同步電動機勵磁知識簡介

1、培訓手重慶中鼎電氣有限公司一、基本知識1.1同步電動機起動方式同步電動機起動方式主要有異步起動和變頻起動。變頻起動需一套專用調(diào)頻電源，技術(shù)復雜且設備成本高，主要用于負載及轉(zhuǎn)動慣量都很大的大容量高速同步電動機，國內(nèi)鋼廠有幾 套進口變頻起動裝置，其它行業(yè)一般不使用。異步起動是同步電動機常用的起動方式，視供用電系統(tǒng)容量采用全壓起動或降壓起動，降壓起動分為電抗器降壓和自耦 變壓器降壓。圖1-1電抗器降壓起動圖1-2自耦變壓器降壓起動1.1.1電抗器降壓起動圖1-1為采用電抗器降壓起動主接線及投全壓開關(guān)合閘控制回路示意圖。電抗器降壓時施加于電機端電壓電流降低的同時起動力矩相應降低較大，適用于系統(tǒng)容量小不

2、允許直接全 壓起動且對起動力矩要求不高的機組，如供電系統(tǒng)容量小但又要求起動力矩大的場合，需采用自耦變壓器降壓起動。電抗器降壓起動時，合1DL，機組轉(zhuǎn)速加速至投 全壓滑差時（約0.9Ne），勵磁裝置投全壓繼電器 JQY動作，控制2DL合閘，將 母線電 壓直接施加于電機定子。1.1.2 自耦變壓器降壓起動圖 1-2 示自耦變壓器降壓起動主接線及控制回路，兩者都 較電抗器降壓起動復 雜。勵磁裝置投全壓繼電器 JQY 需控制2DL 跳閘及 3DL 合閘，操作順序為 1DL 合閘-2DL 合閘-JQY 動作跳 2DL， 合 3DL。不論全壓起動還是降壓起動，機組起動時間長短與起動時機端電壓及負載等有關(guān)，

3、從勵磁裝置讀寫控制器上讀出的機組 各次起動時間有些 差異屬正常。1.2 同步電動機無功調(diào)節(jié)特性同步電動機正常運行時需從電網(wǎng)吸收有功，吸收有功功率 大小取決于所帶負載及電 機本身有功損耗。同步電動機無功決 定于勵磁裝置輸出勵磁電流，過勵（超前）運行 時，同步電動 機向電網(wǎng)發(fā)無功；欠勵（滯后）運行時，從電網(wǎng)吸收無功；正 常勵磁運行 時，既不發(fā)無功，又不吸收無功，對應功率因數(shù)COS= 1。同步電動機V形曲線是指電機定子電流 I 和勵磁電流 If 的關(guān)系曲線，見圖 1-3 。同步電動機 V 形曲線圖表 明，功率因數(shù)為 1 運 行時，定子 電流最小，在此基礎上增 / 減磁， 定 子電流都將增加，增磁時功

4、率 因數(shù)超前運行，減 磁時功率因數(shù) 滯后運行。利用同步電動機 V 形 曲線這一特點，在 勵磁裝置投閉環(huán)之前，可以檢 查接入勵磁裝置用于測取功率因 數(shù)的 PT 及 CT 外部接線是否正確。圖 1-3 同步電動機 V 形曲線利用同步電動機的無功調(diào)節(jié)特性，工業(yè)現(xiàn)場實際運行時， 同步電動機工作在超前狀 態(tài)，可以就地補償異步電機所需無 功。1.3 同步電動機運行穩(wěn)定性同步電動機正常運行時，由從電網(wǎng)吸收的電磁功率 Pem 與 負載功率 Pf 維持動態(tài)平 衡，電網(wǎng)電壓及負載在正常波動范圍 內(nèi)時，同步電動機都不會滑出同步而失步，這由其 功角特性決 定，如圖 1-4 所示。圖 1-4 功角特性曲線功角特性：負載

