单轴转矩随转速变化的特性及对同步电动机启动过程的影响浅析

同步电动机广泛应用在工农业生产恒速系统中，具有自由调节功率因数、转速恒定、负载特性硬等优点。但是，长期以来，同步电动机启动困难是限制它广泛应用的一个重要原因。全压异步直接启动方式因其操作最简单、方便，而在工程实践中得到了广泛的应用，是当前同步电动机普遍采用的一种启动方法。但是，由于励磁绕组在启动过程中产生的单轴转矩在半同步转速（简称半速）附近出现较大的起制动作用的转矩，使得合成的启动转矩曲线出现较大的下凹，在大于半速附近形成最小转矩，影响电动机带重载时的正常启动，使得启动时间延长，甚至会使得电动机卡在半速状态，使启动失败。本文详细分析了单轴转矩随转速变化的特性及对同步电动机启动过程的影响。

异步全压直接启动过程分析

同步电动机的异步全压起动过程可以分为两个不同的阶段，异步阶段和牵入阶段。在异步阶段（从起动到准同步转速的过程）中存在着两种转矩——异步转矩和单轴转矩；牵入阶段（从准同步转速加速到同步转速的过程）也存在着两种转矩——同步转矩和异步转矩。起动原理线路如图1所示。

当定子合闸接上电源时，控制开关k接通附加电阻使励磁绕组短路，进入异步阶段，此时，阻尼绕组产生的异步转矩起主要加速作用，单轴转矩在半同步速前有也加速作用，其后产生阻转矩，不利于启动；当加速到亚同步转速时，断开附加电阻，使开关k接通直流励磁电源，进入牵入阶段，由同步转矩和异步转矩共同作用牵入同步速稳定运行，启动完成。

在异步全压启动过程中，转子直流励磁绕组的处理是一个值得注意的重要问题。当定子合闸接上电源时，如励磁绕组开路，便会产生过电压，其值可能达额定励磁电压的10倍，可能击穿绕组，损坏电机。而起动之前直接加入励磁电流，则会产生“堵转”现象，非但不能起动，而且还会使电网电压受到很大的波动，电机本身在遭受连续脉振转矩作用下造成损害。但若将励磁绕组直接短路，此时在励磁绕组中的感应较大电流，它与气隙磁场的作用将产生较大的附加转矩（单轴转矩），其特点是在略大于半同步转速（简称半速）处产生较大的负转矩，使电动机的合成转矩曲线发生明显的下凹，降低了电动机的起动性能。通常是在励磁回路串接约为励磁绕组电阻5～10倍的附加电阻而构成闭合回路。用此方法降低单轴转矩对启动的不利影响，但也减弱了单轴转矩前半段对启动的有利作用却不能彻底消除它在启动后半段的阻转作用。

异步阶段的转矩分析

同步电动机一般凸极，极对数因转速的不同而异。在励磁回路串接约为励磁绕组电阻5～10倍的附加电阻而构成闭合回路后，把同步电动机的定子投入电网，使之依靠阻尼绕组按异步电动机起动。此时电动机进入异步阶段，主要有阻尼绕组产生的异步启动转矩，它的特性和异步电动机一样，是电动机加速的主要转矩；另外还有转子上的励磁绕组产生的附加转矩（单轴转矩），此转矩对启动的影响较复杂。以下详细分析这一转矩特性。

在异步起动的低速区间，励磁绕组既不允许通入直流励磁电流又不允许开路，唯一的办法是将励磁绕组直接短路或通过附加电阻短路。励磁绕组短接后相当于一个单相绕组，它在定子旋转磁场作用下产生电势和电流，从而产生转子上的磁势。由于转子上只有单相绕组，所以把这种条件下产生的转矩叫做单轴转矩。

正序转矩

定子三相对称绕组通以三相交流电后产生定子磁势，它切割转子单相绕组产生转子磁势的频率为 f2=p（n0-n/60）=sf1 （1）

式中，f1—定子电压频率，hz；p—极对数；s—转差率；n0—同步转速，r/min；n—转子转速， r/min。

转子磁势为脉振磁势。根据磁势理论，一个脉振磁势可以分解为两个大小相等并以同样转速向相反方向旋转的两个磁势，与定子磁势同方向旋转的叫正序磁势fr+，与定子磁势反方向旋转的叫负序磁势fr-。正负序磁势切割转子的转速都是转子旋转磁场的转速n2，而

n2=60（f2/p）=n0-n=δn=sn0 （2）

式中，f2—转子磁势频率，hz。

所以，fr+对定子的转速为

n+δn=n+sn0=n+n0（n0-n）/n0=sn0 （3）

由式（3）可见，fr+与定子旋转磁势同速、同向旋转，产生固定的正序转矩t+，这与正常异步电动机一样。分别画出励磁绕组直接短路和串附加电阻时t+=f（n）曲线如图2a、b中曲线1所示［2］。b图中曲线1相当于正常异步电动机转子串电阻临界转差率sm增大时的异步转矩特性。

