同步电动机励磁知识简介

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1、* 17重庆中鼎电气有限公司一、基本知识1.1同步电动机起动方式 同步电动机起动方式主要有异步起动和变频起动。变频起 动需一套专用调频 电源，技术复杂且设备成本高，主要用于负 载及转动惯量都很大的大容量高速同 步电动机，国内钢厂有几 套进口变频起动装置，其它行业一般不使用。异步起动 是同步 电动机常用的起动方式，视供用电系统容量采用全压起动或降压起动，降 压起动分为电抗器降压和自耦变压器降压。图 1-1 电抗器降压起动 图 1-2 自耦变压器降压起动1.1.1 电抗器降压起动图 1-1 为采用电抗器降压起动主接线及投全压开关合闸 控制回路示意图。 电抗器降压时施加于电机端电压电流降低的 同时起

2、动力矩相应降低较大，适用于 系统容量小不允许直接全 压起动且对起动力矩要求不高的机组，如供电系统容量 小但又 要求起动力矩大的场合，需采用自耦变压器降压起动。电抗器降压起动 时，合1DL,机组转速加速至投全压滑差时（约0.9Ne），励磁装置投全压继电器 JQY 动作，控制 2DL 合闸，将 母线电压直接施加于电机定子。1.1.2 自耦变压器降压起动图 1-2 示自耦变压器降压起动主接线及控制回路，两者都 较电抗器降压起 动复杂。励磁装置投全压继电器 JQY 需控制2DL 跳闸及 3DL 合闸，操作顺序为 1DL 合闸-2DL 合闸-JQY 动作跳 2DL，合 3DL。不论全压起动还是降压起动，

3、机组起动时间长短与起动时 机端电压及负载等有关，从励磁装置读写控制器上读出的机组 各次起动时间 有些差异属正常。1.2 同步电动机无功调节特性 同步电动机正常运行时需从电网吸收有功，吸收有功功率 大小取决于所带负 载及电机本身有功损耗。同步电动机无功决 定于励磁装置输出励磁电流，过励 （超前）运行时，同步电动 机向电网发无功；欠励（滞后）运行时，从电网吸收 无功；正 常励磁运行时，既不发无功，又不吸收无功，对应功率因数cose =1。 同步电动机 V 形曲线是指电机定子电流 I 和励磁电流 If 的关系曲线，见图 1- 3。同步电动机 V 形曲线图表 明，功率因数为 1 运行时，定子 电流最小

4、，在此基础上增/ 减磁， 定子电流都将增加，增磁时功率 因 数超前运行，减磁时功率因数 滞后运行。利 用同步电动机 V 形 曲线这一特点，在 励磁 装置投闭环之前，可以检查接入励磁装置用 于测取功率因 数的 PT 及 cT 外部接线是否 正确。图 1-3 同步电动机 V 形曲线 利用同步电动机的无功调节特性，工业现场实际运行时， 同步电动机工作在 超前状态，可以就地补偿异步电机所需无 功。1.3 同步电动机运行稳定性 同步电动机正常运行时，由从电网吸收的电磁功率 Pem 与 负载功率 Pf 维持 动态平衡，电网电压及负载在正常波动范围 内时，同步电动机都不会滑出同步而 失步，这由其功角特性决

5、定，如图 1-4 所示。图1-4 功角特性曲线功角特性：负载突增而电压不变时，负载功率p往上移，如无闭环调节，电磁功率曲线 Pem不变，运行功角6增大，6 $90。时，电机将失去同步；有闭环调节时，曲线 Pem同时上移，运行功角6保持相对恒定，电机稳定性增加。电压突降而负载不变时，如无闭环调节，因励磁装置 380V 励磁电源（取自电 机同段母线）同时下降，励磁电势 E 近似与 电压成正比下降，故电磁功率曲线 Pem 近似与机端电压 Ud 平 方成正比下降，运行功角6 增大,电机稳定裕度大大减 小；如 采用闭环调节， Ud 下降 的同时励磁电势 E 加大， Pem 基本不 变，电机 稳定性增加。