5、突增而電壓不變時，負載功率 P 往上移，如無閉環(huán)調(diào)節(jié)，電磁功率曲線 Pem 不 變，運行功角S增大，390時，電機將失去同步；有閉環(huán)調(diào)節(jié)時，曲線 Pem同時上 移，運行功角S保持相對恒定，電機穩(wěn)定性增加。電壓突降而負載不變時，如無閉環(huán)調(diào)節(jié)，因勵磁裝置 380V 勵磁電源（取自電機同段 母線）同時下降，勵磁電勢 E 近似與 電壓成正比下降，故電磁功率曲線 Pem 近似與機 端電壓 Ud 平 方成正比下降，運行功角3增大 , 電機穩(wěn)定裕度大大減小；如 采用閉環(huán)調(diào) 節(jié)， Ud 下降 的同時勵磁電勢 E 加大， Pem 基本不 變，電機穩(wěn)定性增加。1. 4 同步電動機的失步危害及措施定子旋轉(zhuǎn)磁場嚴格同

6、步，這種嚴格的對 應和同步關(guān)系是以轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)矩平衡為基礎的。來 自電網(wǎng)、負載 等多種擾動一旦破壞轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，依靠電機的一定調(diào)節(jié)能力，以功角S相應變化自動地調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩大小，以抵消各種 擾動引起的不平衡，使轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩關(guān) 系處于動態(tài)平衡。電機 的這種調(diào)節(jié)能力有一定限度，當擾動超過一定限度時，就會導 致 電機失步。按失步原因及性質(zhì)不同，可分為三種類型：即帶勵失步、 失磁失步和斷電失步。帶勵失 步一般由相鄰出線端頭短路故障、附近大型機組起動或自起動引起母線電壓較長時間較 大幅度的降低，電動機所帶負載的大幅度增加以及起動過程中勵磁系統(tǒng)過早投勵等原因所 引起。帶勵失步對電動機所造成的危害 主要是脈振轉(zhuǎn)矩

7、較長時間的反復作用，使電動機 在繞組的端部 和端部綁線、轉(zhuǎn)子線圈的接頭處、電動機軸和聯(lián)軸器等部位承 受正負交變 的扭矩，影響機械強度和使用壽命，甚至造成設備 的損壞。由于振蕩轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)差頻率脈 振，電動機的電流、電壓、 功率等物理量會強烈振蕩，在一定條件下可能引起電氣和機 械 共振，導致事故擴大。失磁失步因轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，勵磁電源短暫中斷、勵磁 系統(tǒng)設備故障等引起。同 步電動機失磁異步運行時，由于定子 過電流不大，約 1.2 倍額定電流，電動機出力不 減，運行無異 常聲音和振動，不易被值班人員發(fā)現(xiàn)，導致長時間失磁運行， 引起轉(zhuǎn)子繞 組尤其是阻尼繞組的過熱、開焊、甚至燒毀。斷電失步是由于供電系統(tǒng)

8、故障及人為切換電源引起，如輸 電線路的自動重合閘動 作、備用電源自動投入等；由于電源中 斷后重新投入的瞬間，電網(wǎng)電壓矢量與機端感應 電壓矢量的相 位關(guān)系存在隨機性，兩矢量相位差在 180時對電機沖擊最大。 斷電失步 對電機主要危害在于電源重新恢復瞬間使電機遭受 巨大的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩路路中，時進行電路，T1和T4接a相，T3和T6接bd)電機出現(xiàn)失步后，轉(zhuǎn)子回路的物理量能反映出來，因此勵磁裝置應設有完備的失步檢測環(huán)節(jié)，一旦檢測出失步應根據(jù)情 況分類處理，因電機本身故障引起的失步應跳閘停機，對非電 機本身引起的失步，如外部條件許可，貝U應實施自動再整步。同步電動機自動再整步即在檢測到失步后熄滅

