1前言

同步電動(dòng)機(jī)在大功率的工業(yè)場(chǎng)所有近一百年的應(yīng)用歷史了，不但其高效率和高可靠性無(wú)與倫比，而且能夠改善供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，給用戶帶來(lái)真正的實(shí)際效益。然而，由于同步電動(dòng)機(jī)初期投資價(jià)格比異步電動(dòng)機(jī)高，所以其應(yīng)用受到了一定的限制?，F(xiàn)在，在一些高性能的應(yīng)用場(chǎng)所，凡是功率大于500kW以上的電動(dòng)機(jī)，基本都采用了同步電動(dòng)機(jī)，這就提出了對(duì)同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的問(wèn)題。

自1957年晶閘管出現(xiàn)后，變頻調(diào)速器隨之產(chǎn)生。一般變頻器為保證晶閘管可靠換流，都需要有一套附加的換流電路，因而使變頻器線路復(fù)雜、體積大、功耗大。但是在變頻器對(duì)同步電動(dòng)機(jī)供電中，其電樞繞組中存在由激磁磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)，利用這種反電勢(shì)換流，可以使變頻器換流電路大大簡(jiǎn)化，從而形成了負(fù)載換相式高壓變頻器。這種變頻器具有電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是其輸出波形不好，起動(dòng)困難。近年來(lái)，由于先進(jìn)IGBT功率器件的出現(xiàn)，使得多電平PWM式高壓變頻器的應(yīng)用成為可能。這種高壓變頻器是由低壓變頻器串聯(lián)而成的，因而具有很高的可靠性，并且其輸出波形較好，在同步電動(dòng)機(jī)上具有廣泛的應(yīng)用前景。

2負(fù)載換相式高壓變頻器(LCI)

負(fù)載換相式高壓變頻器(LCI)如圖1所示。與通用變頻器一樣，該變頻器也是由三部分組成:整流器部分、濾波部分和逆變器部分。整流器部分的作用是將固定電壓和固定頻率的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并控制其電流為恒流。逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的交流電，供給同步電動(dòng)機(jī)，其電流的變化率取決于電機(jī)電感。忽略換流影響，對(duì)整流器而言，其直流側(cè)電壓為:

(1)其中:--電源線電壓峰值-整流器輸出的直流電壓-整流器觸發(fā)角仿照上式，對(duì)逆變器而言，其直流側(cè)電壓為:

(2)其中:--同步電動(dòng)機(jī)線電壓峰值。-同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)角。-同步電動(dòng)機(jī)規(guī)律因數(shù)角。負(fù)號(hào)--是相對(duì)于整流器而言的。從圖1可以看出，整流器與逆變器之間只存在濾波電感，若不考慮很小的壓降，就有

(3)將(2-1)、(2-2)代入式(2-3)中，有:

（4)通常電動(dòng)機(jī)的輸入電壓在額定速度時(shí)等于變頻器電源側(cè)的電壓，所以其電壓比值可用單位速度PUS代替，則有:

(5)由于α是整流器的觸發(fā)角，它實(shí)際上代表了輸入電流滯后輸入電壓的角，所以可以看出負(fù)載換相式高壓變頻器的功率因數(shù)PF不會(huì)大于電機(jī)功率因數(shù)和單位速度(PUS)的乘積。很顯然，希望最好在1800時(shí)對(duì)逆變器進(jìn)行換流操作，但實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵?800時(shí)，用于換流的電機(jī)端電壓將消失，所以換流時(shí)間必須提前至1800前，以使電流有時(shí)間換相和給晶閘管加反壓至其截止。一般該值取1500，即功率因數(shù)PF=0.866。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，我們盡可能接近1800，也就是說(shuō)讓換流間隔盡可能地短，這樣就使得電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)盡可能提高了，然而，電動(dòng)機(jī)的漏感小于17%是必要的。當(dāng)然，這需要特殊設(shè)計(jì)。各變量之間應(yīng)保持的關(guān)系如下:

(6)-換相時(shí)加到晶閘管上的瞬時(shí)電壓。KLs--同步電動(dòng)機(jī)每相漏感。

以前，負(fù)載換相式高壓變頻器用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)和確定開(kāi)始換流時(shí)間，但這種方法難度特別大?，F(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的方法是用電機(jī)端電壓來(lái)控制換流，從而淘汰了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，使系統(tǒng)控制起來(lái)更加簡(jiǎn)單。

圖2為6脈波負(fù)載換相式高壓變頻器的輸入電流波形，圖3為6脈波負(fù)載換相式高壓變頻器的輸出電流、輸出電壓和轉(zhuǎn)矩波形。從圖可以看出，為了提高LCI變頻器的波形質(zhì)量，必須增加額外的濾波器。由于LCI變頻器的輸出波形中存在高次諧波，所以對(duì)電機(jī)影響較大:

(1)諧波使電機(jī)電流的均方根值增加了5%，但卻不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而是增加了電機(jī)定子銅損。

(2)以時(shí)間函數(shù)表示的諧波電流，在定子中變換成了空間函數(shù)，從而引起了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩的第n次諧波是由電流的第n+1次諧波及第n-1次諧波產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)部分的幅值是與諧波電流的幅值成正比。例如，高次諧波的最低次數(shù)是5次和7次，則最低次轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率是電機(jī)定子頻率的6倍。該轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是引起機(jī)器變形損壞的主要原因。對(duì)于LCI變頻器來(lái)說(shuō)，目前主要存在的問(wèn)題是共模電壓和起動(dòng)問(wèn)題。共模電壓可損壞電機(jī)絕緣，若不用其它方法來(lái)解決，則電機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)一套高絕緣的系統(tǒng)。起動(dòng)問(wèn)題是在低速時(shí)，即10%額定轉(zhuǎn)速下，同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)不足以用來(lái)?yè)Q流，所以必須采取電流斷續(xù)的方法來(lái)進(jìn)行換流，這勢(shì)必造成電機(jī)更大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。盡管LCI變頻器有上述這些缺點(diǎn)，但是應(yīng)用還是比較廣泛的。近年來(lái)，由于可關(guān)斷器件的出現(xiàn)，特別是基于IGBT技術(shù)的低壓變頻器的普及，使得新型多電平PWM式高壓變頻器的應(yīng)用成為可能。