6、1. 4 同步电动机的失步危害及措施同步电动机在正常运行时，其转速与电网频率严格对应（n = 60f/p），转子 磁场和定子旋转磁场严格同步，这种严格的对 应和同步关系是以转轴上转矩平衡为 基础的。来自电网、负载 等多种扰动一旦破坏转矩平衡关系，依靠电机的一定调节 能 力，以功角6 相应变化自动地调节电磁转矩大小，以抵消各种 扰动引起的不平 衡，使转轴上的转矩关系处于动态平衡。电机 的这种调节能力有一定限度，当扰动 超过一定限度时，就会导 致电机失步。按失步原因及性质不同，可分为三种类型：即带励失步、 失磁失步和断电失步。 带励失步一般由相邻出线端头短路故障、附近大型机组起动或自起动引起母线电

7、压较长时间较大幅度的降低，电动机所带负载的大幅度增加以及起动过程中励磁系 统过早投励等原因所引起。带励失步对电动机所造成的危害 主要是脉振转矩较长 时间的反复作用，使电动机在绕组的端部 和端部绑线、转子线圈的接头处、电动 机轴和联轴器等部位承 受正负交变的扭矩，影响机械强度和使用寿命，甚至造成 设备 的损坏。由于振荡转矩按转差频率脉振，电动机的电流、电压、 功率等物理 量会强烈振荡，在一定条件下可能引起电气和机械 共振，导致事故扩大。失磁失步因转子绕组匝间短路，励磁电源短暂中断、励磁 系统设备故障等引 起。同步电动机失磁异步运行时，由于定子 过电流不大，约 1.2 倍额定电流，电 动机出力不减

8、，运行无异 常声音和振动，不易被值班人员发现，导致长时间失磁 运行， 引起转子绕组尤其是阻尼绕组的过热、开焊、甚至烧毁。断电失步是由于供电系统故障及人为切换电源引起，如输 电线路的自动重合 闸动作、备用电源自动投入等；由于电源中 断后重新投入的瞬间，电网电压矢量 与机端感应电压矢量的相 位关系存在随机性，两矢量相位差在 180时对电机冲 击最大。 断电失步对电机主要危害在于电源重新恢复瞬间使电机遭受 巨大的冲击 电流和冲击转矩。电机出现失步后，转子回路的物理量能反映出来，因此励 磁装置应设有完备 的失步检测环节，一旦检测出失步应根据情 况分类处理，因电机本身故障引起的 失步应跳闸停机，对非电

9、机本身引起的失步，如外部条件许可，则应实施自动再 整步。 同步电动机自动再整步即在检测到失步后熄灭转子磁场，将电 机暂时转入 异步运行，在适当滑差时重新投入励磁将电机牵入 同步运行。1.5 三相桥式全控整流电路1.5.1三相桥式全控整流 在三相桥式全控整流 阴极组和共阳级组是同时 控制的，控制角都是a 。- 下面将结合图： 电路，分析三相桥式 控整流电路工作的 过程。三相全控桥式整流电路 在习惯上希 望 三 相 全 桥 的六 个 晶闸管触 发的 是123456，晶闸 这样编号的：电路 电路中，对共 进行T1和T4接a相，T3和T6 相，T5和T2接c相。T1、 T5 组成共阴极组， T2、T4

10、、 成共阳极组，如图1-5所示。 搞清楚a变化时各晶闸 导 通 规律，分析输出波形的1-5全物理图1-5控顺序管是接bT3、T6 组 为了 管的 变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析a = 0。的情况，也就 是在自然换相 点 触 发 换相时的情况。图1-6是波形，为了分析方便起见，把一个周期等分6段。在 第(1)段期间，a相电位最高，因而共阴极组的T1被触发导通，b相电位最低，所以 共阳极组的T6被触发导通。这是电图1-6感性负载，a =0时波形图流由a相经T1流向负载，再经Tb流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相 电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为：Ud=

