摘要：無刷同步電動機由於沒有滑環、碳刷等可能產生火花的環節
，在化工、煤(mei)礦(kuang)等(deng)具(ju)有(you)爆(bao)炸(zha)性(xing)環(huan)境(jing)的(de)場(chang)所(suo)有(you)著(zhe)較(jiao)為(wei)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。近(jin)年(nian)來(lai)隨(sui)著(zhe)節(jie)能(neng)觀(guan)念(nian)的(de)推(tui)廣(guang)
，大(da)量(liang)的(de)無(wu)刷(shua)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)將(jiang)麵(mian)臨(lin)變(bian)頻(pin)改(gai)造(zao)。本(ben)文(wen)簡(jian)要(yao)介(jie)紹(shao)了(le)無(wu)刷(shua)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)結(jie)構(gou)、原理和運行方式，對無刷同步電動機在變頻運行中所遇到的投勵、整步、勵磁調節等問題進行了詳細的分析，提出了無刷同步電動機的變頻運行方式
，使得在該方式下，變頻器能夠驅動無刷同步電動機的可靠
、經濟地調速運行。
關鍵詞：無刷同步電機，變頻，調速，運行方式
一
、前言
　　無刷同步電動機由於沒有滑環、碳刷等可能產生火花的環節
，在化工
、meikuangdengjuyoubaozhaxinghuanjingdechangsuoyouzhejiaoweiguangfandeyingyong。ciwai
，youyuqudiaoletanshuadengyisunyuanjian

，dadatigaoledianjidezhengtikekaoxing，zaiyixieyaoqiuchixuchangshijiangaokekaoxingyunxingdechangheyeyouzhebushaodeyingyong。jinnianlaisuizhejienengguanniandetuiguang
，daliangdewushuatongbudiandongjijiangmianlinbianpingaizao。
　　由於無刷同步電動機固有的技術特點
，在變頻調速運行時
，同步電機遇到的弱磁投勵、電機進相運行、變頻器-勵磁器協同控製等問題一直製約著無刷同步電動機的變頻應用。
本(ben)文(wen)基(ji)於(yu)無(wu)刷(shua)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)結(jie)構(gou)和(he)原(yuan)理(li)，對(dui)無(wu)刷(shua)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)在(zai)變(bian)頻(pin)運(yun)行(xing)中(zhong)所(suo)遇(yu)到(dao)的(de)各(ge)種(zhong)問(wen)題(ti)進(jin)行(xing)了(le)詳(xiang)細(xi)的(de)分(fen)析(xi)，並(bing)根(gen)據(ju)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)和(he)仿(fang)真(zhen)試(shi)驗(yan)的(de)結(jie)果(guo)對(dui)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)提(ti)出(chu)適(shi)當(dang)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)，使(shi)變(bian)頻(pin)器(qi)能(neng)夠(gou)驅(qu)動(dong)無(wu)刷(shua)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)可(ke)靠(kao)、經濟地調速運行。

二、無刷同步電動機的結構與工頻運行過程
1. 無刷同步電動機的結構
無刷同步電動機的結構如圖1所示：
　　　　

　　　　　　　　　　　　圖1 無刷同步電動機結構
圖中：1為滑動軸承，2為無刷同步電動機繞組，3為冷卻器，4為旋轉整流器

，5為勵磁發電機。

2. 無刷同步電動機勵磁係統結構
　　無刷同步電動機勵磁係統結構如圖2所示
，其中勵磁發電機與同步電動機同軸轉動。
　　　　

　　　　　　　　　　　　圖2 無刷同步電動機勵磁係統結構

　　其中，旋轉整流器負責電機起動過程滅磁與投勵邏輯
，其內部結構如圖3所示。電機起動時
，旋轉整流器控製滅磁晶閘管T4將滅磁電阻RF連接至無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，以提供較大的起動轉矩
，降低勵磁繞組端電壓
，此時整流晶閘管T1 ~ T3截止；當電機到達亞同步速且滿足準角條件時，控製器觸發整流晶閘管T1 ~ T3，將勵磁發電機的電樞電壓整流後加在同步電動機的勵磁繞組上，為同步電動機提供持續的勵磁電流，同時關斷滅磁晶閘管T4。此時
，旋轉整流器等效於三相二極管不控整流器。
　　　　

