山東康成發(fā)電設(shè)備股份有限公司行業(yè)資料——無刷同步電動機的變頻運行方式研究

一、前言 　　

無刷同步電動機由于沒有滑環(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，大大提高了電機的整體可靠性，在一些要求持續(xù)長時間高可靠性運行的場合也有著不少的應(yīng)用。近年來隨著節(jié)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(shù)特點，在變頻調(diào)速運行時，同步電機遇到的弱磁投勵、電機進(jìn)相運行、變頻器-勵磁器協(xié)同控制等問題一直制約著無刷同步電動機的變頻應(yīng)用。 　　本文基于無刷同步電動機的結(jié)構(gòu)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(jìn)行了詳細(xì)的分析，并根據(jù)理論分析和仿真試驗的結(jié)果對這些問題提出適當(dāng)解決方法，使變頻器能夠驅(qū)動無刷同步電動機的可靠、經(jīng)濟地調(diào)速運行。 二、無刷同步電動機的結(jié)構(gòu)與工頻運行過程

1. 無刷同步電動機的結(jié)構(gòu) 　                                                     

 無刷同步電動機結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)整流器，

5為勵磁發(fā)電機。

2.無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　

無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中勵磁發(fā)電機與同步電動機同軸轉(zhuǎn)動。 

無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 其中，旋轉(zhuǎn)整流器負(fù)責(zé)電機起動過程滅磁與投勵邏輯，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機起動時，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機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組上，以提供較大的起動轉(zhuǎn)矩，降低勵磁繞組端電壓，此時整流晶閘管T1 ～ T3截止；當(dāng)電機到達(dá)亞同步速且滿足準(zhǔn)角條件時，控制器觸發(fā)整流晶閘管T1 ～ T3，將勵磁發(fā)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(xù)的勵磁電流，同時關(guān)斷滅磁晶閘管T4。此時，旋轉(zhuǎn)整流器等效于三相二極管不控整流器。 旋轉(zhuǎn)整流器結(jié)構(gòu)

3. 無刷同步電動機的工頻穩(wěn)態(tài)運行 　　無刷同步電動機在工頻穩(wěn)態(tài)運行時，勵磁器向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組通以適當(dāng)?shù)膭畲烹娏鳎趧畲虐l(fā)電機的轉(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機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組上，為其提供持續(xù)的勵磁電流。 　　根據(jù)勵磁發(fā)電機的物理特性，其輸出的電樞電壓近似于電機轉(zhuǎn)速和勵磁發(fā)電機勵磁電流的乘積成正比，因此勵磁器可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)無刷同步電動機的轉(zhuǎn)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 　　無刷同步電動機的工頻起動投勵過程如圖4所示：  

無刷同步電動機工頻起動過程 工頻起動時，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)同步電動機勵磁繞組上的感應(yīng)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(fā)晶閘管，向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，勵磁發(fā)電機的轉(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)測同步電動機勵磁繞組上的感應(yīng)電壓，當(dāng)其周期大于預(yù)設(shè)值（表示同步電動機已到達(dá)亞同步速）且到達(dá)反向過零點時，觸發(fā)整流晶閘管，關(guān)斷滅磁晶閘管，將勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(jīng)過短暫的整步過程后進(jìn)入穩(wěn)定的同步運行狀態(tài)，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(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角至有源逆變區(qū)，將勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發(fā)電機的轉(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，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(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩等的作用下逐漸停穩(wěn)。  

三、無刷同步電機的變頻運行 1.調(diào)速運行時的勵磁發(fā)電機特性 　　

與有刷同步電動機的滑環(huán)直接勵磁不同，無刷同步電動機的勵磁電流由旋轉(zhuǎn)的勵磁發(fā)電機發(fā)出。由于勵磁發(fā)電機發(fā)出的電壓與電機轉(zhuǎn)速和勵磁發(fā)電機定子勵磁電流的乘積成正比，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速低于其額定轉(zhuǎn)速較多時，勵磁發(fā)電機發(fā)出的電壓較低，此時即使勵磁器向勵磁發(fā)電機輸出大的勵磁電流，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(zhuǎn)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(wǎng)，但會造成變頻器和同步電動機定子電樞繞組的短時發(fā)熱。因此，在電機轉(zhuǎn)速較低時，應(yīng)向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組施加盡可能大的電流，以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 　無刷同步電動機的變頻起動過程如圖5所示：                                                         

