同步电动机励磁知识简介

1、同步电动机励磁装置培训手册 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

2、 同时起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 COS1。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，在此基础上增/减

4、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 定，如图 1-4 所示。图1-4 功角特

5、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，运行功角增大，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。1. 4 同步电动机的失步危害及措施同步电动机在正常

6、运行时，其转速与电网频率严格对应（n60f/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

7、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，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

8、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 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

9、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三相桥式全控整流电路在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳级组是同时进行控制的，控制角都是。下面将结合图 1-5 电路，分析 三相桥式全控整 流电路工作的物 理过程。 图1-5三相全控桥式整流电路在 习 惯 上 希 望三相全控桥的 六个晶闸管触发 的顺序是 123456，晶闸管是这样编号的：图T1 和 T4 接 a相，T3 和 T6 接b 相，T5 和 T2 接 c 相。T1、T3、T5 组成共阴极组，T2、T4、T6 组成共阳极组，如图 1-5所示。为了搞清楚变化时各晶闸管

10、的导通规律，分析输出波形的 变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析 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，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=Ua-Ub=Uab。经过 60°后进入第（2）段时期。这时 a

11、 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: UdUaUcUac。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=Ubc。 余依次类推。在第（4

12、）段时期内，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：611223344556 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

13、相位差应为 120°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°。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路每隔 60°有一个晶闸管要换流，由上一 号晶闸管换流到下一号晶闸管。例如由 T1、

14、T2换流到T2、T3。因此每隔 60°要触发一个晶闸管，触发脉冲的顺序是：1234561，依次下去。相邻两脉冲的相位差是 60°，如图 1-3 所示。(5)为了保证在整流器合闸后，共阴极组和共阳极组应各有一个晶闸管导电，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉 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 80°100°,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

15、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

16、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

17、为 6×50Hz=300Hz。(7)晶闸管所承受的电压波形示于图形 1-6d。三相桥式整 流电路在任何瞬间仅有两臂的元件导通，其余四臂的元件均承 受变化着的反向电压。例如在第（1）段时期，T1 和 T6 导通，此时 T3 和 T4 承受反向线电压 UbaUbUa。T2 承反向线电压 UbcUbUc。T5 承受反向电压 UcaUcUa。如果仅看一个晶闸管上的电压波形，例如 T1，则在第（1）段和第（2）段 期间，T1 导通，仅有很小的正向压降。在第（3）段和第（4）段期间，由于 T3 导通，故 T1承受反向线电压 UabUaUb。 在第（5）和第（6）段期间，由于T5导通，T1承受反向

18、线电压 UacUaUc。只要负载电流波形是连续的情况下，晶闸管上的电压波形总是由上述三部分组成。例如对 T1来说，即导通段，波形与坐 标轴重合，还有线电压 Uab 段和线电压 Uac 段共三段组成。当改变时，它也有规律的变化；当0 是，晶闸管不承受正向电压。当变化时，其承受的正向电压与 sin成比例。熟识这些波形对调试设备很有帮助。其他五个晶闸管上的电压波形与 T1相同，不过相位依次序逐个都要差 60°。由图 1-6d 可以看出，晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。当从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。至于电阻性负载，当60°时，电

19、流进入断续区。故=60°时晶闸管承受最大的正向电压为：2U2l sin2U2l sin60°1.22U2l当控制角0 时，每个晶闸管都不在自然换相点换相， 而是从自然换相点向后移一个角开始换相。图 1-8 所示为电感负载=30°时的电压波形。分析的方法与=0时相同。可从角开始把一个周期六等分。在第（1）段时期，T1 和 T6 导通，其间虽经过共阳极组的自然换相点，c 相电压开始低于 b 相电压，T2 开始承受正向电 压，但因未被触发所以不能 导通。由 T6 继续导电。这就是和不可控整流电路工作情况根本差别之处。直到距上次触发 T1（t1）60°时 触发