负序转矩

转子负序磁势fr-切割转子的转速也是转速差，但它的旋转方向与定子磁势相反，所以负序磁势切割定子的转速n-为

n-=n-δn=2n-n0=n0（1-2s） （4）

由式（4）可见，负序磁势fr-的转速是随转差率s而变化的，和定子磁势不同步，产生的转矩周期性变化，平均转矩等于零。所以，负序磁势fr-对定子旋转磁场的作用可以不考虑。但负序磁场fr-以转速n-切割定子三相绕组，产生一个与f1不同频率的电势，在定子侧形成三相对称电流，这组三相对称电流产生的旋转磁场与fr-同速、同向旋转，两者相对静止。所以，我们认为存在着一个假想的异步电动机（转子为一次侧，定子为二次侧，产生的异步转矩，称之为负序转矩t-。画出t-=f（n）曲线如图2a、b中曲线2所示。b中曲线2相当于正常异步电动机把一次磁动势削弱与异步电动机降低电源电压时的机械特性相似。比较a和b中的曲线2可以发现，串电阻后在半速附近t-的最大制动转矩有较大的减少，但并没有彻底消除t-半速后的制动特性。

把图2a、b中的曲线1t+=f（n）和曲线2 t-=f（n）相加得到曲线3t=f（n）

就是启动过程中的单轴转矩。由图2a中曲线2可知，把直流励磁绕组直接短路，在转速升到半同步转速之后，t-会出现一个很大的负值，减少同步电动机启动时的最少转矩，降低同步电动机的起动性能，重载时有可能把电机卡在半速附近，使启动失败，并且损坏电动机。为克服之一缺点，通常是采用将励磁回路串接约为励磁绕组电阻5～10倍的附加电阻而构成闭合回路的方法。此时，t+和t-以及合成转矩t的形状都发生了变化，如图2b所示。从中可以看出，此方法只是减少并不能彻底消除t-在大于半速时的制动转矩。

小结

综上所述，当n=0.5n0，或者说转差率s=0.5时，n-=0。这时fr-不切割定子绕组，t-= 0。当1》s》0.5时，n-《0，表示fr-力图拉着定子反向转动，因定子不动，其反作用转矩迫使转子正方向旋转，即t-》0，fr-对转子起加速作用。反之，当0《s《0.5时，n-》0，t-《0，fr-起制动作用，特别是转速在约大于0.5n0时，制动转矩最大，对电动机启动影响较大。

牵入同步过程分析

当同步电动机的转子被异步转矩加速到准同步转速后，异步起动阶段即告结束。此时应将转子励磁绕组断开，接通励磁电源，通入直流励磁电流，开始牵入同步阶段。

最理想的牵入过程是在功角θ=0时开始，在θ=π之前结束。因为在这段区间内，同步转矩一直为正（即顺极性），转子在同步转矩作用下，不断加速，可顺利的牵入同步。传统的顺极式投励方式是采用转子电量检测法来确定投励时刻。但是，由于电机在进入95%同步转速运行以后，转子感应电压的大小及频率受电机的端电压、负载等影响较大，转子感应电压的幅值和频率均很小。励磁绕组在低转速气隙磁场切割下感应信号微弱，在工况大干扰条件下，转子感应电压波形很容易受到干扰，使得感应电压过零点不明确。因此准确捕捉有用信号困难，难免造成投励失败。

目前，采用无转子位置传感器的定子电量法实现最佳顺极性投励方法能够克服以上缺点。该方法是利用同步电动机在异步起动过程中，气隙旋转磁场与转子旋转不同步，根据转子在直轴和交轴位置的磁阻大小按正弦规律变化的情况，转子直轴和交轴交替按转差速率与气隙旋转磁场重合，磁阻的不同必然会引起定子电流变化，定子电流幅值是与直轴和交轴位置以及转差大小有关的一系列“载波”。利用这一特性，通过检测定子电流的幅值确定转子磁极和气隙旋转磁场的相对位子，提高检测的可靠性，能够实现准确投励。

由于在异步起动过程中转子经过附加电阻连接起来，励磁绕组中将出现感应电流影响定子电流的分析，因此，在接近50%转速附近切除短接电阻。由于产生过电压的大小与转差率成正比，50%转速时转子励磁绕组中的感应电压只是启动瞬间转子感应电压的一半，已经达到安全电压，同时可以彻底消除负序转矩t-对电动机后半段启动的阻转矩影响。使启动升速的整个过程更平稳、快速；并且也可避免绕组过热烧坏引起的安全事故。

结语

通过对同步电动机全压异步启动过程的分析，本文提出在半同步转速处断开励磁绕组的附加短接电阻，具有如下优点：

励磁绕组开路后，可以彻底消除负序转矩t-在大于半同步转速后对转子的制动作用，尤其是可以使得半速附近的合成转矩曲线的下凹消失，使得启动阶段加速过程更加快速、平稳。

消除了准同步转速时转子感应磁势对定子侧电流的影响，更有利于采用无转子位置传感器的定子电量法检测转子位子，实现准确投励。顺利牵入同步运行。

有利于保护附加电阻不因为过热而烧坏，并可以根据具体实际选择电阻阻值，实现更大的起动转矩，适用于带重载启动情况。