同步電機勵磁原理

同步機勵磁控制系統(tǒng)的原理及應用同步電機勵磁控制系統(tǒng)的原理及應用序言主回路的選擇同步電機的投勵方式同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術LZK-3G勵磁控制系統(tǒng)第一章序言同步電機由于其一系列優(yōu)點，特別是轉速穩(wěn)定、單機容量大、能向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，支持電網(wǎng)電壓，在我國各行業(yè)已得到廣泛應用。多數(shù)企業(yè)所用電機，一般異步電機數(shù)量較多，單機功率相對較小，且大多為380V低壓電機。異步電機在運行中需吸收無功功率，對于一個較大規(guī)模的用電單位，電機的選用一般遵循如下原則：大功率、低轉速電機一般首選同步電機（隨著碳刷耐磨程度提高，許多大功率高速電機也越來越多的選用同步電機）。用電單位同步電機的運行容量一般在60%~70%，而異步電機的運行容量在40%~30%為佳。這樣同步電機輸出的無功功率與異步電機所吸收的無功功率相平衡且略有富裕。

序言同步電動機在工業(yè)中的應用：同步、異步電動機比較表

序言穩(wěn)定性差，轉矩與端電壓平方成正比：穩(wěn)定性高，轉矩與端電壓成正比：

穩(wěn)定性

低

高效率不可調，滯后可調，可工作在超前、平激、滯后功率因數(shù)隨著負載的改變而改變不隨負載的大小而改變轉速

異步電動機

同步電動機使用異步電機需要對電網(wǎng)無功補償

由于異步電機需從電網(wǎng)吸收無功功率，而功率因數(shù)是供電部門對用戶考核的一個重要指標。一般采用以下方法進行無功補償：

1.采用靜電電容器補償

2.采用同步電機過勵補償?shù)遣捎渺o電電容器補償存在以下缺陷：

序言采用靜電電容器補償存在缺陷1Q＝0.5CU在電網(wǎng)電壓高時，用戶無功補償需求量小，但電容量Q成平方關系變大，電容器補償無功會出現(xiàn)過補償現(xiàn)象；在電網(wǎng)電壓低時，用戶無功補償需求量大，但電容量Q卻成平方關系變小，電容器補償無功會出現(xiàn)欠補償現(xiàn)象；與我們期望的補償要求成平方關系相反的方向變化；2采用靜電電容器補償存在缺陷2

為了解決上述矛盾，許多場合采用功率因數(shù)自動補償?shù)姆绞剑敼β室驍?shù)過低的時候，增加電容器的投入數(shù)量；當功率因數(shù)過高的時候，減少電容器的投入數(shù)量，通過有級切換電容器的投運數(shù)量，達到功率因數(shù)的基本穩(wěn)定。采用這種方法，雖然能保持功率因數(shù)的基本穩(wěn)定，但畢竟是有級切換，不是無級連續(xù)的。為了保證功率因數(shù)的相對穩(wěn)定，斷路器需頻繁動作，在容性負載下斷路器的頻繁切換，會大大降低其使用壽命；采用靜電電容器補償存在缺陷3、4許多場合為了追求較高的功率因數(shù)，經(jīng)常出現(xiàn)功率因數(shù)接近1甚至過激現(xiàn)象。由于異步電動機是感性負載，電容器是容性負載，在有些特殊情況下甚至出現(xiàn)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，產(chǎn)生大電流或高電壓，損傷電氣設備；部分電容器的介質含有氰化物，這些電容器報廢時還會造成一定的環(huán)境污染。同步電動機通過增加電機的勵磁電流，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)無功補償

序言

在電網(wǎng)電壓U為常值，電磁功率為常值時，勵磁電流與功率因數(shù)的關系就可以由電樞電流得到，見左圖。調節(jié)勵磁就可以調節(jié)同步電動機的功率因數(shù)，從而使其工作在超前、平激、滯后三種狀態(tài)。0超前滯后定子電流ID勵磁電流If

