无刷同步电机
清华大学学报自然科学版９９０７０３页码，１／６
清华大学学报自然科学版
JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY
SCIENCE AND TECHNOLOGY
１９９９年 第３９卷 第７期？ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．７
１９９９
无刷励磁同步电动机起动的研究
王祥珩， 盛 超， 王亦婷
文 摘 为了研究采用新型投励装置时同步电动机的起动性能，应用多回
路理论建立了同步电机在相坐标下的数学模型。并编制相应的计算程序。通过数
字的仿真，研究了电机参数尤其是阻尼参数对同步电动机起动性能的影响。其结
论可用来改善同步电动机的起动性能，为无刷励磁同步电动机及其投励装置的设
计提供依据。
关键词 无刷励磁； 同步电动机； 多回路理论； 起动
分类号 ＴＭ ３４１
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ
ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇｈａｎｇ， ＳＨＥＮ Ｃｈａｏ， ＷＡＮＧ Ｙｉｔｉｎｇ
Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００８４， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ
ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ ｎｅｗ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｕｎｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ
ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎ ｐｈａｓｅ ｓｐａｃｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ
ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ－ｌｏｏｐ ｔｈｅｏｒｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｃｏｍｐｉｌｅｄ．
Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ
ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ， ａｎｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ
ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｕｎｉｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｅｘｃｉｔｉｎｇ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ； ｍｕｌｔｉ－ｌｏｏｐ
ｔｈｅｏｒｙ； ｓｔａｒｔｉｎｇ
传统的同步电动机励磁电流是由炭刷、滑环引入转子励磁绕组的。随着电力
电子技术的发展和电力电子器件可靠性的提高，无刷励磁技术在同步电动机上的
应用越来越广泛，无刷励磁同步电动机有着良好的发展前景。［１］
１ 无刷励磁同步电动机的新型投励装置
起动是同步电动机的特殊问题。同步电动机一般采用异步起动，起动过程中