　　　　　　　　　　　　圖3 旋轉整流器結構

3. 無刷同步電動機的工頻穩態運行
　　無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji在zai工gong頻pin穩wen態tai運yun行xing時shi，勵li磁ci器qi向xiang勵li磁ci發fa電dian機ji的de定ding子zi勵li磁ci繞rao組zu通tong以yi適shi當dang的de勵li磁ci電dian流liu
，在zai勵li磁ci發fa電dian機ji的de轉zhuan子zi電dian樞shu繞rao組zu端duan部bu感gan應ying出chu三san相xiang交jiao流liu電dian壓ya
，由you旋xuan轉zhuan整zheng流liu器qi（等效於二極管整流器）整流成直流電壓，施加在無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，為其提供持續的勵磁電流。
　　genjulicifadianjidewulitexing，qishuchudedianshudianyajinsiyudianjizhuansuhelicifadianjilicidianliudechengjichengzhengbi，yinciliciqikeyitongguotiaojiejingzhaguandechufajiao，tiaojielicifadianjidedingzilicidianliu
，dadaotiaojiewushuatongbudiandongjidezhuanzilicidianliudemude。

4. 無刷同步電動機的工頻起動投勵過程
無刷同步電動機的工頻起動投勵過程如圖4所示：
　　　　

　　　　　　　　　　　　圖4 無刷同步電動機工頻起動過程

　　gongpinqidongshi，shouxiangaoyaduanluqihezha，xuanzhuanzhengliuqidemiecibufendianlugenjutongbudiandongjiliciraozushangdeganyingdianyajiangmiecidianzulianjiezhitongbudiandongjideliciraozushang，tongbudiandongjizhujianjiasu。
　　gaoyaduanluqihezhahou，liciqichufajingzhaguan，xianglicifadianjidedingziliciraozutongyiyidingdelicidianliu。suizhedianjizhuansudeshenggao，licifadianjidezhuanzidianshuraozudianyazhujianshenggao，dangqigaoyuxuanzhuanzhengliuqidezuidigongzuodianyahou，youqigongdiandexuanzhuanzhengliuqikongzhiqishangdian，xuanzhuanzhengliuqijiancetongbudiandongjiliciraozushangdeganyingdianya，dangqizhouqidayuyushezhi（表示同步電動機已到達亞同步速）qiedaodafanxiangguolingdianshi，chufazhengliujingzhaguan
，guanduanmiecijingzhaguan，jianglicifadianjidezhuanzidianshudianyazhengliuhoujiazaitongbudiandongjideliciraozushang
，wanchengtouli。
　　電機經過短暫的整步過程後進入穩定的同步運行狀態，電機起動過程完成。

5. 無刷同步電動機的工頻停機過程
　　工(gong)頻(pin)停(ting)機(ji)時(shi)，斷(duan)開(kai)高(gao)壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)，同(tong)時(shi)勵(li)磁(ci)器(qi)調(tiao)節(jie)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)觸(chu)發(fa)角(jiao)至(zhi)有(you)源(yuan)逆(ni)變(bian)區(qu)
，將(jiang)勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)定(ding)子(zi)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)迅(xun)速(su)降(jiang)至(zhi)零(ling)，勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)子(zi)電(dian)樞(shu)繞(rao)組(zu)電(dian)壓(ya)迅(xun)速(su)下(xia)降(jiang)，當(dang)其(qi)小(xiao)於(yu)旋(xuan)轉(zhuan)整(zheng)流(liu)器(qi)的(de)最(zui)低(di)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)時(shi)
，旋(xuan)轉(zhuan)整(zheng)流(liu)器(qi)控(kong)製(zhi)電(dian)掉(diao)電(dian)，其(qi)整(zheng)流(liu)晶(jing)閘(zha)管(guan)截(jie)止(zhi)
，續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)將(jiang)滅(mie)磁(ci)電(dian)阻(zu)連(lian)接(jie)至(zhi)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)上(shang)，同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)迅(xun)速(su)下(xia)降(jiang)至(zhi)零(ling)。同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)在(zai)負(fu)載(zai)和(he)阻(zu)力(li)轉(zhuan)矩(ju)等(deng)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)逐(zhu)漸(jian)停(ting)穩(wen)。

