一、前言
无刷同步电动机由于没有滑环、碳刷等可能产生火花的环节，在化工、煤矿等具有爆炸性环境的场所有着较为广泛的应用。此外，由于去掉了碳刷等易损元件，大大提高了电机的整体可靠性，在一些要求持续长时间高可靠性运行的场合也有着不少的应用。近年来随着节能观念的推广，大量的无刷同步电动机将面临变频改造。
由于无刷同步电动机固有的技术特点，在变频调速运行时，同步电机遇到的弱磁投励、电机进相运行、变频器-励磁器协同控制等问题一直制约着无刷同步电动机的变频应用。
本文基于无刷同步电动机的结构和原理，对无刷同步电动机在变频运行中所遇到的各种问题进行了详细的分析，并根据理论分析和仿真试验的结果对这些问题提出适当解决方法，使变频器能够驱动无刷同步电动机的可靠、经济地调速运行。
二、无刷同步电动机的结构与工频运行过程
1. 无刷同步电动机的结构
无刷同步电动机的结构如图1所示
图1 无刷同步电动机结构
图中：1为滑动轴承，2为无刷同步电动机绕组，3为冷却器，4为旋转整流器，5为励磁发电机。
2.无刷同步电动机励磁系统结构
无刷同步电动机励磁系统结构如图2所示，其中励磁发电机与同步电动机同轴转动。
图2 无刷同步电动机励磁系统结构
其中，旋转整流器负责电机起动过程灭磁与投励逻辑，其内部结构如图3所示。电机起动时，旋转整流器控制灭磁晶闸管T4将灭磁电阻RF连接至无刷同步电动机的转子励磁绕组上，以提供较大的起动转矩，降低励磁绕组端电压，此时整流晶闸管T1 ～ T3截止；当电机到达亚同步速且满足准角条件时，控制器触发整流晶闸管T1 ～ T3，将励磁发电机的电枢电压整流后加在同步电动机的励磁绕组上，为同步电动机提供持续的励磁电流，同时关断灭磁晶闸管T4。此时，旋转整流器等效于三相二极管不控整流器。
图3 旋转整流器结构
3. 无刷同步电动机的工频稳态运行
无刷同步电动机在工频稳态运行时，励磁器向励磁发电机的定子励磁绕组通以适当的励磁电流，在励磁发电机的转子电枢绕组端部感应出三相交流电压，由旋转整流器（等效于二极管整流器）整流成直流电压，施加在无刷同步电动机的转子励磁绕组上，为其提供持续的励磁电流。
根据励磁发电机的物理特性，其输出的电枢电压近似于电机转速和励磁发电机励磁电流的乘积成正比，因此励磁器可以通过调节晶闸管的触发角，调节励磁发电机的定子励磁电流，达到调节无刷同步电动机的转子励磁电流的目的。
4. 无刷同步电动机的工频起动投励过程
无刷同步电动机的工频起动投励过程如图4所示：
图4 无刷同步电动机工频起动过程
工频起动时，首先高压断路器合闸，旋转整流器的灭磁部分电路根据同步电动机励磁绕组上的感应电压将灭磁电阻连接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机逐渐加速。
高压断路器合闸后，励磁器触发晶闸管，向励磁发电机的定子励磁绕组通以一定的励磁电流。随着电机转速的升高，励磁发电机的转子电枢绕组电压逐渐升高，当其高于旋转整流器的最低工作电压后，由其供电的旋转整流器控制器上电，旋转整流器监测同步电动机励磁绕组上的感应电压，当其周期大于预设值（表示同步电动机已到达亚同步速）且到达反向过零点时，触发整流晶闸管，关断灭磁晶闸管，将励磁发电机的转子电枢电压整流后加在同步电动机的励磁绕组上，完成投励。
电机经过短暂的整步过程后进入稳定的同步运行状态，电机起动过程完成。
5.无刷同步电动机的工频停机过程
工频停机时，断开高压断路器，同时励磁器调节晶闸管的触发角至有源逆变区，将励磁发电机的定子励磁电流迅速降至零，励磁发电机的转子电枢绕组电压迅速下降，当其小于旋转整流器的最低工作电压时，旋转整流器控制电掉电，其整流晶闸管截止，续流二极管将灭磁电阻连接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机的励磁电流迅速下降至零。同步电动机在负载和阻力转矩等的作用下逐渐停稳。
点通
