同步电动机励磁系统的技术发展

同步电动机可控硅励磁工作原理框图
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380V
整流 变压器
可控硅 整流 触发 脉冲 逆变 环节
灭磁 环节
同Fra Baidu bibliotek 电动机
定子电流
投全压 环节
同步电源 变压器
电压 负反馈
移相 给定 投励 环节
信号 综合
图 3
3 同步电动机 可控硅励磁系统 主电路的组成
VT7、VT8、GZ1、Rfd1、Rfd2 组成灭磁环节 灭磁线A2用于关断VT7、VT8
（二）同步电动机可控硅励磁原理
1. 主电路工作原理 如图3所示，主电路由整流变压器、三相可控整流桥、灭磁 环节组成。三相可控整流桥由六个可控硅元件构成，如图4所 示，改变全控桥上可控硅元件的控制角a，即可得到不同的直 流输出电压，如图6、图7、图8所示的波形，分别为a=0º 、 a=60º 、a=90º 时的整流输出波形和直流输出电压。 2.灭磁环节工作原理 所谓灭磁是指同步电动机启动或失步时其转子会感应很高的 电动势，如不限制，势必损伤转子绕组的绝缘和击穿整流桥 可控硅元件。因此，设计可控硅VT7、VT8、电阻Rfd1、 Rfd2和硅二极管GZ1分别卸放同步电动机转子绕组感应的正 负两个半波的电动势。如图3所示。同步电动机启动投入励磁 后，熄灭线A2保证灭磁可控硅VT7、VT8可靠关断，确保装置 正常运行。
可控硅整流元件VT1~VT6 组成三相桥式全控整流
整流变压器降低电源电压
三相交流电源
图 4
图5 b) 为三相交流电源波形 c)分别为六个脉冲与交流电源对应的时刻
图6
a=0º 时的整流输出波形
图7 a=60º 时整流输出波形
图8 a=90º 时的整流输出波形
4.对触发脉冲的要求
三相桥式全控整流电路对触发脉冲有特定要求。为了使 六个晶闸管的触发导通顺序符合自然顺序，在三相电源 正序情况下，编号为 VT 1 、 VT 4 管分别接 A 相 (A 相可任 意指定但相序不能反)，VT3、VT6接B相，VT5、VT2接 C相，这样触发脉冲与管子导通的顺序为 1→2→3→4→5→6，间隔为60o。详见图4和图5。为 了保证电路能启动工作和电流断续后能再触发导通，必 须给对应导通的两个晶闸管同时加上触发脉冲，如图9 所示的脉冲产生电路。也可采用宽脉冲触发，每一个脉 冲的宽度大于 60 o 通常取 90 o ，使换相后脉冲出现时前 脉冲还未消失，以保证换相点均有相邻两个管子被触发。
同步电动机励磁系统的 技术发展
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概述
同步电动机以其转速不受负载的影响，始终以额定速 度运行的特点，被选用于拖动空压机、球磨机、轧钢机等 要求恒定转速运行的大型设备。但由于其结构特殊，转子 绕组需要一套完整的直流电源供电，并与同步电动机的起 动、投励、运行等环节联锁控制，进行同步电动机的励磁。 这就要求励磁系统性能稳定、工作可靠。否则，就会影响 同步电动机的正常拖动。 从同步电动机励磁系统的技术发展历程来看，经历了： “原始的发电机组励磁、可控硅分立元件励磁、数字化微 机技术可控硅励磁”三大阶段。不管是哪个阶段，前提是 励磁系统必须正常运行。
7.投励插件工作原理
控制脉冲的产生 整流、虑波、稳压
图10 投励脉冲输出
投励信号取自 转子感应电压
8 同步电动机启动时转子感应的电压波形
同步电动机在启动过程中（T0~T2时刻）转子感应的交变电压的频率随 转子加速而变化，转子的转速越高，频率越低，启动瞬间，感应电压的 频率与定子电源电压的频率相同。
1.数字化微机技术可控硅励磁 系统框图
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灭磁环节
脉冲发生器
键盘接口 CPU微处理器 通信接口 同步电源 投励信号
图 12
2.数字化微机技术可控硅励磁柜的特点
①所有控制功能可由键盘设置，如灭磁、投励、全压、过励、 强励、低励、报警等全由键盘设置各功能参数； ②控制电路完全由集成电路所组成，无分立元件； ③整机调整方便，操作简单，改变设定数据即可； ④故障率低，如果安装规范，可免维修。 目前，大多数用户都选择应用数字化微机技术可控硅励磁 柜作为同步电动机励磁装置。为同步电动机的正常运行提供 了技术保障。
（一）同步电动机可控硅励磁系统的特点