同步電機工作U形曲線同步電機補償意義

這樣既提高同步電動機運行的穩(wěn)定性，又給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

序言目前同步電機的使用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展，機電設備越來越趨向大型化、自動化、復雜化、生產(chǎn)過程連續(xù)化，由機電設備群體組成的系統(tǒng)一旦失效，就會對企業(yè)的安全生產(chǎn)及產(chǎn)品質量造成極大的威脅。同步電機由于其具有一系列優(yōu)點，特別是轉速穩(wěn)定、單機容量大、能向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，支持電網(wǎng)電壓，在我國各行業(yè)已得到廣泛應用，特別是在特大型企業(yè)，大型同步電動機擔負著生產(chǎn)的重任，其一旦停機或故障，將嚴重影響連續(xù)生產(chǎn)，特別嚴重的電機設備事故將導致停產(chǎn)時間的延長，造成企業(yè)經(jīng)濟效益的嚴重損失，而長期以來發(fā)生同步電動機及其勵磁裝置損壞事故卻屢見不鮮。

序言同步電機的損壞主要表現(xiàn)1.定子繞組端部綁線蹦斷，線圈表面絕緣蹭壞，連接處開焊；導線在槽口處斷裂，進而引起短路；運行中噪音增大；定子鐵芯松動等故障。（見下一頁圖）2.轉子勵磁起動繞組籠條斷裂；繞組接頭處產(chǎn)生裂紋，開焊，局部過熱烤焦絕緣；轉子磁級的燕尾鍥松動，退出；轉子線圈絕緣損傷；電刷滑環(huán)松動；風葉斷裂等故障。

序言轉子繞組剖面圖轉子模擬圖定子繞組

序言第二章

勵磁主回路的合理選配

傳統(tǒng)半控、全控橋勵磁主回路的比較改進型半控、全控橋勵磁主回路比較勵磁控制系統(tǒng)主回路元件選配主回路的選擇勵磁柜主電路一般有四種主回路的選擇圖1圖2圖4圖3在起動時左上圖正負方向電流明顯不平衡，產(chǎn)生直流電，引起電機遭受脈振轉矩強烈振動，電機起動過程所受強烈脈振是電機產(chǎn)生暗傷逐步損壞的重要原因之一。傳統(tǒng)半、全控橋主回路分析主回路的選擇圖一圖二圖一主回路的選擇上圖主回路在電機起動時有：

因此出現(xiàn)如右圖二的轉子感應電壓、電流曲線圖?，F(xiàn)將感應電流做直流交流成分分解如下：圖二UfIf主回路的選擇不難看出電機啟動過程中+if和-if相差較大，即：遠大于主回路的選擇IfNS

圖二定子轉子示意圖電流if分解如上圖。If1分解為if2和if3。由于直流分量的存在，類似將轉子提前投勵磁，因而電機在旋轉磁場作用下強烈脈震。電機脈震示意圖

主回路的選擇NSNSNSNSNSSNNSNS轉子中有直流分量；定子旋轉磁場和轉子有相對運動.定子電流也因此而強烈脈動

電機起動過程發(fā)出的強烈振動聲，甚至在整個大廳內(nèi)都可以聽到。而且這種脈振會一直持續(xù)到電機起動結束才消失，電機起動過程所受強烈脈震是電機損傷的重要原因之一。主回路的選擇Id實際定子電流曲線期望定子電流曲線T圖一：定子電流脈振圖0主回路的選擇傳統(tǒng)全控橋主回路

電機起動時，隨著電機起動過程滑差減小，轉子線圈內(nèi)感應電勢逐步減少，當轉子轉速達到50%以上時，勵磁回路感應電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態(tài)，同樣形成+if與—-if電流不對稱，由此同樣形成脈振轉矩，造成電機產(chǎn)生強烈振動，損傷電機。因此傳統(tǒng)主回路逐漸被淘汰。改進型全控橋式勵磁裝置主回路缺點：

采用逆變滅磁，可靠性低，穩(wěn)定性差電機運行時滅磁電阻長期發(fā)熱不能不停機更換控制組件停機要保正控制回路不失電主回路的選擇改進型全控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf

