同步電動機異步全壓啟動過程的轉(zhuǎn)矩分析

同步電動機廣泛應用在工農(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、負載特性硬等優(yōu)點。但是，長期以來，同步電動機啟動困難是限制它廣泛應用的一個重要原因。全壓異步直接啟動方式因其操作最簡單、方便，而在工程實踐中得到了廣泛的應用，是當前同步電動機普遍采用的一種啟動方法。但是，由于勵磁繞組在啟動過程中產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩在半同步轉(zhuǎn)速(簡稱半速)附近出現(xiàn)較大的起制動作用的轉(zhuǎn)矩，使得合成的啟動轉(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，影響電動機帶重載時的正常啟動，使得啟動時間延長，甚至會使得電動機卡在半速狀態(tài)，使啟動失敗。本文詳細分析了單軸轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性及對同步電動機啟動過程的影響。

異步全壓直接啟動過程分析

同步電動機的異步全壓起動過程可以分為兩個不同的階段，異步階段和牽入階段。在異步階段(從起動到準同步轉(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。起動原理線路如圖1所示。

當定子合閘接上電源時，控制開關(guān)k接通附加電阻使勵磁繞組短路，進入異步階段，此時，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;當加速到亞同步轉(zhuǎn)速時，斷開附加電阻，使開關(guān)k接通直流勵磁電源，進入牽入階段，由同步轉(zhuǎn)矩和異步轉(zhuǎn)矩共同作用牽入同步速穩(wěn)定運行，啟動完成。

在異步全壓啟動過程中，轉(zhuǎn)子直流勵磁繞組的處理是一個值得注意的重要問題。當定子合閘接上電源時，如勵磁繞組開路，便會產(chǎn)生過電壓，其值可能達額定勵磁電壓的10倍，可能擊穿繞組，損壞電機。而起動之前直接加入勵磁電流，則會產(chǎn)生“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，非但不能起動，而且還會使電網(wǎng)電壓受到很大的波動，電機本身在遭受連續(xù)脈振轉(zhuǎn)矩作用下造成損害。但若將勵磁繞組直接短路，此時在勵磁繞組中的感應較大電流，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)，其特點是在略大于半同步轉(zhuǎn)速(簡稱半速)處產(chǎn)生較大的負轉(zhuǎn)矩，使電動機的合成轉(zhuǎn)矩曲線發(fā)生明顯的下凹，降低了電動機的起動性能。通常是在勵磁回路串接約為勵磁繞組電阻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)矩對啟動的不利影響，但也減弱了單軸轉(zhuǎn)矩前半段對啟動的有利作用卻不能徹底消除它在啟動后半段的阻轉(zhuǎn)作用。

異步階段的轉(zhuǎn)矩分析

同步電動機一般凸極，極對數(shù)因轉(zhuǎn)速的不同而異。在勵磁回路串接約為勵磁繞組電阻5～10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路后，把同步電動機的定子投入電網(wǎng)，使之依靠阻尼繞組按異步電動機起動。此時電動機進入異步階段，主要有阻尼繞組產(chǎn)生的異步啟動轉(zhuǎn)矩，它的特性和異步電動機一樣，是電動機加速的主要轉(zhuǎn)矩;另外還有轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩(單軸轉(zhuǎn)矩)，此轉(zhuǎn)矩對啟動的影響較復雜。以下詳細分析這一轉(zhuǎn)矩特性。

在異步起動的低速區(qū)間，勵磁繞組既不允許通入直流勵磁電流又不允許開路，唯一的辦法是將勵磁繞組直接短路或通過附加電阻短路。勵磁繞組短接后相當于一個單相繞組，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，一個脈振磁勢可以分解為兩個大小相等并以同樣轉(zhuǎn)速向相反方向旋轉(zhuǎn)的兩個磁勢，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)的叫負序磁勢fr-。正負序磁勢切割轉(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+，這與正常異步電動機一樣。分別畫出勵磁繞組直接短路和串附加電阻時t+=f(n)曲線如圖2a、b中曲線1所示[2]。b圖中曲線1相當于正常異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻臨界轉(zhuǎn)差率sm增大時的異步轉(zhuǎn)矩特性。

