單軸轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性及對同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的影響淺析

同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)恒速系統(tǒng)中，具有自由調(diào)節(jié)功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速恒定、負(fù)載特性硬等優(yōu)點(diǎn)。但是，長期以來，同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難是限制它廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。全壓異步直接啟動(dòng)方式因其操作最簡單、方便，而在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前同步電動(dòng)機(jī)普遍采用的一種啟動(dòng)方法。但是，由于勵(lì)磁繞組在啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩在半同步轉(zhuǎn)速（簡稱半速）附近出現(xiàn)較大的起制動(dòng)作用的轉(zhuǎn)矩，使得合成的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)較大的下凹，在大于半速附近形成最小轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)帶重載時(shí)的正常啟動(dòng)，使得啟動(dòng)時(shí)間延長，甚至?xí)沟秒妱?dòng)機(jī)卡在半速狀態(tài)，使啟動(dòng)失敗。本文詳細(xì)分析了單軸轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性及對同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的影響。

異步全壓直接啟動(dòng)過程分析

同步電動(dòng)機(jī)的異步全壓起動(dòng)過程可以分為兩個(gè)不同的階段，異步階段和牽入階段。在異步階段（從起動(dòng)到準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速的過程）中存在著兩種轉(zhuǎn)矩——異步轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)矩；牽入階段（從準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速加速到同步轉(zhuǎn)速的過程）也存在著兩種轉(zhuǎn)矩——同步轉(zhuǎn)矩和異步轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)原理線路如圖1所示。

當(dāng)定子合閘接上電源時(shí)，控制開關(guān)k接通附加電阻使勵(lì)磁繞組短路，進(jìn)入異步階段，此時(shí)，阻尼繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起主要加速作用，單軸轉(zhuǎn)矩在半同步速前有也加速作用，其后產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，不利于啟動(dòng)；當(dāng)加速到亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，斷開附加電阻，使開關(guān)k接通直流勵(lì)磁電源，進(jìn)入牽入階段，由同步轉(zhuǎn)矩和異步轉(zhuǎn)矩共同作用牽入同步速穩(wěn)定運(yùn)行，啟動(dòng)完成。

在異步全壓啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁繞組的處理是一個(gè)值得注意的重要問題。當(dāng)定子合閘接上電源時(shí)，如勵(lì)磁繞組開路，便會(huì)產(chǎn)生過電壓，其值可能達(dá)額定勵(lì)磁電壓的10倍，可能擊穿繞組，損壞電機(jī)。而起動(dòng)之前直接加入勵(lì)磁電流，則會(huì)產(chǎn)生“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，非但不能起動(dòng)，而且還會(huì)使電網(wǎng)電壓受到很大的波動(dòng)，電機(jī)本身在遭受連續(xù)脈振轉(zhuǎn)矩作用下造成損害。但若將勵(lì)磁繞組直接短路，此時(shí)在勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)較大電流，它與氣隙磁場的作用將產(chǎn)生較大的附加轉(zhuǎn)矩（單軸轉(zhuǎn)矩），其特點(diǎn)是在略大于半同步轉(zhuǎn)速（簡稱半速）處產(chǎn)生較大的負(fù)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩曲線發(fā)生明顯的下凹，降低了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。通常是在勵(lì)磁回路串接約為勵(lì)磁繞組電阻5～10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路。用此方法降低單軸轉(zhuǎn)矩對啟動(dòng)的不利影響，但也減弱了單軸轉(zhuǎn)矩前半段對啟動(dòng)的有利作用卻不能徹底消除它在啟動(dòng)后半段的阻轉(zhuǎn)作用。

異步階段的轉(zhuǎn)矩分析

同步電動(dòng)機(jī)一般凸極，極對數(shù)因轉(zhuǎn)速的不同而異。在勵(lì)磁回路串接約為勵(lì)磁繞組電阻5～10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路后，把同步電動(dòng)機(jī)的定子投入電網(wǎng)，使之依靠阻尼繞組按異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入異步階段，主要有阻尼繞組產(chǎn)生的異步啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它的特性和異步電動(dòng)機(jī)一樣，是電動(dòng)機(jī)加速的主要轉(zhuǎn)矩；另外還有轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩（單軸轉(zhuǎn)矩），此轉(zhuǎn)矩對啟動(dòng)的影響較復(fù)雜。以下詳細(xì)分析這一轉(zhuǎn)矩特性。