其转子阻尼笼中感应电流，产生起动转矩。到达亚同步速（一般为同步速的９５％左
右）后，给转子励磁绕组加上直流励磁（称为投励），电机即牵入同步运行。
同步电动机在起动过程中其励磁绕组通常串联一定数值的电阻（一般是５至１０
倍励磁绕组电阻）短接，以限制励磁绕组的感应过电压和单轴转矩。投励后，励
磁绕组串联的起动电阻即被切除。投励装置的作用就是在起动过程中将励磁绕组
通过电阻短接，在投励后将电阻切除。
无刷励磁同步电动机的投励装置是随电机转子一起旋转的，有自己的特殊要
求。
本文对我国原有的投励装置进行了简化和改进，提出了同步电动机无刷励磁
时的一种新型投励装置，如图１所示。 图１ 新型投励装置电路图
下面简单说明图１电路中各部分的作用。
图１中晶闸管ＳＣＲ１，ＳＣＲ２和Ｄ７在起动过程（投励前）分别完成励磁绕组正反向
的续流，使之通过电阻Ｒ１和Ｒ２短接，从而限制过电压。ＳＣＲ４使得投励前整流桥和
励磁绕组无法接通。 ＳＣＲ１和ＳＣＲ２的开通电压应该这样整定：保证电机同步运行
时励磁电压不会使这两个管子导通，而起动时励磁绕组感应电压较高时导通，从
而限制起动时励磁绕组过电压。熄灭线的作用是使晶闸管ＳＣＲ１和ＳＣＲ２在投励后及
时关断。
晶闸管ＳＣＲ３的引入使得顺极性投励得以简便地实现。当投励瞬间励磁绕组中
感应电流的方向是从Ｇ２到Ｇ１时（这时Ｇ１点的电位高于Ｇ２点），ＳＣＲ３的门极和阴极间
承受反压，因而处于关断状态，外加励磁电压不会加在励磁绕组上。而当投励瞬
间励磁绕组中感应电流的方向是从Ｇ１到Ｇ２时（这时Ｇ２点的电位高于Ｇ１点），ＳＣＲ３处
于导通状态，外加励磁电压加在励磁绕组上，从而完成顺极性投励。
根据不同的情况和需要，图１的电路可进行简单的变通和修改。主要有以下
几种情况。
１） 图１的全电路（包括点线所示的Ｄ７和ＳＣＲ４）可以在起动过程中励磁绕组感应
电流正、反向时均串入起动电阻Ｒ１和Ｒ２，以限制励磁绕组感应过电压并减小单轴
转矩，同时又可实现顺极性投励。
２） 为了简化电路结构可将Ｄ７和ＳＣＲ４去掉。这时Ｄ７的续流作用由整流桥完
成，而在整流桥续流时励磁绕组感应电流不再通过起动电阻Ｒ１和Ｒ２。这样会导致
单轴转矩的增加。故只能在无载或轻载起动时采用，并需经过校核。
３） 如果同步电动机起动时允许励磁绕组直接短接，即单轴转矩不会严重影
响电机的起动过程时，这时可将图１电路中的Ｄ１，ＳＣＲ４，Ｒ１和Ｒ２都去掉，电路可
较大地简化。当然这也要经过校核。
在一台实验电机上对图１的新型投励装置进行了实验验证。这是一台反装式
实验电机，其电枢在转子上，磁极在定子上，因而其无刷励磁装置也是静止的，
便于实验和测量。同时也便于测量阻尼绕组电流和对阻尼绕组进行改装。
２ 同步电机的多回路数学模型
为了研究无刷励磁同步电动机的起动性能，建立了它的数学模型。当采用新
型投励装置时，按照起动过程励磁绕组所串投励装置的工作情况，有三种可能的
起动状态：在励磁绕组感应电流的正负两个半周期，起动电阻Ｒ１和Ｒ２均工作（称
为全周期串电阻）；仅在励磁绕组感应电流的半个周期串起动电阻，另外半个周
期直接短路（称半周期串电阻）；励磁绕组在起动过程中直接短路。为了研究这几
种起动状态，采用了电机的多回路模型，而不是传统的ｄ，ｑ模型。
电机的多回路模型的特点是按照电机回路的实际连接情况列写方程和计算参
数，因而其应用更灵活。由于电机定子和转子间有相对运动，所以电机各回路的
电感参数大部分是时变的。
采用气隙磁导分析法计算参数［２，３］。将铁芯磁阻归算到气隙中以考虑铁
芯对参数的影响，齿谐波磁场对阻尼绕组电流波形影响较大，而阻尼绕组在同步
电动机起动过程中发挥着重要的作用，因此建立数学模型时考虑了齿谐波磁导对
电感参数的影响。
同步电机的多回路电压方程为
（１）
