同步電動機調頻起動過程分析

高東升, 王德順, 楊 瑞, 關曉明, 尹 梅, 李 慶

（1.西南交通大學電氣工程學院, 成都 610031; 2.國網電力科學研究院,南京 210061; 3.中國石油管道秦京輸油氣分公司, 河北 秦皇島 066001）

1 引言

同步電動機以其可調的功率因數和輸出轉矩以及對電網電壓波動較不敏感等良好的運行性能在大功率電氣傳動領域獨占鰲頭。是驅動大型風機、水泵、壓縮機、高爐鼓風機、短路實驗機組的優選機型，更是抽水蓄能電站必不可少的關鍵設備。同步電機雖然有很多優點，但它的最大缺點是起動困難。現在對于大型同步電機的起動大都采用靜止變頻起動裝置（SFC）[1,2]。早期由于技術和條件的限制，全控型的功率器件如：可關斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等容量還不夠大，靜止變頻起動裝置（SFC）多數采用半控型電力電子器件——普通晶閘管[1,2]。由于這種器件的開通可控而關斷不可控，在逆變器中需要采用特殊的關斷措施才能達到變頻的目的。因此，針對靜止變頻器的同步電機起動大多采用自控式的控制方式（利用負載同步電機的交流反電勢關斷逆變器中的晶閘管）。變頻裝置需要在電機軸上安裝轉子位置檢測器，使得整個變頻裝置不便于安裝，而控制系統也相對復雜[3,4]。近來由于大功率器件的迅猛發展，像GTO、IGBT等全控型電力電子器件得以更廣泛的使用[5-8]。由晶閘管構成的原靜止變頻起動裝置（SFC）可由IGBT等功率器件代替[9,10]。利用這種變頻器對同步電機起動進行開環恒壓頻比控制，就大大簡化了原來的SFC系統，同時這種開環變頻起動能夠應用在不同的同步電機上，使其更具有普遍性和廣泛性[11]。本文針對開環變頻起動控制方式進行了理論分析，并對同步電機起動過程進行了仿真和實驗研究，為開環調頻起動控制方式提供了理論依據。

2 起動過程的理論分析

2.1 調頻同步起動的原理

調頻起動方法的實質是設法改變定子旋轉磁場的轉速，以利用定、轉子磁場間的同步轉矩來起動。為此，開始起動時，需把調頻電源的頻率調得很低，使定子三相電流所產生的旋轉磁場轉得極慢，定、轉子磁場間能產生一定的平均同步轉矩而不致滑極。調頻起動的步驟為：向轉子加上直流勵磁，定子電流的頻率從零開始逐步向上增加，直至額定頻率為止。這樣，轉子的轉速就將隨著定子磁場旋轉速度的逐步上升而同增加，直到額定轉速。在同步電機空載起動的一瞬間，有

2.2 牽入同步計算

低頻同步起動過程，實質上是個連續拉入同步的過程。在電動機牽入同步之前，定子磁場的旋轉速度和轉子的旋轉速度差要保證在一定范圍內才能使電動機順利地牽入同步。如同步電動機的磁極對數為p，則有如下關系：θ=p?α，ω = p?Ω。其中α為實際的機械角；Ω為角速度；θ為電角度；ω為轉子角頻率。

以電氣量表示的電動機轉子軸線位置如圖1所示。

圖1 轉子軸線位置電氣量示圖

則：

式中Nω為電網的角頻率，近似為額定角頻率；σ為定子旋轉磁場軸線與轉子軸線的夾角。

由電機學原理分析可得：

3 仿真模型的建立

同步電動機采用dq0坐標下的數學模型，其電壓方程為：

式中：r為定子繞組電阻；xd，xq為直軸、交軸同步電抗；rf，rld，rlq，xf，xld，xlq分別為勵磁繞組、直軸和交軸阻尼繞組的電阻和電抗；xad，xaq分別為直軸和交軸電樞反應電抗。

轉子的運動方程：

式中：H為機組慣性時間常數；0θ為轉子初始角，電磁轉矩為：

仿真采用一臺111.9kW的4級同步電機為研究對象，電機的主要參數見表1。此表數據全部為標幺值。

表1 電機主要參數

4 仿真計算與試驗結果

4.1 仿真計算與分析

用MATLAB軟件進行仿真試驗，變頻器的類型選用的是電壓源型逆變器，采用大功率的 IGBT為逆變器的功率器件。同步電機的額定電壓是762V，勵磁電壓給定常數17.88V，起動相電壓給定69.28V。因為是恒壓頻比的開環控式，所以電壓也隨著頻率的增加而增加，直到額定值。初始負載轉矩為零即空載起動，起動頻率給定5Hz。圖 2為電機轉速的變化曲線，從圖中可以看出，頻率為5Hz時，電機能夠起動并且能順利地使電機牽入同步運行，初期雖然有反轉的現象，但最終還是能夠牽入同步，與理論分析相吻合。

圖2 電機轉速的變化曲線

圖3為輸出有有功功率的變化曲線，從圖中可以看出同步電機最終以電動機的工作方式穩定運行。圖4為電動機相電流變化的曲線，也可看出在t=5s前電流的變化較大，為穩態電流的2～3倍。圖5為電磁轉矩的變化曲線，可以看出，由于給定的頻率大小是由速度決定的，所以電磁轉矩的變化表現為初期有劇烈振蕩。

圖3 有功功率變化曲線

圖4 相電流變化曲線

圖5 電磁轉矩的變化曲線

4.2 試驗結果

根據以上分析，對一臺額定功率為2.5kW的4級同步電機進行開環恒壓頻比控制方式起動實驗，給出頻率隨著時間的遞增關系，見表2。

表2 頻率和時間的關系

實驗中采用瞬態轉矩傳感器和轉矩儀器測量轉矩轉速信號，并用OR300記錄儀記錄下轉速轉矩曲線如圖6、圖7所示。實驗的轉矩測試曲線與仿真轉矩曲線變化趨勢基本一致。

同樣，將實驗所得的轉速曲線同仿真的轉速曲線進行比較可以看出，兩條曲線轉速上升階段的趨勢基本一致，整個起動過程中由于是個連續拉入同步的過程，轉子經過幾次轉速振蕩才能逐漸穩定在同步轉速，符合理論分析的結論。

圖6 同步電動機起動過程轉速測試曲線

圖7 同步電動機起動過程轉矩測試曲線

5 結論

本文針對同步電動機恒壓頻比的開環控制起動過程進行了研究：首先，對同步電動機起動過程進行了理論分析，計算出電動機起動過程中所需要的初始頻率等參量，推導出電動機的動態運動方程，利用四階龍格－庫塔法對運動方程求解，得出了初始頻率為5Hz起動時電機轉速、轉矩等參數的仿真曲線，證明了同步電動機恒壓頻比開環控制起動的可行性。通過瞬態轉矩傳感器、轉矩儀和記錄儀對一臺功率為2.5kW 的同步電動機起動過程進行了實驗研究，并得出轉速與轉矩的變化曲線，并與仿真曲線相對比，與仿真結果基本吻合，從而進一步驗證了同步電機開環控制起動的可行性。

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