在異步起動(dòng)的低速區(qū)間，勵(lì)磁繞組既不允許通入直流勵(lì)磁電流又不允許開路，唯一的辦法是將勵(lì)磁繞組直接短路或通過附加電阻短路。勵(lì)磁繞組短接后相當(dāng)于一個(gè)單相繞組，它在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電勢和電流，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子上的磁勢。由于轉(zhuǎn)子上只有單相繞組，所以把這種條件下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩叫做單軸轉(zhuǎn)矩。

正序轉(zhuǎn)矩

定子三相對稱繞組通以三相交流電后產(chǎn)生定子磁勢，它切割轉(zhuǎn)子單相繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁勢的頻率為 f2=p（n0-n/60）=sf1 （1）

式中，f1—定子電壓頻率，hz；p—極對數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率；n0—同步轉(zhuǎn)速，r/min；n—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速， r/min。

轉(zhuǎn)子磁勢為脈振磁勢。根據(jù)磁勢理論，一個(gè)脈振磁勢可以分解為兩個(gè)大小相等并以同樣轉(zhuǎn)速向相反方向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)磁勢，與定子磁勢同方向旋轉(zhuǎn)的叫正序磁勢fr+，與定子磁勢反方向旋轉(zhuǎn)的叫負(fù)序磁勢fr-。正負(fù)序磁勢切割轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速都是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n2，而

n2=60（f2/p）=n0-n=δn=sn0 （2）

式中，f2—轉(zhuǎn)子磁勢頻率，hz。

所以，fr+對定子的轉(zhuǎn)速為

n+δn=n+sn0=n+n0（n0-n）/n0=sn0 （3）

由式（3）可見，fr+與定子旋轉(zhuǎn)磁勢同速、同向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生固定的正序轉(zhuǎn)矩t+，這與正常異步電動(dòng)機(jī)一樣。分別畫出勵(lì)磁繞組直接短路和串附加電阻時(shí)t+=f（n）曲線如圖2a、b中曲線1所示［2］。b圖中曲線1相當(dāng)于正常異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻臨界轉(zhuǎn)差率sm增大時(shí)的異步轉(zhuǎn)矩特性。

負(fù)序轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)子負(fù)序磁勢fr-切割轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是轉(zhuǎn)速差，但它的旋轉(zhuǎn)方向與定子磁勢相反，所以負(fù)序磁勢切割定子的轉(zhuǎn)速n-為

n-=n-δn=2n-n0=n0（1-2s） （4）

由式（4）可見，負(fù)序磁勢fr-的轉(zhuǎn)速是隨轉(zhuǎn)差率s而變化的，和定子磁勢不同步，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩周期性變化，平均轉(zhuǎn)矩等于零。所以，負(fù)序磁勢fr-對定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用可以不考慮。但負(fù)序磁場fr-以轉(zhuǎn)速n-切割定子三相繞組，產(chǎn)生一個(gè)與f1不同頻率的電勢，在定子側(cè)形成三相對稱電流，這組三相對稱電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與fr-同速、同向旋轉(zhuǎn)，兩者相對靜止。所以，我們認(rèn)為存在著一個(gè)假想的異步電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)子為一次側(cè)，定子為二次側(cè)，產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩，稱之為負(fù)序轉(zhuǎn)矩t-。畫出t-=f（n）曲線如圖2a、b中曲線2所示。b中曲線2相當(dāng)于正常異步電動(dòng)機(jī)把一次磁動(dòng)勢削弱與異步電動(dòng)機(jī)降低電源電壓時(shí)的機(jī)械特性相似。比較a和b中的曲線2可以發(fā)現(xiàn)，串電阻后在半速附近t-的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩有較大的減少，但并沒有徹底消除t-半速后的制動(dòng)特性。

把圖2a、b中的曲線1t+=f（n）和曲線2 t-=f（n）相加得到曲線3t=f（n）

就是啟動(dòng)過程中的單軸轉(zhuǎn)矩。由圖2a中曲線2可知，把直流勵(lì)磁繞組直接短路，在轉(zhuǎn)速升到半同步轉(zhuǎn)速之后，t-會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的負(fù)值，減少同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的最少轉(zhuǎn)矩，降低同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，重載時(shí)有可能把電機(jī)卡在半速附近，使啟動(dòng)失敗，并且損壞電動(dòng)機(jī)。為克服之一缺點(diǎn)，通常是采用將勵(lì)磁回路串接約為勵(lì)磁繞組電阻5～10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路的方法。此時(shí)，t+和t-以及合成轉(zhuǎn)矩t的形狀都發(fā)生了變化，如圖2b所示。從中可以看出，此方法只是減少并不能徹底消除t-在大于半速時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

小結(jié)