9、轉(zhuǎn)子磁場，將電機暫時轉(zhuǎn)入異步運行，在適當滑差時重新投入勵磁將電機牽入 同步運行。1.5三相橋式全控整流電路1.5.1三相橋式全控整流電在三相橋式全控整流電對共陰極組和共陽級組是同控制的，控制角都是a。下面將結(jié)合圖1-5分析三相橋式全控整流電 路工作的物理過程。圖1-5三相全控橋式整流電路u)在習慣上希望三相全控橋的六個晶閘管觸發(fā)的順序是1 2- 3-4-5 6,晶閘管是這uab uae樣編號的：相，T5和T2接c相。T1、T3、T5組成共陰極組，T2、T4、T6組成共陽極組，如圖1-5所 示。為了搞清楚a變化時各晶閘管的導通規(guī)律，分析輸出波形的 變化規(guī)則，下面 研究幾個特殊控制角，先分析a=

10、0的情況，也就 是在自然換相點觸發(fā)換相時 的情況。圖1-6是波形，為了分析方便起見，把一個周期等分6段。在第（1）段期間，a相電位 最高，因而共陰極組的 T1 被觸發(fā)導通， b 相電位最低，所以共陽極組的 T6 被觸發(fā)導通。這 是電圖1-6感性負載，a= 0。時波形圖流由a相經(jīng)T1流向負載，再經(jīng)Tb流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為 正，共陽極組的b相電流為負。加在負載上的整流電壓為：Ud=Ua-Ub=UOb經(jīng)過60。后進 入第（2）段時期。這時a相電位仍然最高，T1繼續(xù)導通，但是c相電位卻變成最低，當經(jīng)過自 然換相點時觸發(fā)c相T2,電流即從b相 換到c相，6承受反向電壓而關(guān)

11、斷。這時電流由a相出 經(jīng)T1、負載、T2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負。 在負載上的電 壓為：Ud = Ua UcUaco再經(jīng)過60,進入第（3）段時期。這時b相電 位最高，共陰極組在經(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)導通T3,電流即從a相換到b相，c相T2因電位 仍然最低而繼續(xù)導通。此時變壓器b、c兩相工作，在負載上的電壓為：Ud=Ub-Uc=Ubo余依次類推。在第（4）段時期內(nèi)，T3、T4導通，變壓器b、a兩相工作。在第（5）段時期 內(nèi)，T4、T5導通，變壓器c、a兩相工作。在第（6）段時期內(nèi)，T5、T6導通，變壓器 c、b兩 相工作，再下去又重復上述過程。 總之，

12、三相橋式全控整流電路中，晶閘管導通 的順序是：6 1 1 22 33 44 5 5 6由上述三相橋式全控整流電路的工作過程可以看出：（1） 三相橋式全控整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘 管導通，而且這兩個晶閘 管一個是共陰極組的， 另一個是共陽極組的，只有它們能同時導通，才能形成導電回路三相橋式全控整流電路對于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證T1、T3和T5依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差應為120。對于 共陽極組觸發(fā)脈沖的要求是保證T2、T4和T6依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差也是120 。在電感負載情況下，每個晶閘管導通120 o(3) 由于共陰極的晶閘管在正半周觸發(fā)，共陽

13、極組在負半周觸發(fā)，因此接在同一相的兩 個晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位應該相 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,它們之間觸發(fā)脈沖的相位差都是180 。(4) 三相橋式全控整流電路每隔60。有一個晶閘管要換流，由上一 號晶閘管換流到下一號晶閘管。例如由T1、T2換流到T2、T3。因此每隔60。要觸發(fā)一個晶閘管，觸發(fā)脈沖 的順序是：1 234 56 1,依次下去。相鄰兩脈沖的相位差是60，如圖 1-3所示?；蛘哂捎?5) 為了保證在整流器合閘后，共陰極組和共陽極組應各有一個晶閘管導電,電流斷續(xù)后能再次導通，必須對兩應導通的一對晶閘管同時有發(fā)脈沖。為了達到這個