20、T2，才迫使 T6 关断，负载电流从 T6 转移到T2上，进入第（2）段时期。此时导电元件为 T1 和 T2，负载上的电压由原来第（1）段时期的 Uab 转为 Uac，余类推。得到一个周期脉动六次的输出电压分别为Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca 和 Ucb 等，它们都属于线电压，各段都取其中的某一部分。作出线电压的整个波形，仍可见到线电压的交点与相电压的交点在同一位置，因而控制角从线电压算起是无须怀疑的。图 1-8 表示电感性负载，=60°时的电压波形。 电路原先是 T5 和 T6 工作，在t1(相当于)时触发 T1，它因此刻承受正向电压而导通，并将 T5 关断，负载电流便从T

21、5 转移到 T1，此时导电元件为 T1 和 T6，输出电压为 Uab。过 60°后 Ua 与 Ub 相等，Uab=0，输出电压到达零点，但此时又立 即触发 T2，它承受正向电压而导通，并关断 T6，负载电流从T6 转移到 T2，此时导电元件为 T1 和 T2，输出电压为 Uac。依此 类推。图中也画出晶闸管 T1 上的电压波形。它由三段组成：一段是线电压 Uac，一段是导通期，与横坐标重合，另一段则是线电压 Uab。当>60°时，当线电压瞬时值为零并转负值时，由于电感的作用，导通着的晶闸管继续导通， 图 1-8 感性负载，=30°波形整流输出出现了负的电压波

22、形，从而使整流电压的平均值降低。图形 1-10 所示为 电感性负载，=90°时的电压波形。对应于t1（=90°） 时触发晶闸管 T1，在触发前，假设电路已在工作，即T5和T6已导通。至t1 时触发 T1 后，导电元件为 T1 和 T6，输出电压为Uab。当线电压 Uab 由零变负时，由于大电感存在，T1 和 T6 继续导通，输出电压仍是 Uab， 此时出现负值，直到t2 进触发 T2，才迫使 T6 承受反向电压而关断，此时导电元件为 T1 和 T2，输出电压为 Uac。依此类推，周而复始继续下去，得到图 1-10 的输出电压波形。T1 两端的电压波形亦表示在图 1-10上。

23、图 1-9感性负载，=60°波形图 1-10感性负载，=90°波形可以看出，当电流连续的情况下，=90°时输出电压的波形面积正负两部分相等，电压的平均为零。电感性负载。其负载电流的波形是一条水平线。设其幅值为 Id，由于晶闸管每周期导电 120°，电流波形为长方波， 流过晶闸管的电流有效值为:它的值与的大小无关。 至于电阻性负载，当60°时，由于输出电压波形连续，因此电流波形亦连续。在一周期中，每个晶闸管导电 120°。负载电流 id Ud/R ，整流电压波形与电感性负载时相同。 当>60°时，由于线电压过零变负时，晶

24、闸管即阻断，输出 电压为零，电流波形转变为不连续，不像电感性负载那样出现负压。图 1-7表示电阻负载，=90°时的电压波形。可以看出，在t1（=90°）时，同时触发晶闸管 T1 和T6，因此时 a 相电压大于 b 相电压，故 T1 和 T6 都能导通，输出电压为 Uab。至共阴极自然换相点时，Ua=Ub，线电压 Uab=0，之后 a 相电压将低于 b 相电压，T1 和 T6 都因承受反向电压而关 断。此时输出电压和电流都为零，电流出现断续现象。至t2 时刻触发 T1 和 T2，同理它们导通，输出电压为 Uac。当 Uac 由 零变负，T1 和 T2 又都承受反向电压而关断。

