同步电动机励磁知识简介

1、手JdUoL 重庆中鼎电气有限公司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

2、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），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。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，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。同步电

3、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COSSD =1。同步电动机 V形曲线是指电机定子电流I3。和励磁电流If 的关系曲线，见图1-欠励一过励同步电动机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

4、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。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。E励磁电势U一母线电压 兄工一总电抗5一功角图1-4功角特性曲线EXIsin 8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

5、S增大，SA 900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S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S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

6、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S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

7、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 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

8、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。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，

9、对共阴极组和共阳级组是同时进行控制电I的，控制角都是a。下面将结合图*11-5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1 2 3 4 5 6,晶闸管是这样编号的：uae图1-6感性负载，e= 0°时波形图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 = 00的情 况，也就是在自然换相 点触发换相时的情况。图

10、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600后进入 第段时期。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

11、电流为正，c相电流为负。在负载上的电 压为：Ud=Ua Uc= Uaco再经过600 ,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)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：6 11 22

12、33 44 5-5 6 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°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

13、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bf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1 80°。(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、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：1-2-3-4-5- 61,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

14、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60 °的宽脉宽脉中 冲。这种方法称u双脉冲触发。这两种触发方 式均示于图1-7中。例如当双窄1要求T1导通时，除了给T1发 味. 出触发脉冲外，还要同时给T6 闻 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

15、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的起点仍然是相

16、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6X 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UbA Ub Ua。T2承反向线电压

17、Ubc=Ub- Uo T5承受反向 电压Uca Uc- Ua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Uab= Ua -Ubo在第（5）和第（6）段期间，由于T5导通，承受反向线电压 Uac= Ua- Uc。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。当口变化时，其承 受

18、的正向电压与sin 口成比例。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，电流进入断 续区。故 =600时晶闸管承受最大的 正向电压为：2U2l sin 民=2U2l sin60 =当控制角口 > 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口角开始换相。图1-8所示为电感负载0c =30 时的电压 波形。分

19、析的方法与 =0时相同。可从口角开始把一个 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 （ 3 t1 ） 60 0时 触发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T 1Tr Tf 久一在3 t 1(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 T5转移到

20、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=Q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， 整流输出出现了负的电压波形，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&#

21、176;时的电压波形。对应于a t1 (% =90 ) 时触发晶闸管T1,在触发前，假设电路已在工作，即 T"口T6已导通。 至11时触发T1后，导电元件为T1和T6,输出电压为Ua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3 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Uaco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。图1-9感性负载，E =60°波形图1-10感性负载，E =90°波形可以看出，当电

22、流连续的情况下， =900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：=" 0 - 57"i -V $"与= 0*368h它的值与口的大小无关。至于电阻性负载，当 W 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，晶闸管即阻断，输出 电压为零，电流波形转变为不

23、连续，不像电感性负载那样出现负压。 图1-7表示电阻负载， =900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3b=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3 t2时刻触发T1和T2,同理它们导通，输出电压为 Uaco当 Uac由 零变负，T1和T2又都承受反向电压而关断。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

24、不连续，一周 期中每个晶闸管分两次导电，导 电2x(120°。 当0c =120 °时，输出电压为 雳，可见电阻前载纯阻时 最大格相范围雅，喇直接从缆静瞄计算其平均值。为了简化计算，由挖郴蒯睡僻舞海隐用冉籁械1次，所以计算直流输出电压的平在三相星形的镀券国讲和整聿凋期控耀 初电蠢围内取其平均值即可 握具体分析中例如电感 性负载或者II阻性负载，图1-11纯阻负载，胸姆Uab=ua不哙ua<30®,负截止述绘制电压波形的所有计算中，者B是 H输相赧穗桃两雉的原点进彳f绘制的。因此相电压 Ua的 照蓬式那分2 U2Sin志就是匡耦娴点在t =30处。为了简化计算

25、， 季胞蔑流压甯ab新琴堪辕吗霸型标螂m点，即比原来的坐标提前30。僖而雇瓢H带戌噌娜猫M翡飕鲁在3t / =600 =刀/ 3处。控制需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 理而定出积分的上下限的。在图1-7中已表示出相电压 Ua与线电压埠联关湘 Mbw 点导前Ua的零点30，作出以线电压Uab的零点为坐标原点的线电压波形。其自然换后点在60 °处，它是线电压Ucb< Uab的交点，如图1-12所示。可以 售出，当 w 600时电流连续。0c >600时，电流 要断续，因 用求输出平均电压就要分两种情况。的 1.当 0W % < ji / 3时

26、相整流电压的平均值可以根据图1-12求出，线电压uab的表达式为,仁仃卢加sfd (M)3 X 2 U2sin 3t，在刀/ 3范围内积分的上下限分别为2nl 3 +% 和刀/ 3 +%。因此当控制角为时，整流电压的平均值为= 2.345已口如用线电压有效值U21表示，则U* = 2.3,Uh a = J, SSE/jicos aV 32.当 J! l 3<a <2ji/ 3时当% >ji/ 3时，输直流电压平均O图 1-12 5整流电压的波形如图1-12所示 值为上式中，积分上限原为2刀1 3+%,现因% >刀1 3,因此只能积到刀。 当 =2刀l 3时，Ud=Q所以

27、由公式推导可以看出， 电阻性负载的最 大移相范围是2刀1 3。(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刀1 3,即使% >刀1 3 ,上式积分的上限可以超过 兀，仍为2刀l 3+% 。因此当控制角为时，整流输出的直流电 压平均值为y三* 口如用线电压有效值u2i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，导电时间也是图形1-

28、14整流电压与a的关系-= 0 816才/j x M聂中（一九）工120 o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 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11。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。2. 1产品用途该模块完整的三相电力移相调控系统，可广泛J机的调速、工业电气自动化、固体开关、调温、 压、机电一体化、军工通讯等领域。2. 2产品特点正调试、功率晶闸管与触发控制系统集成为一体, 免维护，给用户带来极大方便。移相触发控制