14、目的,采取兩種辦法；一種是使每個yA .AJ 1rqp廠$41 .13I5 丁 h!cire J240卩ITp卩卩卩l(xiāng)lFFPFIf叫般取80100 ,稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補發(fā)一個觸發(fā)脈沖，相 當于用兩個窄脈沖等效 地 代替 大于60 的寬脈沖這種方法稱 雙脈沖觸發(fā)。這兩種觸發(fā)方式均示于圖 1-7 中。例如當要求 T1 導通時，除了給 T1 發(fā)出觸發(fā)脈沖外， 還要同時給 T6 發(fā)一個觸 發(fā)脈沖。欲觸發(fā) T2 時，必須給 T1 同時發(fā)出一 圖1-7 觸發(fā)脈沖個脈沖等。因此 用雙脈沖觸發(fā)，在一個周期內(nèi)對每個晶閘管須要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖中間間隔為 60

15、。雙脈沖觸發(fā)的電路，因為有 補入和輸出的要求， 比較復 雜，但它可以減小觸發(fā)裝置的輸出功率， 減小脈沖變壓器的鐵芯體積。 用寬脈沖觸發(fā)， 雖 然脈沖數(shù)目減少一半， 為了不使脈沖變壓器飽和， 其鐵芯體積要做得大些， 繞組匝數(shù)多 些因（6）整流輸出的電壓，也就是負載上的電壓。它屬于變壓 器二次的線電壓。圖 1-7a 而中的電壓波形都是相對于變壓器零點而言的相電壓波形。三相全控橋計算控制角a的起點漏仍然是 相電壓的交點。整流輸出的電壓應該是兩相電壓相減后的波形，實際上都屬感于線電壓，波頭 uab、uac、ubc、uba、uca 和 ucb 均 為線電壓的一部份， 是上述線電壓的 增包絡線。相電壓的交

16、點與 線電壓的交點在同一角度位置上， 故線電壓的交點同樣是自然 換 大相點，同時亦可看出，三相橋式全控整流電壓在一個周期內(nèi)脈動六次，脈動頻率為 6X，50Hz=300Hz。 導 致（7）晶閘管所承受的電壓波形示于圖形1-6d。三相橋式整 流電路在任何瞬間僅有兩臂 的元件導通，其余四臂的元件均承 受變化著的反向電壓。例如在第（1）段時期，T1和T6 沖通，此時T3和T4承受反向線電壓Uba= Ub- Ua。T2承反向線電壓Ubc = Ub-Uco T5承 的前受反向電壓Uca= Uc Ua。如果僅看一個晶閘管上的電壓波形，例如 T1,則在第（1）段和第（2）段 期間， T1 導通，僅有很小的正向

17、壓降。在第（ 3）段和第（ 4）段期間，由于 T3 導通，故T1承受反向線電壓Uab= UaUbb在第（5）和第（6）段期間，由于T5導通，T1承 受反向線電壓Uac二Ua-Uco只要負載電流波形是連續(xù)的情況下，晶閘管上的電壓波形總 是由上述三部分組成。例如對T1來說，即導通段，波形與坐 標軸重合，還有線電壓Uab段和 線電壓Uac段共三段組成。當改變時，它也有規(guī)律的變化；當口= 0是，晶閘管不承受正向 電壓。當a變化時，其承受的正向電壓與 sin a成比例。熟識這些波形對調(diào)試設備很有幫 助。其他五個晶閘管上的電壓波形與 T1相同，不過相位依次序逐個都要差 60 。由圖1- 6d可以看出，晶閘