負序轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)子負序磁勢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，負序磁勢fr-對定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用可以不考慮。但負序磁場fr-以轉(zhuǎn)速n-切割定子三相繞組，產(chǎn)生一個與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，我們認為存在著一個假想的異步電動機(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相當于正常異步電動機把一次磁動勢削弱與異步電動機降低電源電壓時的機械特性相似。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-的最大制動轉(zhuǎn)矩有較大的減少，但并沒有徹底消除t-半速后的制動特性。

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)

就是啟動過程中的單軸轉(zhuǎn)矩。由圖2a中曲線2可知，把直流勵磁繞組直接短路，在轉(zhuǎn)速升到半同步轉(zhuǎn)速之后，t-會出現(xiàn)一個很大的負值，減少同步電動機啟動時的最少轉(zhuǎn)矩，降低同步電動機的起動性能，重載時有可能把電機卡在半速附近，使啟動失敗，并且損壞電動機。為克服之一缺點，通常是采用將勵磁回路串接約為勵磁繞組電阻5～10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路的方法。此時，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[2]。從中可以看出，此方法只是減少并不能徹底消除t-在大于半速時的制動轉(zhuǎn)矩。

小結(jié)

綜上所述，當n=0.5n0，或者說轉(zhuǎn)差率s=0.5時，n-=0。這時fr-不切割定子繞組，t-= 0。當1》s》0.5時，n-《0，表示fr-力圖拉著定子反向轉(zhuǎn)動，因定子不動，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0《s《0.5時，n-》0，t-《0，fr-起制動作用，特別是轉(zhuǎn)速在約大于0.5n0時，制動轉(zhuǎn)矩最大，對電動機啟動影響較大。

牽入同步過程分析

當同步電動機的轉(zhuǎn)子被異步轉(zhuǎn)矩加速到準同步轉(zhuǎn)速后，異步起動階段即告結(jié)束。此時應將轉(zhuǎn)子勵磁繞組斷開，接通勵磁電源，通入直流勵磁電流，開始牽入同步階段。

最理想的牽入過程是在功角θ=0時開始，在θ=π之前結(jié)束[3]。因為在這段區(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)的順極式投勵方式是采用轉(zhuǎn)子電量檢測法來確定投勵時刻。但是，由于電機在進入95%同步轉(zhuǎn)速運行以后，轉(zhuǎn)子感應電壓的大小及頻率受電機的端電壓、負載等影響較大，轉(zhuǎn)子感應電壓的幅值和頻率均很小。勵磁繞組在低轉(zhuǎn)速氣隙磁場切割下感應信號微弱，在工況大干擾條件下，轉(zhuǎn)子感應電壓波形很容易受到干擾，使得感應電壓過零點不明確。因此準確捕捉有用信號困難，難免造成投勵失敗。

目前，采用無轉(zhuǎn)子位置傳感器的定子電量法實現(xiàn)最佳順極性投勵方法能夠克服以上缺點。該方法是利用同步電動機在異步起動過程中，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)準確投勵[3]。

由于在異步起動過程中轉(zhuǎn)子經(jīng)過附加電阻連接起來，勵磁繞組中將出現(xiàn)感應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)速時轉(zhuǎn)子勵磁繞組中的感應電壓只是啟動瞬間轉(zhuǎn)子感應電壓的一半，已經(jīng)達到安全電壓，同時可以徹底消除負序轉(zhuǎn)矩t-對電動機后半段啟動的阻轉(zhuǎn)矩影響。使啟動升速的整個過程更平穩(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

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

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

消除了準同步轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子感應磁勢對定子側(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，實現(xiàn)準確投勵。順利牽入同步運行。

有利于保護附加電阻不因為過熱而燒壞，并可以根據(jù)具體實際選擇電阻阻值，實現(xiàn)更大的起動轉(zhuǎn)矩，適用于帶重載啟動情況。