3多電平PWM式高壓變頻器(MLI)

多電平PWM式高壓變頻器(MLI)如圖4所示。由于MLI變頻器是電壓型變頻器，所以在所有負(fù)載條件下，其功率因數(shù)在0.95以上。MLI變頻器用多脈波輸入，從而減少了高次諧波。當(dāng)供電系統(tǒng)A、B、C三相平衡時(shí)，3個(gè)功率單元串聯(lián)的MLI的輸入電流失真為3%，5個(gè)功率單元串聯(lián)的MLI的輸入電流失真小于1%。這樣，就不必應(yīng)用任何功率因數(shù)改善裝置。MLI變頻器的輸入和輸出波形如圖5、如圖6所示。由于輸出波形中有很多階梯疊加，且進(jìn)行智能化PWM調(diào)節(jié)，所以在滿載和全頻時(shí)，輸出電壓波形中沒(méi)有較低的諧波出現(xiàn)，輸出電流波形也幾乎接近正弦波，從而避免了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象。

由于能量從電源輸入，所以在空載時(shí)，其輸入電流很低，僅僅是其隔離變壓器的激磁電流和損耗電流，因此MLI變頻器易于起動(dòng)和運(yùn)行。雖然低頻時(shí)有些低頻諧波，但并不影響MLI變頻器的運(yùn)行，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小。當(dāng)MLI變頻器用于驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，要解決的只是激磁回路的控制問(wèn)題。圖7是MLI變頻器用于驅(qū)動(dòng)3750Hp同步電動(dòng)機(jī)的原理圖。在圖中，有兩組3相6個(gè)SCRAC開(kāi)關(guān)，用于給激磁回路供電。一組是同步電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)應(yīng)用，一組是同步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)應(yīng)用。它們互為備用，以提高系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)有兩種工作模式，分述如下:

(1)同步電動(dòng)機(jī)工頻工作模式在無(wú)刷激磁器中，有一個(gè)三相繞組的轉(zhuǎn)子和一個(gè)單相繞組的直流定子。同步電動(dòng)機(jī)被其內(nèi)的鼠籠繞組產(chǎn)生的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩加速到準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，激磁器上的轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出的電壓，經(jīng)過(guò)整流后，加到激磁的定子上，這樣就給同步電動(dòng)機(jī)加上了主磁場(chǎng)。對(duì)于固定的定子磁通，激磁器上的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電壓也相對(duì)固定。在旋轉(zhuǎn)整流裝置上，其電壓被一個(gè)同步電路控制。當(dāng)電動(dòng)機(jī)幾乎以同步速度工作時(shí)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間可通過(guò)觸發(fā)SCR來(lái)控制主磁場(chǎng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)低于同步速度時(shí)，通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)電流的頻率來(lái)控制主磁場(chǎng)。

(2)同步電動(dòng)機(jī)變頻工作模式同步電動(dòng)機(jī)變頻工作時(shí)，在靜止時(shí)，無(wú)電壓產(chǎn)生，磁場(chǎng)中的能量必須通過(guò)激磁器中的繞組的變壓器作用傳遞。同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，首先通過(guò)激磁來(lái)建立磁通(由于同步電抗低于異步電動(dòng)機(jī)的激磁電抗，所以在沒(méi)有激磁電流的情況下，激磁器將用更大的定子電流來(lái)建立磁通)。當(dāng)激磁器中的轉(zhuǎn)子電壓通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流裝置變成直流電壓后，觸發(fā)同步電路。此時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)將不存在，因?yàn)闆](méi)有定子反電勢(shì)存在。所以稍停一下后，觸發(fā)器SCR，允許整流裝置的直流輸出，給主磁場(chǎng)供電。然后變頻器輸出低頻低壓電至同步電動(dòng)機(jī)的定子上，并產(chǎn)生定子電流，但這將不會(huì)產(chǎn)生工頻起動(dòng)時(shí)的鎖定轉(zhuǎn)子現(xiàn)象，且定子中的電流只能等于或小于額定電流。通過(guò)電流與磁場(chǎng)中磁通的相互作用，建立定子反電勢(shì)，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，轉(zhuǎn)子與磁通、定子反電勢(shì)在同一旋轉(zhuǎn)軸上，同步電動(dòng)機(jī)被牽入同步。當(dāng)變頻器頻率增加時(shí)，定子反電勢(shì)的旋轉(zhuǎn)開(kāi)始減慢，這將引起同步電動(dòng)機(jī)的功角增加，并且產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)。不像工頻起動(dòng)那樣，變頻起動(dòng)時(shí)，同步轉(zhuǎn)矩在靜止和加速期間就產(chǎn)生了。因此同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)的鼠籠轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生任何電流和熱量。這樣就可以對(duì)同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)數(shù)次起動(dòng)，電機(jī)內(nèi)鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也不會(huì)因熱周期的影響而變化。

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大功率的調(diào)速控制，已有很多應(yīng)用，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速還很少。本文提出的兩種同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在實(shí)際中都有應(yīng)用，但MLI變頻器的應(yīng)用效果要好于LCI變頻器。