三、無刷同步電機的變頻運行
1. 調速運行時的勵磁發電機特性
　　與yu有you刷shua同tong步bu電dian動dong機ji的de滑hua環huan直zhi接jie勵li磁ci不bu同tong，無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji的de勵li磁ci電dian流liu由you旋xuan轉zhuan的de勵li磁ci發fa電dian機ji發fa出chu。由you於yu勵li磁ci發fa電dian機ji發fa出chu的de電dian壓ya與yu電dian機ji轉zhuan速su和he勵li磁ci發fa電dian機ji定ding子zi勵li磁ci電dian流liu的de乘cheng積ji成cheng正zheng比bi
，當dang電dian機ji轉zhuan速su低di於yu其qi額e定ding轉zhuan速su較jiao多duo時shi，勵li磁ci發fa電dian機ji發fa出chu的de電dian壓ya較jiao低di
，此ci時shi即ji使shi勵li磁ci器qi向xiang勵li磁ci發fa電dian機ji輸shu出chu最zui大da的de勵li磁ci電dian流liu，無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji的de勵li磁ci電dian流liu也ye將jiang小xiao於yu其qi額e定ding值zhi。在zai起qi動dong初chu期qi轉zhuan速su很hen低di時shi
，無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji將jiang無wu法fa獲huo得de勵li磁ci電dian流liu。
　　同步電動機在無勵磁電流條件下變頻啟動時，其定子電樞繞組將從變頻器吸收較大的感性無功電流（典型值約為電機額定電流的2至3倍），該gai電dian流liu僅jin在zai變bian頻pin器qi和he同tong步bu電dian動dong機ji之zhi間jian流liu動dong，不bu注zhu入ru電dian網wang，但dan會hui造zao成cheng變bian頻pin器qi和he同tong步bu電dian動dong機ji定ding子zi電dian樞shu繞rao組zu的de短duan時shi發fa熱re。因yin此ci
，在zai電dian機ji轉zhuan速su較jiao低di時shi
，應ying向xiang勵li磁ci發fa電dian機ji的de定ding子zi勵li磁ci繞rao組zu施shi加jia盡jin可ke能neng大da的de電dian流liu，以yi最zui大da限xian度du降jiang低di電dian機ji的de起qi動dong電dian流liu。