式中：Ｕ和Ｉ中的元素为各回路电压和电流，Ｌ和Ｒ为其电感和电阻矩阵。
同步电机三相绕组对称，ｉａ＋ｉｂ＋ｉｃ＝０，因此定子电流只有两个变量独立。选
ｉａ，ｉｂ为独立变量，变换方程（１）以消去ｉｃ，得到变换后的电压方程为
（２）
式中：Ｕ′＝［ｕａｄ，ｕｂｃ，ｕｆｄ，ｕ１ｄ，…，ｕｍｄ，ｕ１ｑ，…，ｕｎｑ］，
Ｉ′＝［ｉａ，ｉｂ，ｉｆｄ，ｉ１ｄ，…，ｉｍｄ，ｉ１ｑ，…，ｉｎｑ］，
Ｌ′和Ｒ′为经过变换后的电感和电阻矩阵，脚标ｌｄ，…， ｍｄ为ｄ轴第１到第
ｍ个阻尼回路，１ｑ…，ｎｑ为ｑ轴第１到第ｎ个阻尼回路。
选电流为状态变量对式（２）进行变换，最后可得同步电机的状态方程为
（３）
式中：Ａｔ，Ｂｔ为时变矩阵。
电机的电磁转矩为
（４）
式中：Ｐ为极对数，θ为转子位置角（电角度）。
电机的运动方程为
（５）
式中：ＴＬ为负载转矩，Ｈ为惯性常数，ωｒ为电机角速度。
式（３～５）构成了同步电机的多回路数学模型。
无刷励磁同步电动机与一般同步电机在数学模型上的差别仅在于其励磁绕组
接有投励电路。考虑了投励电路后，就可得到无刷励磁同步电动机的数学模型。３ 无刷励磁同步电动机的起动过程仿真及其实验验证
按照式（３）用四阶Ｌｏｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法求出各回路电流的数值解，然后用式（４）求
得电磁转矩，再通过运动方程（５）计算出转速的变化，进而得到下一步的转速。
重复上述过程，就可得到整个起动过程的仿真结果。
应该指出，在用四阶Ｌｏｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法求解的过程里，每一步长的计算中均可
认为机械量转速是不变的，但电量的变化却不能忽略。因此仿真计算每前进一小
步都需要重新生成矩阵Ａｔ，Ｂｔ，否则会导致较大的误差。
根据上述原理，用Ｃ语言编制了无刷励磁同步电动机起动的仿真程序。对一
台额定功率
３．２ｋＷ，额定电压４２５Ｖ，额定电流５．４Ａ，额定转速１０００ｒ／ｍｉｎ，反装的转枢式凸极
同步电动机进行了起动过程的仿真和实验。下面给出部分的仿真和实验结果，以
资比较。
图２为该实验电机在半同步速附近时的全周期串电阻起动励磁绕组电量波
形。比较图２（ａ）和２（ｂ）时应注意到，励磁绕组端电压的正方向是上正下负（即图１
中Ｇ１为高电位，Ｇ２为低电位），励磁绕组电流的正方向与之一致，即从Ｇ１指向
Ｇ２。但起动过程中励磁绕组感应电压和电流的实际方向却是相反的。图２（ｂ）的电
流负半周开始段，对应于图２（ａ）的电压正半周开始段，正是投励装置晶闸管ＳＣＲ
桥导通的过程，因此电流有一小段为零的时间；而相应的电压正半周的前段脉
冲，也正反映了这一过程。电压正半周的后段脉冲则是晶闸管ＳＣＲ１、ＳＣＲ２中电流
小于其维持电流时，晶闸管关断时引起的励磁绕组两端的开路感应电压。图２（ｂ）
的电流正半周对应于图２（ａ）的电压负半周，则是二极管Ｄ７导通的过程。
（ａ） 励磁绕组端电压实验波形
（ｂ） 励磁绕组电流仿真波形
图２ 全周期串电阻起动时励磁绕组电量波形
由图２（ａ）实测所得励磁感应电压和励磁绕组串联电阻９４Ω，可得电流值，与
图２（ｂ）的励磁感应电流仿真值相比，误差在１０％以内。两者的波形周期也吻合得
很好。
阻尼绕组对改善同步电动机的起动性能十分重要，因而有必要测量阻尼绕组
的实际电流。转枢式同步机的阻尼绕组在定子上，为测量其电流提供了方便。实
际测量时将以钴镍－６０为铁芯的测量线圈套在阻尼条上。其输出信号经过第一级
运算放大器，再经过第二级运算放大器组成的积分电路，最后得到反映阻尼条电
流的信号。
记录了实验电机起动过程中的第１和第２号阻尼条的电流实验波形，并进行了
相应的仿真研究，两者结果基本相符。
