無刷同步電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行方式的研究
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)長時(shí)間高可靠性運(yùn)行的場合也有著不少的應(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。