18、管所受的反向最大電壓即為線電壓的峰值。 當a從零增大的過程中，同樣 可分析出晶閘管承受的最大正向電壓也是線電壓的峰值。至于電阻性負載，當a 60 時，電流進入斷續(xù)區(qū)。故a =60。時晶閘管承受最大的 正向電壓為：2U2l sin a= 2U2l sin60 = 1.22U2I當控制角a 0時，每個晶閘管都不在自然換相點換相，而是從自然換相點向后移一個a角開始換相。圖1-8所示為電感負載a =30時的電壓 波形。分析的方法與a =0時 相同?？蓮腶角開始把一個周期六等分。在第（1 ）段時期，T1和T6導通，其間雖經(jīng)過共 陽極組的自然換相點，c相電壓開始低于b相電壓，T2開始承受正向電 壓，但因未

19、被觸 發(fā)所以不能 導通。由 T6 繼續(xù)導電。這就是和不可控整流電路工作情況根本差別之處。直 到距上次觸發(fā)T1（3 t1 ） 60。時 觸發(fā)T2,才迫使T6關(guān)斷，負載電流從T3轉(zhuǎn)移到T2上，進 入 第（2）段時在3 t1(相當于a )時觸發(fā)T1,它因此刻承受正向電壓而導通，并將T5關(guān)斷，負載電流便從T5轉(zhuǎn)移到T1,此時導電元件為T1和T6,輸出電壓為Uabo過60后Ua與Ub相等， Uab=0,輸出電壓到達零點，但此時又立即觸發(fā)T2，它承受正向電壓而導通，并關(guān)斷T6,負載電流從T6轉(zhuǎn)移到T2,此時導電元件為T1和T2,輸出電壓為 出6依此 類推。圖中 也畫出晶閘管T1上的電壓波形。它由三段組成：

20、一段是線電壓Uac, 段是導通期，與橫坐 標重合，另一段則是線電壓 Uabo當a 60時，當線電壓瞬時值為零并轉(zhuǎn)負值時，由于電 感的作用，導通著的晶閘管繼續(xù)導通，圖1-8感性負載，a =30波形整流輸出出現(xiàn)了負的電壓波形，從而使整流電壓的平均值降低。圖形1-10所示為電感性負載，a =90時的電壓波形。對應于3 11 (a =90 ) 時觸發(fā)晶閘管T1 , 在觸發(fā)前，假設電路已在工作，即 T5和T6已導通。至3 t 1時觸發(fā)T1后，導電元件為T1和 T6,輸出電壓為Uab當線電壓Uab由零變負時，由于大電感存在，T1和T6繼續(xù)導通，輸 出電壓仍是 Uab，此時出現(xiàn)負值，直到3 t2進觸發(fā)T2，

21、才迫使T6承受反向電壓而關(guān)斷，此時導電元件為 T1和T2,輸出電壓為Uaco依此類推，周而復始繼續(xù)下去，得到圖1-10的輸出電壓波 形。 T1 兩端的電壓波形亦表示在圖 1-10上。圖1-9感性負載，a =60波形 圖1-10感性負載，a =90波形 可以看出，當電流連續(xù)的情況下， a =90時輸出電壓的 波形面積正負兩部分相等，電壓的 平均為零。電感性負載。其負載電流的波形是一條水平線。設其幅值為Id,由于晶閘管每周期導電 120，電流波形為長方波， 流過晶閘管的電流有效值為 :它的值與a的大小無關(guān)。至于電阻性負載，當aw 60 時，由于輸出電壓波形連續(xù)，因此電流波形亦連續(xù)。在一周期中，每個

22、晶閘管導電120o負載電流id二Ud/R ,整流電壓波形與電感性負載時相同當a 60時，由于線電壓過零變負時，晶閘管即阻斷，輸出 電壓為零，電流波形轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)，不像電感性負載那樣出現(xiàn)負壓。圖1-7 表示電阻負載，a =90時的電壓波形?？梢钥闯?，在t1 (a =90 )時，同時觸發(fā)晶 閘管T1和T6,因此時a相電壓大于b相電壓，故T1和T6都能導通，輸出電壓為Uab。至共陰 極自然換相點時，Ua=Ub線電壓Uab=0,之后a相電壓將低于b相電壓,T1和T3都因承受反 向電壓而關(guān) 斷。此時輸出電壓和電流都為零，電流出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。至3 t2時刻觸發(fā)T1 和T2，同理它們導通，輸出電壓為Uaco當