通过仿真与实验结果的比较可见，本文提出的无刷励磁同步电动机起动的数
学模型和仿真程序是正确的。４ 转子绕组参数对无刷励磁同步电动机起动性能的影响
图３是３．２ｋＷ实验电机在全周期串电阻（串入电阻５ｒｆｄ）起动时的转矩Ｔ—相对
转速ｎ′曲线，该仿真曲线与文［４］所研究的异步电机起动时的Ｔ—Ｓ曲线有一定
的相似之处，两者均有转矩脉动，并且在牵入同步时有转速转矩的振荡现象。两
者的区别在于凸极同步电动机有励磁绕组，而且气隙不均匀，所以同步电动机有
单轴转矩，且在转速较高时仍有脉振转矩存在。
虚线为转矩的平均值
图３ 全周期串电阻时的转矩—转速仿真曲线
图４所示为仿真得到的该电机在全周期串电阻时励磁绕组串入不同电阻的情
况。由图可见，增加励磁绕组串入的电阻值能减小单轴转矩，从而提升半同步速
附近的转矩极小值。
——串入电阻５ｒｆｄ； －－－－－－串入电阻１０ｒｆｄ
图４ 全周期串电阻起动励磁绕组串入不同电阻时的转矩一转速曲线
仿真表明，励磁绕组半周期串电阻（另一半周期直接短路）相对于全周期串电
阻来说，其转矩—转速曲线在整体上有所下降，即起动性能变差。因此若为了简
化投励装置而采用半电阻起动方式，则必须结合负载要求对其起动性能进行校
核。
仿真研究还表明，半周期串电阻时加大励磁绕组串入的电阻值，对起动性能
的改善不大。
图４的转矩—转速曲线经过了平均处理，基本上略去了脉振转矩，以利于比
较。以下各图也经过平均处理。阻尼绕组参数对同步电动机的起动性能影响较
大，下面针对阻尼绕组电阻较大和较小两种情况进行仿真研究。
对阻尼绕组电阻较大的同步电动机，减小阻尼绕组电阻可以比较有效地提高
半同步速附近的转矩极小值，如图５所示。图中给出了对阻尼绕组电阻较大的电
机在全周期串电阻起动时，励磁绕组附加电阻为５ｒｆｄ情况下，不同阻尼绕组电阻
下的转矩—转速曲线。
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——阻尼绕组电阻不变
－－－－－－阻尼绕组电阻变为原来的０．５倍
图５ 转矩—转速曲线
对阻尼绕组电阻较小的同步电动机，再减小阻尼绕组电阻，不但不能提高半
同步速附近的转矩极小值，反而会使转矩曲线变坏。这两种不同的趋势从转子绕
组电阻对异步电机机械特性的影响分析中不难理解。
仿真研究还表明，当同步电动机的阻尼绕组电阻较小时，减小阻尼绕组漏抗
对改善起动性能也是有好处的。
同步电动机励磁绕组直接短路，其起动性能差，单轴转矩较大。对３．２ｋＷ实
验电机来说，励磁绕组直接短路起动时电机将不能通过半同步速附近的转矩最低
点。但有的同步电动机阻尼绕组产生的转矩较高，而且该转矩的极大值在半同步
速附近，则有可能在电机无载或轻载情况下顺利起动。当然这需要进行认真的校
核。
５ 结 论
对于采用本文所提出的新型投励装置的无刷励磁同步电动机，建立了它起动
时的数学模型，编制了相应的计算程序。对一台转枢式实验电机的起动性能进行
了仿真和实验研究，两者结果基本相符。针对励磁绕组串电阻方式和阻尼绕组参
数变化等不同情况，通过仿真分析了同步电动机的起动性能。根据不同的条件和
需要，对无刷励磁同步电动机应采取不同的措施。
第一作者：男， １９４０年生， 教授
作者单位：清华大学 电机工程与应用电子技术系， 北京 １０００８４
参考文献
１ 刘忠源． 同步电机可控硅励磁系统． 北京：水利电力出版社，１９９２
２ 高景德，王祥珩． 李发海． 交流电机及其系统的分析． 北京：清华大学出
版社，１９９３
３ 王祥珩． 多支路同步电机无载时定子内部故障分析． 中国电机工程学报，
１９８７，５： １～１１
４ 高景德，张麟征，黄立培． 异步电机起动过程的研究． 电工技术，１９８４，
１：１～６
收稿日期：１９９８－０８－１３