1.同步电动机转子回路采用三相全控桥固接线路，如图4所示，保持了同 步电动机的固有起动特性； 2.可适应交流电源电压3KV、6KV、10KV作全压或降压起动同步电动机； 3. 全压起动的同步电动机当其转子的转速达亚同步时按转子滑差为5％时 顺极性投入励磁，使之拖入同步运行； 4. 降压起动的同步电动机当其转子的转速达同步速的90％，自动切除降压 起动电阻(电抗)进行全压起动加速至亚同步速度，按转子滑差为5％顺极 性投入励磁，使之拖入同步运行； 5. 当交流电网电压低于下降至额定电压的80％时进行突加强励，强励倍数 为1.4倍，强励时间不超过10 秒； 6.可手动调整励磁电压、电流，即功率因数的调整； 7.同步电动机停机时，从停机开始至5秒钟内，不断开三相全控整流桥交 流电源及触发同步电源，以便同步电动机停机时在转子绕组电感放电的 作用下，三相全控桥工作在“逆变”状态； 8。电网瞬时断电至0.5秒内恢复时，如果同步电动机定子电源不断开，本 装置照常工作。
图11
9.可控硅励磁系统的使用效果
20世纪70年代末期，用可控硅励磁柜更换直流发电 机组的确取得了良好的效果，极大的发挥出电子技 术的优越性，与发电机组相比，具有节能、降噪、 站地面积小、维修方便等特点。 但随着长时期运行，插件的插脚容易松动，引起接 触不良而产生故障，且分立元件焊点多，分散性大， 很容易引发故障。这是不足之处，需要解决完善。
三、数字化微机技术可控硅励磁系统
电子技术由最初的分立元件发展成为集成电路，继而发 展为计算机模块技术，现已普遍应用于工业控制领域。同步 电动机可控硅励磁系统很快采用了微计算机技术进行综合控 制，其主电路仍然用可控硅元件作为三相全控整流桥和灭磁 环节。控制电路采用微处理器进行集中控制；脉冲电路由集 成电路构成，如图12所示。这样，即克服了分立元件所产 生的隐形故障，又进一步提高和完善了同步电动机可控硅励 磁系统的性能，成为第三代可控硅励磁系统，如SKLTD型 同步电动机励磁柜就是这例产品。
u
转子感应 电压波形
经灭磁后 的波形
励磁波形
T0
T1
0.1S
T2
t
1.黑线为同步电动机转子绕组感应的交变电压曲线； 2.红线为经灭磁环节限幅的曲线； 3.绿线为投励插件稳压管12WY稳压后曲线；提供3BG正偏电压而导通，5C不能充电；
4.兰线为投励稳压管正向导通，3BG截止，5C充电至0.1秒，发出脉冲，投入励磁；
1 同步电动机发电机组励磁系统电路原理
优点：线路简单，操作 容易； 缺点：发电机碳刷磨损 快，机组噪声大，站地 面积大 ，耗能多，故障 率高、维修量大。因而 淘汰。
图 1
2 同步电动机的V形曲线
当同步电动机输入有功功率恒 定而调节励磁电流时,有三种励磁 状态,“正常励磁”时,电动机没有 无功功率输出；“过励”时电动机 从电网吸收容性无功（或发出感性 无功）;“欠励”时电动机从电网 吸收感性无功（或发出容性无功）， 图 2 也就是可以调节无功功率。 调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因 数, 这是同步电动机最可贵的特点。
一、发电机组励磁系统
如图1所示，同步电动机的转子绕组专门由一台直流发电 机组发出直流电供给励磁，在同步电动机起动时，将转子绕 组短接，作为异步电动机起动，待起动加速至亚同步时，由 主回路电流与时间结合的控制原则控制投励，即断开转子短 接电路 ，自动接入发电机组电路，进行励磁，调节RP，可 调节发电机输出的电压值，也就是调节励磁电流，用以改变 同步电动机的功率因数 COSΦ, 如图 2所示。当停止同步电动 机运行时，断开KM1，发电机组的原动机因断电而停机，停 止发电；同时将同步电动机转子绕线短接，卸放其转子的感 应电动势。
5 脉冲插件的工作原理
由同步电源、脉冲发生、脉冲放大、脉冲输出四部分组成。
两组 脉冲输出 脉冲放大 电路 脉冲发生 电路 同步电源 变压器
图 9
6 同步电动机的起动过程
同步电动机在启动时转子绕组感应出如图11所示的交变电压， 此时灭磁环节工作，转子感应电压的正半波由可控硅VT7、VT8、 电阻Rfd1、Rfd2进行灭磁；转子感应电压的负半波由硅二极管 GZ1、电阻Rfd1、Rfd2进行灭磁。 当同步电动机启动加速至同步速度的90％时，投励插件的三 极管3BG截止，电容5C充电，如图10所示，至 0.1秒钟充满， 发出脉冲（此时电机转速达到同步转速的95％），如图11所示 ， 使移相插件工作，控制脉冲插件输出脉冲触发三相可控整流桥 进行整流输出，投入励磁，将同步电动机拖入同步运行。
二、同步电动机可控硅励磁系统
同步电动机可控硅励磁系统于20世纪70年代 由国家主管部门组织工程技术人员统一设计，受 当时技术条件限制，其控制电路均为二极管、三 极管、双基极二极管、稳压管等分立元件所组成， 如KGLF11（12）型可控硅励磁柜就是当时统一 设计研制定型的换代产品，用此柜更换发电机组 励磁系统，曾受到用户的肯定。因为该柜对同步 电动机的启动、投励、励磁三个阶段的控制考虑 得非常周全，既克服了发电机组励磁系统存在的 不足，又完善了起动控制功能。所以以此励磁柜 为版本，深入剖析，全面掌握同步电动机可控硅 励磁技术。