綜上所述，當(dāng)n=0.5n0，或者說轉(zhuǎn)差率s=0.5時(shí)，n-=0。這時(shí)fr-不切割定子繞組，t-= 0。當(dāng)1》s》0.5時(shí)，n-《0，表示fr-力圖拉著定子反向轉(zhuǎn)動(dòng)，因定子不動(dòng)，其反作用轉(zhuǎn)矩迫使轉(zhuǎn)子正方向旋轉(zhuǎn)，即t-》0，fr-對轉(zhuǎn)子起加速作用。反之，當(dāng)0《s《0.5時(shí)，n-》0，t-《0，fr-起制動(dòng)作用，特別是轉(zhuǎn)速在約大于0.5n0時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)影響較大。

牽入同步過程分析

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子被異步轉(zhuǎn)矩加速到準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速后，異步起動(dòng)階段即告結(jié)束。此時(shí)應(yīng)將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組斷開，接通勵(lì)磁電源，通入直流勵(lì)磁電流，開始牽入同步階段。

最理想的牽入過程是在功角θ=0時(shí)開始，在θ=π之前結(jié)束。因?yàn)樵谶@段區(qū)間內(nèi)，同步轉(zhuǎn)矩一直為正（即順極性），轉(zhuǎn)子在同步轉(zhuǎn)矩作用下，不斷加速，可順利的牽入同步。傳統(tǒng)的順極式投勵(lì)方式是采用轉(zhuǎn)子電量檢測法來確定投勵(lì)時(shí)刻。但是，由于電機(jī)在進(jìn)入95%同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行以后，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的大小及頻率受電機(jī)的端電壓、負(fù)載等影響較大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值和頻率均很小。勵(lì)磁繞組在低轉(zhuǎn)速氣隙磁場切割下感應(yīng)信號微弱，在工況大干擾條件下，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓波形很容易受到干擾，使得感應(yīng)電壓過零點(diǎn)不明確。因此準(zhǔn)確捕捉有用信號困難，難免造成投勵(lì)失敗。

目前，采用無轉(zhuǎn)子位置傳感器的定子電量法實(shí)現(xiàn)最佳順極性投勵(lì)方法能夠克服以上缺點(diǎn)。該方法是利用同步電動(dòng)機(jī)在異步起動(dòng)過程中，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同步，根據(jù)轉(zhuǎn)子在直軸和交軸位置的磁阻大小按正弦規(guī)律變化的情況，轉(zhuǎn)子直軸和交軸交替按轉(zhuǎn)差速率與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場重合，磁阻的不同必然會(huì)引起定子電流變化，定子電流幅值是與直軸和交軸位置以及轉(zhuǎn)差大小有關(guān)的一系列“載波”。利用這一特性，通過檢測定子電流的幅值確定轉(zhuǎn)子磁極和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的相對位子，提高檢測的可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確投勵(lì)。

由于在異步起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子經(jīng)過附加電阻連接起來，勵(lì)磁繞組中將出現(xiàn)感應(yīng)電流影響定子電流的分析，因此，在接近50%轉(zhuǎn)速附近切除短接電阻。由于產(chǎn)生過電壓的大小與轉(zhuǎn)差率成正比，50%轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)電壓只是啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的一半，已經(jīng)達(dá)到安全電壓，同時(shí)可以徹底消除負(fù)序轉(zhuǎn)矩t-對電動(dòng)機(jī)后半段啟動(dòng)的阻轉(zhuǎn)矩影響。使啟動(dòng)升速的整個(gè)過程更平穩(wěn)、快速；并且也可避免繞組過熱燒壞引起的安全事故。

結(jié)語

通過對同步電動(dòng)機(jī)全壓異步啟動(dòng)過程的分析，本文提出在半同步轉(zhuǎn)速處斷開勵(lì)磁繞組的附加短接電阻，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

勵(lì)磁繞組開路后，可以徹底消除負(fù)序轉(zhuǎn)矩t-在大于半同步轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子的制動(dòng)作用，尤其是可以使得半速附近的合成轉(zhuǎn)矩曲線的下凹消失，使得啟動(dòng)階段加速過程更加快速、平穩(wěn)。

消除了準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁勢對定子側(cè)電流的影響，更有利于采用無轉(zhuǎn)子位置傳感器的定子電量法檢測轉(zhuǎn)子位子，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確投勵(lì)。順利牽入同步運(yùn)行。

有利于保護(hù)附加電阻不因?yàn)檫^熱而燒壞，并可以根據(jù)具體實(shí)際選擇電阻阻值，實(shí)現(xiàn)更大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于帶重載啟動(dòng)情況。