1 导言
无刷同步电动机因为没有滑环、碳刷等或许发生火花的环节，在化工、煤矿等具有爆炸性环境的场所有着较为广泛的使用。此外，因为去掉了碳刷等易损元件，大大进步了电机的全体牢靠性，在一些要求继续长期高牢靠性运转的场合也有着不少的使用。近年来跟着节能观念的改变，很多的无刷同步电动机将面对变频改造。
因为无刷同步电动机固有的技能特色，在变频调速运转时，同步电机遇到的弱磁投励、电机逆相运转、变频器-励磁器协同操控等问题，一向限制着无刷同步电动机的变频使用。
本文依据无刷同步电动机的结构和原理，对无刷同步电动机在变频运转中所遇到的各种问题进行了具体的剖析，并依据理论剖析和仿真实验的成果对这些问题提出恰当解决方法，使变频器能够驱动无刷同步电动机牢靠、经济地调速运转。
2 无刷同步电动机的结构与工频运转进程
2.1 无刷同步电动机的结构
无刷同步电动机的结构如图1所示。
图1 无刷同步电动机结构
图中：1为滑动轴承，2为无刷同步电动机绕组，3为冷却器，4为旋转整流器，5为励磁发电机。
2.2 无刷同步电动机励磁体系结构
无刷同步电动机励磁体系结构如图2所示，其间励磁发电机与同步电动机同轴滚动。
图2 无刷同步电动机励磁体系结构
其间，旋转整流器担任电机起动进程灭磁与投励逻辑，其内部结构如图3所示。电机起动时，旋转整流器操控灭磁晶闸管t4将灭磁电阻rf衔接至无刷同步电动机的转子励磁绕组上，以供给较大的起动转矩，下降励磁绕组端电压，此刻整流晶闸管t1~ t3截止;当电机抵达亚同步速且满意准角条件时，操控器触发整流晶闸管t1 ~t3，将励磁发电机的电枢电压整流后加在同步电动机的励磁绕组上，为同步电动机供给继续的励磁电流，一起关断灭磁晶闸管t4。此刻，旋转整流器等效于三相二极管不控整流器。
2.3 无刷同步电动机的工频稳态运转
无刷同步电动机在工频稳态运转时，励磁器向励磁发电机的定子励磁绕组通以恰当的励磁电流，在励磁发电机的转子电枢绕组端部感应出三相沟通电压，由旋转整流器(等效于二极管整流器)整流成直流电压，施加在无刷同步电动机的转子励磁绕组上，为其供给继续的励磁电流。
依据励磁发电机的物理特性，其输出的电枢电压近似于电机转速和励磁发电机励磁电流的乘积成正比，因而励磁器能够经过调理晶闸管的触发角，调理励磁发电机的定子励磁电流，抵达调理无刷同步电动机的转子励磁电流的意图。
2.4 无刷同步电动机的工频起动投励进程
无刷同步电动机的工频起动投励进程如图4所示。
图3 旋转整流器结构
图4 无刷同步电动机工频起动进程
工频起动时，首要高压断路器合闸，旋转整流器的灭磁部分电路依据同步电动机励磁绕组上的感应电压将灭磁电阻衔接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机逐步加快。
高压断路器合闸后，励磁器触发晶闸管，向励磁发电机的定子励磁绕组通以必定的励磁电流。跟着电机转速的升高，励磁发电机的转子电枢绕组电压逐步升高，当其高于旋转整流器的最低作业电压后，由其供电的旋转整流器操控器上电，旋转整流器监测同步电动机励磁绕组上的感应电压，当其周期大于预设值(表明同步电动机已抵达亚同步速)且抵达反向过零点时，触发整流晶闸管，关断灭磁晶闸管，将励磁发电机的转子电枢电压整流后加在同步电动机的励磁绕组上，完结投励。
电机经过时刻短的整步进程后进入安稳的同步运转状况，电机起动进程完结。
2.5 无刷同步电动机的工频停机进程
工频停机时，断开高压断路器，一起励磁器调理晶闸管的触发角至有源逆变区，将励磁发电机的定子励磁电流敏捷降至零，励磁发电机的转子电枢绕组电压敏捷下降，当其小于旋转整流器的最低作业电压时，旋转整流器操控电掉电，其整流晶闸管截止，续流二极管将灭磁电阻衔接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机的励磁电流敏捷下降至零。同步电动机在负载和阻力转矩等的效果下逐步停稳。
3 无刷同步电机的变频运转
3.1 调速运转时的励磁发电机特性
与有刷同步电动机的滑环直接励磁不同，无刷同步电动机的励磁电流由旋转的励磁发电机宣布。因为励磁发电机宣布的电压与电机转速和励磁发电机定子励磁电流的乘积成正比，当电机转速低于其额外转速较多时，励磁发电机宣布的电压较低，此刻即便励磁器向励磁发电机输出最大的励磁电流，无刷同步电动机的励磁电流也将小于其额外值。在起动初期转速很低时，无刷同步电动机将无法取得励磁电流。
同步电动机在无励磁电流条件下变频发动时，其定子电枢绕组将从变频器吸收较大的理性无功电流(典型值约为电机额外电流的2～3倍)，该电流仅在变频器和同步电动机之间活动，不注入电网，但会形成变频器和同步电动机定子电枢绕组的短时发热。因而，在电机转速较低时，应向励磁发电机的定子励磁绕组施加尽或许大的电流，以最大极限下降电机的起动电流。
