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****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****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 |
