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同步電動機廣泛應用在工農業生產恒速系統中，具有自由調節功率因數、轉速恒定、負載特性硬等優點。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生的單軸轉矩在半同步轉速（簡稱半速）附近出現較大的起制動作用的轉矩，使得合成的啟動轉矩曲線出現較大的下凹，在大于半速附近形成最小轉矩，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，使啟動失敗。本文詳細分析了單軸轉矩隨轉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（從起動到準同步轉速的過程）中存在著兩種轉矩——異步轉矩和單軸轉矩；牽入階段（從準同步轉速加速到同步轉速的過程）也存在著兩種轉矩——同步轉矩和異步轉矩。起動原理線路如圖1所示。 
在異步全壓啟動過程中，轉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，則會產生“堵轉”現象，非但不能起動，而且還會使電網電壓受到很大的波動，電機本身在遭受連續脈振轉矩作用下造成損害。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生較大的附加轉矩（單軸轉矩），其特點是在略大于半同步轉速（簡稱半速）處產生較大的負轉矩，使電動機的合成轉矩曲線發生明顯的下凹，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倍的附加電阻而構成閉合回路。用此方法降低單軸轉矩對啟動的不利影響，但也減弱了單軸轉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作用。 異步階段的轉矩分析 同步電動機一般凸極，極對數因轉速的不同而異。在勵磁回路串接約為勵磁繞組電阻5～10倍的附加電阻而構成閉合回路后，把同步電動機的定子投入電網，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，主要有阻尼繞組產生的異步啟動轉矩，它的特性和異步電動機一樣，是電動機加速的主要轉矩；另外還有轉子上的勵磁繞組產生的附加轉矩（單軸轉矩），此轉矩對啟動的影響較復雜。以下詳細分析這一轉矩特性。 在異步起動的低速區間，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，它在定子旋轉磁場作用下產生電勢和電流，從而產生轉子上的磁勢。由于轉子上只有單相繞組，所以把這種條件下產生的轉矩叫做單軸轉矩。 正序轉矩 定子三相對稱繞組通以三相交流電后產生定子磁勢，它切割轉子單相繞組產生轉子磁勢的頻率為 f2=p（n0-n/60）=sf1 （1） 式中，f1—定子電壓頻率，hz；p—極對數；s—轉差率；n0—同步轉速，r/min；n—轉子轉速， r/min。 轉子磁勢為脈振磁勢。根據磁勢理論，一個脈振磁勢可以分解為兩個大小相等并以同樣轉速向相反方向旋轉的兩個磁勢，與定子磁勢同方向旋轉的叫正序磁勢fr+，與定子磁勢反方向旋轉的叫負序磁勢fr-。正負序磁勢切割轉子的轉速都是轉子旋轉磁場的轉速n2，而 n2=60（f2/p）=n0-n=δn=sn0 （2） 式中，f2—轉子磁勢頻率，hz。 所以，fr+對定子的轉速為 n+δn=n+sn0=n+n0（n0-n）/n0=sn0 （3） 由式（3）可見，fr+與定子旋轉磁勢同速、同向旋轉，產生固定的正序轉矩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子串電阻臨界轉差率sm增大時的異步轉矩特性。
轉子負序磁勢fr-切割轉子的轉速也是轉速差，但它的旋轉方向與定子磁勢相反，所以負序磁勢切割定子的轉速n-為 n-=n-δn=2n-n0=n0（1-2s） （4） 由式（4）可見，負序磁勢fr-的轉速是隨轉差率s而變化的，和定子磁勢不同步，產生的轉矩周期性變化，平均轉矩等于零。所以，負序磁勢fr-對定子旋轉磁場的作用可以不考慮。但負序磁場fr-以轉速n-切割定子三相繞組，產生一個與f1不同頻率的電勢，在定子側形成三相對稱電流，這組三相對稱電流產生的旋轉磁場與fr-同速、同向旋轉，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（轉子為一次側，定子為二次側，產生的異步轉矩，稱之為負序轉矩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可以發現，串電阻后在半速附近t-的最大制動轉矩有較大的減少，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矩。由圖2a中曲線2可知，把直流勵磁繞組直接短路，在轉速升到半同步轉速之后，t-會出現一個很大的負值，減少同步電動機啟動時的最少轉矩，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倍的附加電阻而構成閉合回路的方法。此時，t+和t-以及合成轉矩t的形狀都發生了變化，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矩。 小結 綜上所述，當n=0.5n0，或者說轉差率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動，因定子不動，其反作用轉矩迫使轉子正方向旋轉，即t-》0，fr-對轉子起加速作用。反之，當0《s《0.5時，n-》0，t-《0，fr-起制動作用，特別是轉速在約大于0.5n0時，制動轉矩最大，對電動機啟動影響較大。 牽入同步過程分析 當同步電動機的轉子被異步轉矩加速到準同步轉速后，異步起動階段即告結束。此時應將轉子勵磁繞組斷開，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之前結束［3］。因為在這段區間內，同步轉矩一直為正（即順極性），轉子在同步轉矩作用下，不斷加速，可順利的牽入同步。傳統的順極式投勵方式是采用轉子電量檢測法來確定投勵時刻。但是，由于電機在進入95%同步轉速運行以后，轉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，轉子感應電壓的幅值和頻率均很小。勵磁繞組在低轉速氣隙磁場切割下感應信號微弱，在工況大干擾條件下，轉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，采用無轉子位置傳感器的定子電量法實現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，氣隙旋轉磁場與轉子旋轉不同步，根據轉子在直軸和交軸位置的磁阻大小按正弦規律變化的情況，轉子直軸和交軸交替按轉差速率與氣隙旋轉磁場重合，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差大小有關的一系列“載波”。利用這一特性，通過檢測定子電流的幅值確定轉子磁極和氣隙旋轉磁場的相對位子，提高檢測的可靠性，能夠實現準確投勵［3］。 由于在異步起動過程中轉子經過附加電阻連接起來，勵磁繞組中將出現感應電流影響定子電流的分析，因此，在接近50%轉速附近切除短接電阻。由于產生過電壓的大小與轉差率成正比，50%轉速時轉子勵磁繞組中的感應電壓只是啟動瞬間轉子感應電壓的一半，已經達到安全電壓，同時可以徹底消除負序轉矩t-對電動機后半段啟動的阻轉矩影響。使啟動升速的整個過程更平穩、快速；并且也可避免繞組過熱燒壞引起的安全事故。 結語 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速處斷開勵磁繞組的附加短接電阻，具有如下優點： 勵磁繞組開路后，可以徹底消除負序轉矩t-在大于半同步轉速后對轉子的制動作用，尤其是可以使得半速附近的合成轉矩曲線的下凹消失，使得啟動階段加速過程更加快速、平穩。 消除了準同步轉速時轉子感應磁勢對定子側電流的影響，更有利于采用無轉子位置傳感器的定子電量法檢測轉子位子，實現準確投勵。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，并可以根據具體實際選擇電阻阻值，實現更大的起動轉矩，適用于帶重載啟動情況。 |