3.2 变频起动时的投励与整步进程
无刷同步电动机的变频起动进程如图5所示。
图5 无刷同步电动机变频起动进程
高压断路器合闸后，变频器高压上电。变频器收到“发动”指令后，从0.5hz开端向同步电动机的定子电枢绕组输出电压，并依照预设的加快时刻和v/f曲线逐步进步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一起，告诉励磁器开端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外励磁电流，小于励磁发电机的最大短时励磁电流，此刻，励磁发电机的转子电枢绕组电流近似为零。
变频器起动后，同步电动机依托其凸极转矩和转子剩磁，经过时刻短的异步加快和整步进程(约1~2s)后进入同步运转状况。因为此刻同步电动机无励磁电流，仅依托凸极转矩和转子剩磁运转，因而其定子侧电流较大，约为电机额外电流的2~3倍。
跟着电机的加快，励磁发电机转子电枢绕组感应的电压逐步升高，当其高于旋转整流器的最低作业电压时，旋转整流器操控电源上电。因为此刻同步电动机作业在同步运转状况下，其转子角的少数摇摆在励磁绕组上感应出较低频率的电压，该电压的周期满意滑差频率判据。旋转整流器在检测到该电压后，当即触发整流晶闸管，向同步电动机的转子励磁绕组投入励磁电流。因为此刻电机的转速依然较低，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下降，跟着电机的加快，励磁发电机输出的电压逐步添加，同步电动机取得的励磁电流也逐步添加，同步电动机的定子电枢电流逐步下降至额外电流之下。
当电机转速增至最低运转转速(调速区间下限)后，变频器告诉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继续作业励磁电流(或额外励磁电流)，电机起动进程完结，电机能够在该转速下加载运转，或许依据工艺需求，加快至希望的转速运转。
因为上述电机起动进程较短(其典型值约为30s)，且一般发动前励磁发电机和同步电动机绕组温度不高，因而这一进程不会导致励磁发电机和同步电动机过热。
3.3 调速规模
关于无刷同步电动机，因为低速时励磁发电机宣布的电压较低，同步电动机取得的励磁电流较小，其最大输出转矩(失步转矩)较小，因而需求依据电机的励磁-转矩特性确认其最低运转频率。
一般的，为了进步电机的调速运转规模，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继续作业励磁电流，此刻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(仍小于其额外转速下的额外电枢电压)，同步电动机也能取得该转速下的最大励磁电流。
依据励磁发电机在其最大继续作业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，能够计算出各转速下同步电动机的最大输出转矩(失步转矩)。一般能够依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倍的准则来确认同步电动机的最低运转转速(典型值为电机额外转速的60%至70%)。
3.4 励磁调理
(1)同步电动机在最低转速运转时，将从变频器吸收必定的理性无功电流，功率因数滞后。跟着转速的升高，其功率因数将逐步升高，直至单位功率因数(pf=1)。为了下降损耗，进步体系功率，在功率因数抵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继续作业励磁电流。
(2)当同步电动机转速进一步升高时，将向变频器宣布理性的无功电流，功率因数超前，此刻，为了下降损耗，进步体系功率，变频器将依据其输出功率因数，与励磁器进行通讯，下降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转。
3.5 变频停机进程
变频器收到“当即停机”指令后，将中止向同步电动机的定子电枢绕组输出电压，一起告诉励磁器灭磁，励磁发电机的励磁电流快速衰减，同步电动机的励磁电流经过灭磁电阻快速衰减，电机在负载和阻力转矩的效果下逐步停稳。
3.6 失步维护
当变频器检测到同步电动机失步时，当即中止向同步电动机的定子电枢绕组输出电压，一起告诉励磁器灭磁，陈述毛病。
4 结束语
本文依据无刷同步电动机的结构和原理，对无刷同步电动机变频运转时或许遇到的问题进行了具体的剖析，提出了无刷同步电动机的变频运转方法，在该运转方法下，变频器能够驱动无刷同步电动机牢靠、经济地调速运转。