11、Ua-Ub=Uabo经 过60。后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，T1继续导通，但是c相电位却 变成最低，当经过自然换相点时触发c相T2,电流即从b相 换到c相,T6承受反向电压 而关断。这时电流由a相出经T1、负载、T2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这 时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为：Ud=UaUc=Uac。再经过 60，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触 发导通T3,电流即从a相换到b相，c相T2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器 b、c两相工作，在负载上的电压为：Ud=Ub-Uc=Ubco余依次类推。在第(4)段时期 内

12、，T3、T4导通，变压器b、a两相工作。在第(5)段时期内，T4、T5导通，变压 器c、a两相工作。在第(6)段时期内，T5、T6导通，变压器c、b两 相工作， 再下去又重复上述过程。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是：6 1 1 22 3344556由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：(1) 三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸 管导通，而且这两个 晶闸管一个是共阴极组的，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成 导电回路。(2) 三相桥式全控整流电路对于共阴极组触发脉冲的要求是保证T1、T3和T5依 次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120

13、对于 共阳极组触发脉冲的要 求是保证T2、T4和T6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120 。在 电感负载情况下，每个晶闸管导通120 。(3) 由于共阴极的晶闸管在正半周触发，共阳极组在负半周触发，因此接在同一 相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180 o例如接在a相的T1和T4，接在 b相的T3和T6，接c相的T5和T2，它们之间触发脉冲的相位差都是180(4) 三相桥式全控整流电 60有一个晶闸管要换流， 晶闸管换流到下一号晶闸管。 T2换流到T2、T3。因此每隔 发一个晶闸管，触发脉冲的 234561，依次 邻两脉冲的相位差是图1-3所示。bE43I4062土623d)

14、2双窄 脉冲M 宽脉冲C)路每隔 由上一 号 例如由T1、 60要触 顺序是： 1 下去。相 60，如闸后，共阴 晶闸管导 次导通，必 闸管同(5) 为了保证在整流器合 极组和共阳极组应各有一个 电，或者由于电流断续后能再 须对两组中应导通的一对晶时 有 触 发 脉冲。为了达到这个目 的，可以采取两种办 法；一种是使每个触 发脉冲的宽度大于60 （必须小于120 ） 一般取80100 ,称为宽 脉冲触 发。另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个触发 脉冲，相 当于用两个窄脉冲等效 地代替大于60的宽脉冲。这种方法称 双脉冲触发。这两种触发方式均示于图1-7中。例如当要求T1导

15、通时，除了给T1 发出触发脉冲外，还要同时给T6发一个触 发脉冲。欲触发T2时，必须给T1同时 发出一图1-7 触发脉冲个脉冲等。因此 用双脉冲触发，在一个周期内对每个晶闸管须要连续触发两 次，两次脉冲中间间隔为 60。双脉冲触发的电路，因为有 补入和输出的要 求，比较复杂，但它可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积。用 宽脉冲触发，虽然脉冲数目减少一半，为了不使脉冲变压器饱和，其铁芯体积要做 得大些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲的前沿不够陡（这对晶闸管多串 多并时是很不利的），增加去磁绕组可以改善这一情况，但又使装置复杂化。所以通 常多采用双脉冲触发控制。（6）整流输出的电压，也就是负载上的电压。它属于变压 器二次的线电压。图 1-7a中的电压波形都是相对于变压器零点而言的相电压波形。三相全控桥计算控制 角a的起点仍然是相电压的交点。整流输出的电压应该是两相电压相减后的波 形，实际上都属于线电压，波头uab、uac、ubc、uba、uca和ucb均 为线电压的一 部份，是上述线电压的包络线。相电压的交点与 线电压的交点在同一角度位置上，故 线电压的交点同样是自然 换相点，同时亦可看出，三相桥式全控整流电压在一个周 期内 脉动六次，脉动频率为6 X 50Hz=300Hz。（7）晶闸管所承受的电压波形示于图形1-6d。三相