2. 變頻起動時的投勵與整步過程
無刷同步電動機的變頻起動過程如圖5所示：
　　　　

　　　　　　　　　　　　圖5 無刷同步電動機變工頻起動過程

　　高壓斷路器合閘後，變頻器高壓上電。變頻器收到“啟動”命令後
，從0.5Hz開始向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，並按照預設的加速時間和V/F曲線逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值
，同步電動機空載起動。
變(bian)頻(pin)器(qi)向(xiang)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)定(ding)子(zi)電(dian)樞(shu)繞(rao)組(zu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)同(tong)時(shi)，通(tong)知(zhi)勵(li)磁(ci)器(qi)開(kai)始(shi)向(xiang)勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)定(ding)子(zi)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)輸(shu)出(chu)強(qiang)勵(li)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)，該(gai)電(dian)流(liu)為(wei)大(da)於(yu)勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)額(e)定(ding)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)
，小(xiao)於(yu)勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)最(zui)大(da)短(duan)時(shi)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)，此(ci)時(shi)，勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)子(zi)電(dian)樞(shu)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)近(jin)似(si)為(wei)零(ling)。
　　變頻器起動後，同步電動機依靠其凸極轉矩和轉子剩磁，經過短暫的異步加速和整步過程（約1至2秒）後(hou)進(jin)入(ru)同(tong)步(bu)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)。由(you)於(yu)此(ci)時(shi)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)無(wu)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)，僅(jin)依(yi)靠(kao)凸(tu)極(ji)轉(zhuan)矩(ju)和(he)轉(zhuan)子(zi)剩(sheng)磁(ci)運(yun)行(xing)
，因(yin)而(er)其(qi)定(ding)子(zi)側(ce)電(dian)流(liu)較(jiao)大(da)，約(yue)為(wei)電(dian)機(ji)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)的(de)2至3倍。
　　隨(sui)著(zhe)電(dian)機(ji)的(de)加(jia)速(su)，勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)轉(zhuan)子(zi)電(dian)樞(shu)繞(rao)組(zu)感(gan)應(ying)的(de)電(dian)壓(ya)逐(zhu)漸(jian)升(sheng)高(gao)，當(dang)其(qi)高(gao)於(yu)旋(xuan)轉(zhuan)整(zheng)流(liu)器(qi)的(de)最(zui)低(di)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)時(shi)
，旋(xuan)轉(zhuan)整(zheng)流(liu)器(qi)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)上(shang)電(dian)。由(you)於(yu)此(ci)時(shi)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)工(gong)作(zuo)在(zai)同(tong)步(bu)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，其(qi)轉(zhuan)子(zi)角(jiao)的(de)少(shao)量(liang)擺(bai)動(dong)在(zai)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)上(shang)感(gan)應(ying)出(chu)較(jiao)低(di)頻(pin)率(lv)的(de)電(dian)壓(ya)，該(gai)電(dian)壓(ya)的(de)周(zhou)期(qi)滿(man)足(zu)滑(hua)差(cha)頻(pin)率(lv)判(pan)據(ju)。旋(xuan)轉(zhuan)整(zheng)流(liu)器(qi)在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)該(gai)電(dian)壓(ya)後(hou)，立(li)即(ji)觸(chu)發(fa)整(zheng)流(liu)晶(jing)閘(zha)管(guan)，向(xiang)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)轉(zhuan)子(zi)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)投(tou)入(ru)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)。由(you)於(yu)此(ci)時(shi)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)仍(reng)然(ran)較(jiao)低(di)，勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)電(dian)樞(shu)電(dian)壓(ya)較(jiao)低(di)，因(yin)而(er)向(xiang)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)輸(shu)出(chu)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)也(ye)較(jiao)低(di)。投(tou)入(ru)勵(li)磁(ci)後(hou)，同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)定(ding)子(zi)電(dian)樞(shu)電(dian)流(liu)將(jiang)有(you)所(suo)降(jiang)低(di)，隨(sui)著(zhe)電(dian)機(ji)的(de)加(jia)速(su)
，勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)壓(ya)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)加(jia)，同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)獲(huo)得(de)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)也(ye)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)加(jia)，同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)定(ding)子(zi)電(dian)樞(shu)電(dian)流(liu)逐(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)至(zhi)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)之(zhi)下(xia)。
　　當電機轉速增至最低運行轉速（調速區間下界）後，變頻器通知勵磁器將勵磁發電機的定子勵磁電流調整為勵磁發電機的最大持續工作勵磁電流（或額定勵磁電流），電機起動過程完成，電機可以在該轉速下加載運行，或者根據工藝需要，加速至期望的轉速運行。
　　由於上述電機起動過程較短（其典型值約為30秒）
，且通常啟動前勵磁發電機和同步電動機繞組溫度不高
，因此這一過程不會導致勵磁發電機和同步電動機過熱。

3. 調速範圍
　　對於無刷同步電動機
，由於低速時勵磁發電機發出的電壓較低，同步電動機獲得的勵磁電流較小
，其最大輸出轉矩（失步轉矩）較小，因此需要根據電機的勵磁-轉矩特性確定其最低運行頻率。
　　一yi般ban的de
，為wei了le提ti高gao電dian機ji的de調tiao速su運yun行xing範fan圍wei
，在zai轉zhuan速su較jiao低di時shi，勵li磁ci器qi向xiang勵li磁ci發fa電dian機ji的de定ding子zi勵li磁ci繞rao組zu輸shu出chu勵li磁ci發fa電dian機ji的de最zui大da持chi續xu工gong作zuo勵li磁ci電dian流liu
，此ci時shi勵li磁ci發fa電dian機ji的de轉zhuan子zi電dian樞shu繞rao組zu將jiang輸shu出chu該gai轉zhuan速su下xia最zui大da的de感gan應ying電dian壓ya（仍小於其額定轉速下的額定電樞電壓），同步電動機也能獲得該轉速下的最大勵磁電流。
　　根據勵磁發電機在其最大持續工作勵磁電流下的輸出電壓