觸發(fā)角為90度時輸出電壓Ud（1）采用全控橋式電路，停機時或失步時，其勵磁控制系統(tǒng)的滅磁回路采用逆變滅磁的方式，而逆變滅磁要求電網(wǎng)電壓相對穩(wěn)定、主回路（包括主橋6只可控硅、快熔、整流變壓器等）及控制回路完好，停機時主回路電源不能馬上停止。上述條件只要某一條件不能滿足，將造成逆變滅磁不成功，造成逆變顛覆，損壞主回路元件及電機，往往出現(xiàn)正常運行的勵磁裝置停車后不能再次順利開車，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主回路元件或控制回路損壞的實例。（2）采用全控橋式電路，由于勵磁繞組系電感性負載，當可控硅導通角較小電壓波形出現(xiàn)過零時，就會有電流從Rf、KZ回路續(xù)流，這也是采用全控橋式電路經(jīng)常發(fā)生滅磁電阻發(fā)熱的原因之一。（3）全控橋式電路作為勵磁裝置的主電路，不能實現(xiàn)不停機完全更換控制插件。為了達到不停機更換插件的功能，只能將控制系統(tǒng)做成雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)、互為熱備用，即一套運行，一套熱備用。當一套控制系統(tǒng)故障時，自動切換到另一套備用系統(tǒng)。但是采用多CPU備份沒有實際意義，復雜的備份邏輯會減少系統(tǒng)的平均無故障工作時間，影響可靠性。主回路的選擇斷勵續(xù)流滅磁或阻容滅磁，可靠性高系統(tǒng)可以利用半控橋式主電路的結構特點，實現(xiàn)不停機更換勵磁控制插件線路相對簡潔可靠主回路的選擇改進型半控橋式勵磁裝置主回路特點

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf（1）電機在停機或失步時，主回路采用半控橋式電路，可根據(jù)工況選擇阻容滅磁或斷勵續(xù)流滅磁方式，或者兩者皆用。A:斷勵續(xù)流滅磁方式是在電機失步或停機時，勵磁控制系統(tǒng)立即停發(fā)觸發(fā)脈沖，通過控制回路斷開勵磁主回路接觸器。依靠半控橋式結構特點進行續(xù)流滅磁，這種滅磁方式獨立可靠B:阻容滅磁方式（見下頁圖），這種滅磁方式滅磁速度更快。改進型半控橋主回路優(yōu)點

主回路的選擇

阻容滅磁是當電機失步和停機時，勵磁控制系統(tǒng)適時提供給可控硅KM一個脈沖，利用電容C1關斷主橋路上的可控硅，使電容C2及電阻R4吸收轉子能量進行滅磁，這種滅磁方式速度更快。主回路的選擇勵磁控制系統(tǒng)半控橋主回路優(yōu)點（2）滅磁電阻狀態(tài)；

采用半控橋式電路，就不會有電流從Rf、KZ回路續(xù)流，而是通過可控硅和最后一個導通的二極管，因此采用半控橋式電路滅磁電阻在運行過程中處于冷態(tài)；主回路的選擇

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf勵磁控制系統(tǒng)半控橋主回路優(yōu)點（3）勵磁控制系統(tǒng)可以充分利用半控橋式主電路的結構特點，不停機更換勵磁控制器；當勵磁裝置控制部分出現(xiàn)故障時，可利用半空橋電路“失控”的特點，實現(xiàn)不停機、不減載、不失勵的情況下從容更換。其基本原理如下：在投勵后拔控制插件，由于電機勵磁繞組的大電感特性，使一只可控硅始終處于開通狀態(tài)，三分之二在整流狀態(tài)，三分之一在續(xù)流狀態(tài)。（如下頁圖）主回路的選擇

