f曲線逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值，同步電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)。

變頻器向同步電動(dòng)機(jī)定子電樞繞組輸出電壓的同時(shí)，通知?jiǎng)?lì)磁器開始向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組輸出強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流，該電流為大于勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流，小于勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大短時(shí)勵(lì)磁電流，此時(shí)，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電流近似為零。

變頻器起動(dòng)后，同步電動(dòng)機(jī)依靠其凸極轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子剩磁，經(jīng)過短暫的異步加速和整步過程（約1~2s）后進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。由于此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)無勵(lì)磁電流，僅依靠凸極轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子剩磁運(yùn)行，因而其定子側(cè)電流較大，約為電機(jī)額定電流的2~3倍。

隨著電機(jī)的加速，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組感應(yīng)的電壓逐漸升高，當(dāng)其高于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器控制電源上電。由于此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)工作在同步運(yùn)行狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)子角的少量擺動(dòng)在勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出較低頻率的電壓，該電壓的周期滿足滑差頻率判據(jù)。旋轉(zhuǎn)整流器在檢測(cè)到該電壓后，立即觸發(fā)整流晶閘管，向同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組投入勵(lì)磁電流。由于此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然較低，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電樞電壓較低，因而向同步電動(dòng)機(jī)輸出的勵(lì)磁電流也較低。投入勵(lì)磁后，同步電動(dòng)機(jī)的定子電樞電流將有所降低，隨著電機(jī)的加速，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出的電壓逐漸增加，同步電動(dòng)機(jī)獲得的勵(lì)磁電流也逐漸增加，同步電動(dòng)機(jī)的定子電樞電流逐漸降低至額定電流之下。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增至最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速（調(diào)速區(qū)間下限）后，變頻器通知?jiǎng)?lì)磁器將勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁電流調(diào)整為勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大持續(xù)工作勵(lì)磁電流（或額定勵(lì)磁電流），電機(jī)起動(dòng)過程完成，電機(jī)可以在該轉(zhuǎn)速下加載運(yùn)行，或者根據(jù)工藝需要，加速至期望的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

由于上述電機(jī)起動(dòng)過程較短（其典型值約為30s），且通常啟動(dòng)前勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)繞組溫度不高，因此這一過程不會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)過熱。

3.3　調(diào)速范圍

對(duì)于無刷同步電動(dòng)機(jī)，由于低速時(shí)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓較低，同步電動(dòng)機(jī)獲得的勵(lì)磁電流較小，其最大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）較小，因此需要根據(jù)電機(jī)的勵(lì)磁-轉(zhuǎn)矩特性確定其最低運(yùn)行頻率。

一般的，為了提高電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行范圍，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，勵(lì)磁器向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組輸出勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大持續(xù)工作勵(lì)磁電流，此時(shí)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組將輸出該轉(zhuǎn)速下最大的感應(yīng)電壓（仍小于其額定轉(zhuǎn)速下的額定電樞電壓），同步電動(dòng)機(jī)也能獲得該轉(zhuǎn)速下的最大勵(lì)磁電流。

根據(jù)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在其最大持續(xù)工作勵(lì)磁電流下的輸出電壓、同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電阻，以及同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁-轉(zhuǎn)矩特性曲線，可以計(jì)算出各轉(zhuǎn)速下同步電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）。一般可以按照同步電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩不小于該轉(zhuǎn)速條件下負(fù)載轉(zhuǎn)矩峰值的1.3倍的原則來確定同步電動(dòng)機(jī)的最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速（典型值為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的60%至70%）。

3.4　勵(lì)磁調(diào)節(jié)

（1）同步電動(dòng)機(jī)在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，將從變頻器吸收一定的感性無功電流，功率因數(shù)滯后。隨著轉(zhuǎn)速的升高，其功率因數(shù)將逐漸升高，直至單位功率因數(shù)（pf=1）。為了降低損耗，提高系統(tǒng)效率，在功率因數(shù)到達(dá)單位功率因數(shù)之前，勵(lì)磁器應(yīng)向勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組輸出其最大持續(xù)工作勵(lì)磁電流。

（2）當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高時(shí)，將向變頻器發(fā)出感性的無功電流，功率因數(shù)超前，此時(shí)，為了降低損耗，提高系統(tǒng)效率，變頻器將根據(jù)其輸出功率因數(shù)，與勵(lì)磁器進(jìn)行通訊，降低勵(lì)磁器輸出到勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使同步電動(dòng)機(jī)在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。

3.5　變頻停機(jī)過程

變頻器收到“立即停機(jī)”命令后，將停止向同步電動(dòng)機(jī)的定子電樞繞組輸出電壓，同時(shí)通知?jiǎng)?lì)磁器滅磁，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流快速衰減，同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流通過滅磁電阻快速衰減，電機(jī)在負(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩的作用下逐漸停穩(wěn)。

3.6　失步保護(hù)

當(dāng)變頻器檢測(cè)到同步電動(dòng)機(jī)失步時(shí)，立即停止向同步電動(dòng)機(jī)的定子電樞繞組輸出電壓，同時(shí)通知?jiǎng)?lì)磁器滅磁，報(bào)告故障。

4　結(jié)束語

本文基于無刷同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)無刷同步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)可能遇到的問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了無刷同步電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行方式，在該運(yùn)行方式下，變頻器可以驅(qū)動(dòng)無刷同步電動(dòng)機(jī)可靠、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速運(yùn)行。