、同步電動機轉子勵磁繞組電阻，以及同步電動機的勵磁-轉矩特性曲線
，可以計算出各轉速下同步電動機的最大輸出轉矩（失步轉矩）。一般可以按照同步電動機最大輸出轉矩不小於該轉速條件下負載轉矩峰值的1.3倍的原則來確定同步電動機的最低運行轉速（典型值為電機額定轉速的60%至70%）。

4. 勵磁調節
(1) 低速滿勵磁運行
　　tongbudiandongjizaizuidiyunxingzhuansuyunxingshi，jiangcongbianpinqixishouyidingdeganxingwugongdianliu，gonglvyinshuzhihou。suizhezhuansudeshenggao，qigonglvyinshujiangzhujianshenggao，zhizhidanweigonglvyinshu（PF=1）。為(wei)了(le)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao)
，提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)，在(zai)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)到(dao)達(da)單(dan)位(wei)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)之(zhi)前(qian)，勵(li)磁(ci)器(qi)應(ying)向(xiang)勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)定(ding)子(zi)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)輸(shu)出(chu)其(qi)最(zui)大(da)持(chi)續(xu)工(gong)作(zuo)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)。

(2) 高速時的勵磁調節
　　當(dang)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)轉(zhuan)速(su)進(jin)一(yi)步(bu)升(sheng)高(gao)時(shi)，將(jiang)向(xiang)變(bian)頻(pin)器(qi)發(fa)出(chu)感(gan)性(xing)的(de)無(wu)功(gong)電(dian)流(liu)

，功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)超(chao)前(qian)，此(ci)時(shi)
，為(wei)了(le)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao)，提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)，變(bian)頻(pin)器(qi)將(jiang)根(gen)據(ju)其(qi)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)
，與(yu)勵(li)磁(ci)器(qi)進(jin)行(xing)通(tong)訊(xun)，降(jiang)低(di)勵(li)磁(ci)器(qi)輸(shu)出(chu)到(dao)勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)，使(shi)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)在(zai)單(dan)位(wei)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)下(xia)運(yun)行(xing)。

5. 變頻停機過程
　　變頻器收到“立即停機”命(ming)令(ling)後(hou)
，將(jiang)停(ting)止(zhi)向(xiang)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)定(ding)子(zi)電(dian)樞(shu)繞(rao)組(zu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)
，同(tong)時(shi)通(tong)知(zhi)勵(li)磁(ci)器(qi)滅(mie)磁(ci)，勵(li)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)快(kuai)速(su)衰(shuai)減(jian)，同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)滅(mie)磁(ci)電(dian)阻(zu)快(kuai)速(su)衰(shuai)減(jian)，電(dian)機(ji)在(zai)負(fu)載(zai)和(he)阻(zu)力(li)轉(zhuan)矩(ju)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)逐(zhu)漸(jian)停(ting)穩(wen)。

6. 失步保護
　　當變頻器檢測到同步電動機失步時
，立即停止向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓
，同時通知勵磁器滅磁，報告故障。

四、結論
　　本ben文wen基ji於yu無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji的de結jie構gou和he原yuan理li，對dui無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji變bian頻pin運yun行xing時shi可ke能neng遇yu到dao的de問wen題ti進jin行xing了le詳xiang細xi的de分fen析xi，提ti出chu了le無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji的de變bian頻pin運yun行xing方fang式shi，在zai該gai運yun行xing方fang式shi下xia，變bian頻pin器qi可ke以yi驅qu動dong無wu刷shua同tong步bu電dian動dong機ji可ke靠kao
、經濟地調速運行。