25、如此类推，周而复始得到一系列断续的电压波形。可以看出，当>60°，输出电压和电流波形不连 续，一周期中每个晶闸管 分两次导电，导电 2 ×（120°）。 当=120°时，输出电压为零，可见电阻负载 时，最大移相范围是120°。1.2 三相桥式全控整流 电路整流电压与控制角的关系三相桥式全控整流电路在具体分析中例如电感性负载或者电阻性负载，图 1-11纯阻负载，=90°波形不论为何值，负载上的输出电压都是两相之间的线电压的某一部分。实质上就是三相线电压的整流。它相当于以线电压为 幅值一周期有 6 个脉波的六相半波整流 图 1-11

26、纯阻负载电路。因此，亦可直接从线电压入手计算其平均值。为了简化计算，由于输出电压的波形每隔60°就重复一次，所以计算直流输出电压的平均值不必计算整个周期，在 60°范围内取其平均值即可。在三相星形接法的电路中，线电压较其相应的相电压超前 30°，而幅值是相电压 的3倍。例如 Uab=UaUb= Ua<30°。在上述绘制电压波形的所有计算中，都是以 a 相的相电压 为零时作为坐标的原点进行绘制的。因此相电压 Ua 的表达式为 2 U2sint 。自然换相点在t = 30°处。为了简化计算，今把线电压 Uab 的零点作为新坐标的原点，即比原来

27、的坐标提前30°。因而在新坐标上，自然换相点的位置在t=60°/ 3 处。控制角仍应从自然换相点算起。下面整流电压的计算，都立足于这个条件而定出积分的上下限的。在图1-7 中已表示出相电压 Ua 与线电压 Uab 的关系，Uab 的零点导前 Ua 的零点 30°。(一)电阻性负载作出以线电压 Uab 的零点为坐标原点的线电压波形。其自 然换相点在 60°处，它是线电压 Ucb 与 Uab 的交点，如图 1-12所示。可以看出，当60°时电流连续。>60°时，电流 要断续，因此求输出平均电压就要分两种情况。1 当 0/ 3时整流电

28、压的平均值可以根据图 1-12求出，线电压 Uab 的表达式为3× 2 U2sint ，在/ 3 范围内积分的上下限分别为2/ 3 + 和/ 3 +。因此当控制角为时，整流电压的平均值为如用线电压有效值 U2l 表示，则2当/ 3<<2/ 3时整流电压的波形如图 1-12所示。当>/ 3时，输直流电压平均值为图 1-1260°计算整流电压的波形图 1-13>60°计算整流电压的波形上式中，积分上限原为 2/ 3 +，现因>/ 3，因此只能积到。当=2/ 3 时，Ud=0；所以由公式推导可以看出， 电阻性负载的最大移相范围是 2/ 3。

29、(二)电感性负载对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是 2/ 3，即使>/ 3 ，上式积分的上限可以超过 ， 仍为 2/ 3 + 。因此当控制角为时，整流输出的直流电压平均值为如用线电压有效值 U2l 表示，则Ud 与控制角的关系如图形 1-14中曲线所示。这种电 路在大电感负载工作于整流状态下，要求最大移相范围为90°。在三相桥式全控整流电路中，共阴极组晶闸管与共阳极组晶闸管共用一套变压器的二次绕组。共阴级组在正半周导通，在电感性负载下导通120°。共阳极组在负半周导通，导电时间也是 120°。接在同一相上的两个晶 闸管的电流在相位上差 180°，大小相等，方向相反。设负载电流的平均值为 Id，则变压器二次绕组 图形 1-14 整流电压与的关系中每相电流的有效值 I2（设变压器二次为星形接法）为由于变压器二次绕组的电流没有直流分量，所以一次绕 组中的电流波形与二次绕组中的电流波形一样。根据变压器一、二次安匝相等的原则，可以求出一次绕组的电流 I1。二、晶闸管智能模块晶闸管智能模块的诞生，是电力调控技术的一场革命，它使传统电力调控领域的诸多难点，如电路复杂、体积庞大、调试困难、安装不便、难以使用等各种技术障碍，被一并逾越。从而使从们对电力控制达到了随心所欲的完美境界。21产品用