23、Uac由 零變負，T1和T2又都承受反向電壓而關(guān) 斷。如此類推，周而復始得到一系列斷續(xù)的電壓波形。1.2時，最大移相范圍是120 o式全控 整流 電路整流電壓與控制角的相橋式全控整流電路在具體分析如電感性負載或者電阻性負載，圖1-11純阻負載，a =90波形不論a為何值，負載上的輸出電壓都是兩相之間的線電壓的某一部分。 實質(zhì)上就是三相線電壓的整流。它相當于以線電壓為幅值一周期有6個脈波的六相半波整流圖1-11純阻負載電路。因此，亦可直接從線電壓入手計算其平均值。 為了簡化計算，由于輸出電壓的波形每 隔60就重復一次，所以計算直流輸出電壓的平均值不必計算整個周期，在60范圍內(nèi)取 其/、例如 Ua

24、b=UaUb=Ua60時，電流 要斷續(xù)，因此求輸出平均電壓就要分兩種情況。1 . 當0WaW孔/ 3時整流電壓的平均值可以根據(jù)圖1-12求出,線電壓Uab的表達式為3 X 2 U2sin 31，在孔/ 3范圍內(nèi)積分的上下限分別為 2孔/ 3 + a和孔/ 3 + a。因 此當控制角為a時，整流電壓的平均值為如用線電壓有效值 U2l 表示，則2 .當畀/ 3a 畀/ 3時，輸直流電壓平均值為圖 1-12a W 60計算 整流電壓的波形圖 1-13a 60計算整流電壓的波 形 上式中，積分上限原為 2 J! / 3 +a，現(xiàn)因a 門/ 3,因此只能積到當a =2畀/ 3時,（二）電感性負載對于電感

25、性負載，由于電流是連續(xù)的，晶閘管的導通角總是2 ji /3,即使a j / 3，上式積分的上限可以超過n ,仍為2j / 3 +a 。因此當控制角為 a時，整流輸出的直流電壓平均值為如用線電壓有效值U21表示，則Ud與控制角a的關(guān)系如圖形 1-14中曲線所示。這種電 路在大電感負載工作于整流狀態(tài) 下，要求最大移相范圍為 90。在 三相 橋式全控整流電路中，共陰極組晶閘管與共陽極組晶閘管共用一套變壓器的二次繞 組。共陰級組在正半周導通，在電感性負載下導 通120。 共陽極組在 負 半周導通，導電時間也是120。接 在同一相上的兩個晶閘管的電流在相位上差 180，大小相等，方向相反。設負載電流的平

26、均值為Id,則變壓器二次繞組圖形1-14整流電壓與a的關(guān)系中每相電流的有效值 I 2（設變壓器二次為星形接法）為由于變壓器二次繞組的電流沒有直流分量，所以一次繞 組中的電流波形與二次繞 組中的電流波形一樣。根據(jù)變壓器一、二次安匝相等的原則，可以求出一次繞組的電流I 1、晶閘管智能模塊晶閘管智能模塊的誕生，是電力調(diào)控技術(shù)的一場革命，它使傳統(tǒng)電力調(diào)控領域的諸多難點，如電路復雜、體積龐大、調(diào)試困難、安裝不便、難以使用等各種技術(shù)障礙，被一并逾越。從而使從們對電力控制達到了隨心所欲的完美境界。2. 1產(chǎn)品用途該模塊完整的三相電力移相調(diào)控系統(tǒng)，可廣泛應用于交直流電機的調(diào)速、J業(yè)電 氣自動化、固體開關(guān)、調(diào)溫、調(diào)光、電鍍、穩(wěn)壓、機電2. 2產(chǎn)品