圖5 無刷同步電動機變工頻起動過程 　　

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(yù)設(shè)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(fā)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(fā)電機的額定勵磁電流，小于勵磁發(fā)電機的大短時勵磁電流，此時，勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(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至2秒）后進(jìn)入同步運行狀態(tài)。由于此時同步電動機無勵磁電流，僅依靠凸極轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子剩磁運行，因而其定子側(cè)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(fā)電機轉(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，旋轉(zhuǎn)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(tài)下，其轉(zhuǎn)子角的少量擺動在勵磁繞組上感應(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)整流器在檢測到該電壓后，立即觸發(fā)整流晶閘管，向同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組投入勵磁電流。由于此時電機的轉(zhuǎn)速仍然較低，勵磁發(fā)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(fā)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(dāng)電機轉(zhuǎn)速增至最低運行轉(zhuǎn)速（調(diào)速區(qū)間下界）后，變頻器通知勵磁器將勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流調(diào)整為勵磁發(fā)電機的大持續(xù)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(zhuǎn)速下加載運行，或者根據(jù)工藝需要，加速至期望的轉(zhuǎn)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(fā)電機和同步電動機繞組溫度不高，因此這一過程不會導(dǎo)致勵磁發(fā)電機和同步電動機過熱。 3.調(diào)速范圍 　　對于無刷同步電動機，由于低速時勵磁發(fā)電機發(fā)出的電壓較低，同步電動機獲得的勵磁電流較小，其大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）較小，因此需要根據(jù)電機的勵磁-轉(zhuǎn)矩特性確定其最低運行頻率。 　　一

般的，為了提高電機的調(diào)速運行范圍，在轉(zhuǎn)速較低時，勵磁器向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組輸出勵磁發(fā)電機的大持續(xù)工作勵磁電流，此時勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電樞繞組將輸出該轉(zhuǎn)速下大的感應(yīng)電壓（仍小于其額定轉(zhuǎn)速下的額定電樞電壓），同步電動機也能獲得該轉(zhuǎn)速下的大勵磁電流。 根據(jù)勵磁發(fā)電機在其大持續(xù)工作勵磁電流下的輸出電壓、同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁繞組電阻，以及同步電動機的勵磁-轉(zhuǎn)矩特性曲線，可以計算出各轉(zhuǎn)速下同步電動機的大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）。一般可以按照同步電動機大輸出轉(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機的最低運行轉(zhuǎn)速（典型值為電機額定轉(zhuǎn)速的60%至70%）。 4.勵磁調(diào)節(jié) （1）低速滿勵磁運行
　　同步電動機在最低運行轉(zhuǎn)速運行時，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，勵磁器應(yīng)向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組輸出其大持續(xù)工作勵磁電流。

（2）高速時的勵磁調(diào)節(jié)
　　當(dāng)同步電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高時，將向變頻器發(fā)出感性的無功電流，功率因數(shù)超前，此時，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)，與勵磁器進(jìn)行通訊，降低勵磁器輸出到勵磁發(fā)電機的勵磁電流，使同步電動機在單位功率因數(shù)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(fā)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(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩的作用下逐漸停穩(wěn)。

6.失步保護 　

當(dāng)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(jié)論 　　

基于無刷同步電動機的結(jié)構(gòu)和原理，對無刷同步電動機變頻運行時可能遇到的問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了無刷同步電動機的變頻運行方式，在該運行方式下，變頻器可以驅(qū)動無刷同步電動機可靠、經(jīng)濟地調(diào)速運行。