无刷同步电动机的变频运行方式的研究

　　图5　无刷同步电动机变频起动过程

　　高压断路器合闸后，变频器高压上电。变频器收到“启动”命令后，从0.5hz开始向同步电动机的定子电枢绕组输出电压，并按照预设的加速时间和v/f曲线逐渐提升输出电压的频率和幅值，同步电动机空载起动。
　　变频器向同步电动机定子电枢绕组输出电压的同时，通知励磁器开始向励磁发电机的定子励磁绕组输出强励励磁电流，该电流为大于励磁发电机的额定励磁电流，小于励磁发电机的最大短时励磁电流，此时，励磁发电机的转子电枢绕组电流近似为零。
　　变频器起动后，同步电动机依靠其凸极转矩和转子剩磁，经过短暂的异步加速和整步过程（约1~2s）后进入同步运行状态。由于此时同步电动机无励磁电流，仅依靠凸极转矩和转子剩磁运行，因而其定子侧电流较大，约为电机额定电流的2~3倍。
　　随着电机的加速，励磁发电机转子电枢绕组感应的电压逐渐升高，当其高于旋转整流器的最低工作电压时，旋转整流器控制电源上电。由于此时同步电动机工作在同步运行状态下，其转子角的少量摆动在励磁绕组上感应出较低频率的电压，该电压的周期满足滑差频率判据。旋转整流器在检测到该电压后，立即触发整流晶闸管，向同步电动机的转子励磁绕组投入励磁电流。由于此时电机的转速仍然较低，励磁发电机的电枢电压较低，因而向同步电动机输出的励磁电流也较低。投入励磁后，同步电动机的定子电枢电流将有所降低，随着电机的加速，励磁发电机输出的电压逐渐增加，同步电动机获得的励磁电流也逐渐增加，同步电动机的定子电枢电流逐渐降低至额定电流之下。
　　当电机转速增至最低运行转速（调速区间下限）后，变频器通知励磁器将励磁发电机的定子励磁电流调整为励磁发电机的最大持续工作励磁电流（或额定励磁电流），电机起动过程完成，电机可以在该转速下加载运行，或者根据工艺需要，加速至期望的转速运行。
　　由于上述电机起动过程较短（其典型值约为30s），且通常启动前励磁发电机和同步电动机绕组温度不高，因此这一过程不会导致励磁发电机和同步电动机过热。
　　3.3　调速范围
　　对于无刷同步电动机，由于低速时励磁发电机发出的电压较低，同步电动机获得的励磁电流较小，其最大输出转矩（失步转矩）较小，因此需要根据电机的励磁-转矩特性确定其最低运行频率。
　　一般的，为了提高电机的调速运行范围，在转速较低时，励磁器向励磁发电机的定子励磁绕组输出励磁发电机的最大持续工作励磁电流，此时励磁发电机的转子电枢绕组将输出该转速下最大的感应电压（仍小于其额定转速下的额定电枢电压），同步电动机也能获得该转速下的最大励磁电流。
　　根据励磁发电机在其最大持续工作励磁电流下的输出电压、同步电动机转子励磁绕组电阻，以及同步电动机的励磁-转矩特性曲线，可以计算出各转速下同步电动机的最大输出转矩（失步转矩）。一般可以按照同步电动机最大输出转矩不小于该转速条件下负载转矩峰值的1.3倍的原则来确定同步电动机的最低运行转速（典型值为电机额定转速的60%至70%）。
　　3.4　励磁调节
　　（1）同步电动机在最低转速运行时，将从变频器吸收一定的感性无功电流，功率因数滞后。随着转速的升高，其功率因数将逐渐升高，直至单位功率因数（pf=1）。为了降低损耗，提高系统效率，在功率因数到达单位功率因数之前，励磁器应向励磁发电机的定子励磁绕组输出其最大持续工作励磁电流。
　　（2）当同步电动机转速进一步升高时，将向变频器发出感性的无功电流，功率因数超前，此时，为了降低损耗，提高系统效率，变频器将根据其输出功率因数，与励磁器进行通讯，降低励磁器输出到励磁发电机的励磁电流，使同步电动机在单位功率因数下运行。
　　3.5　变频停机过程
　　变频器收到“立即停机”命令后，将停止向同步电动机的定子电枢绕组输出电压，同时通知励磁器灭磁，励磁发电机的励磁电流快速衰减，同步电动机的励磁电流通过灭磁电阻快速衰减，电机在负载和阻力转矩的作用下逐渐停稳。
　　3.6　失步保护
　　当变频器检测到同步电动机失步时，立即停止向同步电动机的定子电枢绕组输出电压，同时通知励磁器灭磁，报告故障。
4　结束语
　　本文基于无刷同步电动机的结构和原理，对无刷同步电动机变频运行时可能遇到的问题进行了详细的分析，提出了无刷同步电动机的变频运行方式，在该运行方式下，变频器可以驱动无刷同步电动机可靠、经济地调速运行。（网络）