在選擇整流變壓器時，已合理選配二次電壓，使它既能滿足強勵要求，又在失控狀態(tài)下平均電壓與平時運行電壓接近，滿足電機正常運行對勵磁的需求。當更換上備用控制插件后，勵磁裝置自動轉入正常工作狀態(tài)。主回路的選擇勵磁控制系統(tǒng)半控橋主回路優(yōu)點主回路熔斷器的位置選擇

有些主回路采用六個快熔，分別對應著各個可控硅和二極管，但按上圖位置安裝快熔更佳。

半控橋勵磁裝置主回路

KZKQRf減小諧波改善波形：盡管半空橋式電路比全控橋式電路諧波分量相對大些，但只要合理選擇整流變壓器參數(shù)，使勵磁裝置在正常運行時導通角相對增大，將整流變壓器接成△/Y-11型，自動抵消諧波的主要成分三次諧波，降低諧波對電網(wǎng)的影響。墊底處理避免失控：使用半控橋式電路，當勵磁電流在很小時，會出現(xiàn)失控現(xiàn)象，而在同步電動機這一特殊領域，勵磁電流很低會造成電機失步，所以正常運行時，勵磁電流不應很低，不應該工作到失控區(qū)。通過設定墊底電壓（或電流）進行處理，可使勵磁裝置在正常情況下不出現(xiàn)失控。主回路的選擇半控橋主回路的設計注意事項半控橋主回路的設計注意事項滅磁分級整定滅磁系統(tǒng)分兩種狀態(tài)。電機異步狀態(tài)時，KQ可控硅處于低通狀態(tài)，在較低電壓下及時開通（類似于二極管），使電機起動時正負半波電流對稱。電機在同步狀態(tài)運行時，滅磁系統(tǒng)處于高通狀態(tài)，確保了可控硅KQ不誤導通，過電壓時又及時開通，過電壓消失后及時關斷。

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf半控橋、全控橋主電路比較總結經(jīng)上述分析、比較，可以說明：

在同步電動機勵磁裝置這特定場合，本著因地制宜的原則，主電路采用改進型半控橋式電路的勵磁裝置，技術上更為先進、完善，合理，有著全控橋式電路無法比擬的優(yōu)越性。

主回路的選擇勵磁控制系統(tǒng)主回路元件選擇a．滅磁電阻的選擇b.主回路元件的選擇主回路的選擇

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf第三章勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

滑差投勵1.傳統(tǒng)勵磁采用順極性投勵2.LZK微機型勵磁系統(tǒng)，按照“準角強勵”原則設計。計時投勵勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

傳統(tǒng)投勵方式傳統(tǒng)投勵方式，由于投勵時間選擇不當，出現(xiàn)投勵瞬間，電機震蕩，在現(xiàn)場往往能夠聽到?jīng)_擊聲。（如右圖）傳統(tǒng)采用投勵插件式分立元件結構，投勵環(huán)節(jié)精度不高，易發(fā)生故障。勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

LZK微機型勵磁系統(tǒng)投勵方式滑差投勵－采用準角強勵所謂準角投勵，就物理概念而言，系指電機轉速進入臨界滑差（即所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉子回路中產(chǎn)生的磁場與定子繞組產(chǎn)生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉子繞組產(chǎn)生的S極相吸）。在準角時投入強勵，使吸力加大，這樣電機進入同步輕松、快速、平滑、無沖擊。勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

LZK勵磁控制系統(tǒng)的滑差投勵的過程如下：勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

勵磁控制器檢測滑差達到設定值時，在準角位置投勵。勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

LZK勵磁控制系統(tǒng)計時投勵如下：

同步電動機采用全壓異步啟動可以計時投勵，時間投勵的原理是把電機啟動的加速過程，用時間來計算。但是一般電機都優(yōu)先采用滑差投勵，只是在工況有復雜干擾的情況下，而且該干擾控制器無法濾除，給滑差投勵的頻率采樣造成困難，從而采用記時投勵。

勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

空載啟動的投勵情況：

電機在空載情況下很快就能進入亞同步，當控制器在一定時間之內(nèi)檢測不到Uf的頻率時，控制器就自動認為電機已經(jīng)進入同步。如下圖對于某些轉速較低，凸極轉矩較強的電機空載或特輕載起動時，往往在尚未投勵的情況下便自動進入同步，系統(tǒng)內(nèi)具有凸極性投勵控制環(huán)節(jié)，在電機進入同步后的1-2秒內(nèi)自動投勵。電機進入同步后，控制系統(tǒng)自動控制勵磁電壓由強勵恢復到正常勵磁。勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四章同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術同步電機的失步事故分為三類：失勵失步帶勵失步斷電失步失勵失步的現(xiàn)象：（1）：電機丟轉不明顯，電機無異常聲音；（2）：定子過流不大；（3）：表計顯示很大的電流值；（4）：滅磁電阻會燒紅；（5）：產(chǎn)生高壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞；4.1.2帶勵失步

導致帶勵失步的原因是：（1）相鄰母線短路，引起母線電壓大幅度降低；近處大型機組或機組群瞬間啟動引起母線電壓長時間，較大幅度的降低見功角特性圖；（2）電機起動過程中勵磁系統(tǒng)過早投勵,即電機在啟動過程中滑差沒有進入臨界時就投入勵磁,此時由定子產(chǎn)生的磁場還不足以拉動轉子磁極,反而會產(chǎn)生失步。（3）運行中，電機短時間欠勵磁或失勵磁（如接插件接觸不良）引起失勵失步，從失勵失步過渡到帶勵失步；（4）以及由于供電線路遭受雷擊，避雷器動作；負載突增（如壓縮機憋壓，軋鋼機咬冷鋼）等原因所引起。電機帶有正?；蚪咏５闹绷鲃畲?，而轉子磁場卻不同步的異步運行狀態(tài)，稱為帶勵失步。

圖4-5BZT電路

4.1.3斷電失步

當供電系統(tǒng)故障，引起供電線路自動重合閘ZCH裝置或備用電源投入BZT裝置動作，以及人工切換電源等，使同步電動機的供電電源短暫中斷而導致失步稱為斷電失步。圖4-6斷電失步時電網(wǎng)電壓曲線

0

斷電失步時定子波形的變化特征

所謂“斷電”其實是一個不失壓的過程。電網(wǎng)失電后電壓不會立即消失，而是有一個非線性的變化過程。很明顯在只有同步電動機的電網(wǎng)中，斷電失步后，電壓衰減比只有異步電機的電網(wǎng)，有一個上升的區(qū)域。TU存在同步電機的電網(wǎng)電壓曲線僅有異步電機的電網(wǎng)電壓曲線

西門子公司采用了在轉子回路加互感器的方式

說明書中強調在滑差大于3%時能可靠動作。而現(xiàn)場工況中，經(jīng)常出現(xiàn)滑差小于3%；當電機因轉子回路斷路而失步時，也同樣檢測不到電流信號，起不到失步保護的作用。很明顯保護存在死區(qū)。

圖4-10西門子公司對轉子采樣圖

圖4-11本公司對轉子采樣圖分流計

霍爾傳感器

在轉子回路上串接分流計或是霍爾傳感器檢測轉子里產(chǎn)生的不衰減的交變電流波形信號，根據(jù)該波形的特征來判斷是否失步。

4.3LZK型勵磁控制系統(tǒng)失步再整步技術為了達到帶載自動再整步，必須要滿足以下幾點一：改善電機的異步驅動特性

異步驅動特性曲線示意圖

一般來說，電機容量越大，額定轉速越慢，則由電機的異步驅動特性圖看出，凹陷的深度越深，合理選擇接入電機的滅磁電阻的阻值，能夠改善電機的異步驅動特性，消除凹陷；

二：減少甚至消除電機的異步制動轉矩

異步制動轉矩公式為：異步制動轉矩與勵磁電勢E的平方成正比，即與轉子直流If的平方成正比，要消除異步制動轉矩就是要進行滅磁消除If。三：與電機所帶負載性質有關

1.平穩(wěn)負載。如風機、水泵等其負載特性與電機滑差有關；

2.脈動轉矩。