同步电机励磁

同步、异步电动机比较表
同步电动机 转 速 不随负载的大小而 改变 可调，可工作在超 前、平激、滞后 高 异步电动机 随着负载的改变 而改变 不可调，滞后
序 言
功率因数
效
率
低
稳 定 性
稳定性高，转矩与 稳定性差，转矩 端电压成正比： 与端电压平方成 正比：
Te mEUsin M S d Tem msU 2 R'r s s d
同步电机补偿意义
序 言
这样既提高同步电动机运行的稳 定性，又给企业带来可观的经济效益。
第二章 励磁主回路的合理选配

主 回 路 的 选 择
传统半控、全控桥励磁主回路的比较
改进型半控、全控桥励磁主回路比较 励磁控制系统主回路元件选配


传统全控桥主回路
电机起动时，随着电机 起动过程滑差减小，转子线 圈内感应电势逐步减少，当 转子转速达到50%以上时， 励磁回路感应电流负半波通 路不畅，将处于时通时断， 似通非通状态，同样形成+if 与—-if电流不对称，由此同 样形成脉振转矩，造成电机 产生强烈振动，损伤电机。 因此传统主回路逐渐被淘汰。
同步机励磁控制系统 的原理及应用
苏州友明科技有限公司
Baidu Nhomakorabea 同步电机励磁控制系统的原理及应用
序言
主回路的选择 同步电机的投励方式 同步电动机的失步危害、失步保护及带载自 动再整步技术
第一章 序言

序 言
同步电动机在工业中的应用：


同步电机由于其一系列优点，特别是转速稳定、单机容 量大、能向电网发送无功功率，支持电网电压，在我国 各行业已得到广泛应用。 多数企业所用电机，一般异步电机数量较多，单机功率 相对较小，且大多为 380V 低压电机。异步电机在运行 中需吸收无功功率，对于一个较大规模的用电单位，电 机的选用一般遵循如下原则：大功率、低转速电机一般 首选同步电机（随着碳刷耐磨程度提高，许多大功率高 速电机也越来越多的选用同步电机）。用电单位同步电 机的运行容量一般在 60%~70% ，而异步电机的运行容 量在 40%~30% 为佳。这样同步电机输出的无功功率与 异步电机所吸收的无功功率相平衡且略有富裕。
在转子回路上串接分流计或是霍尔传感器检测转子里产 生的不衰减的交变电流波形信号，根据该波形的特征来判断 是否失步。
分流计
霍尔传感器
图 4-11 本公司对转子采样图
4.3LZK型励磁控制系统失步再整步技术

为了达到带载自动再整步，必须要满足以下几点 一：改善电机的异步驱动特性 一般来说，电机容量越 大，额定转速越慢，则由 电机的异步驱动特性图看 出，凹陷的深度越深，合 理选择接入电机的灭磁电 阻的阻值，能够改善电机 的异步驱动特性，消除凹 陷；
4.1.3 断 电 失 步
当供电系统故障，引起供电线路自动重合闸ZCH装置或备用电源投入BZT 装置动作，以及人工切换电源等，使同步电动机的供电电源短暂中断而导致失 步称为断电失步。
图 4-5 BZT电路
断电失步时定子波形的变化特征
U
0
所谓“断电”其实是 存在同步电机的 一个不失压的过程。电网 电网电压曲线 失电后电压不会立即消失， 仅有异步电机的 而是有一个非线性的变化 电网电压曲线 过程。很明显在只有同步 电动机的电网中，断电失 T 步后，电压衰减比只有异 步电机的电网，有一个上 升的区域。
强励


强励方式：有“角度强励”、“电流强励”， “电压强励”三种方式任意选择。一般采用 “角度强励”方式。 强励电压：设定值为电机正常运行励磁电压的 1.1～1.4倍，此值不超过励磁电压上限。 强励电流：设定值为电机正常运行励磁电流的 1.1～1.4倍，此值不超过励磁电流上限。 强励角度：设定值为强励电流值运行时的角度， 此值不超过角度上限。 强励时间：设定值为1~3S，一般为1S。
主 回 路 的 选 择
-If
+If

主 回 （1）采用全控桥式电路，停机时或失步时，其励磁控制系统的灭 路 磁回路采用逆变灭磁的方式，而逆变灭磁要求电网电压相对稳定、 的 主回路（包括主桥6只可控硅、快熔、整流变压器等）及控制回路 选 择 完好，停机时主回路电源不能马上停止。上述条件只要某一条件


主 回 路 的 选 择
励磁控制系统半控桥主回路优点

（2）灭磁电阻状态； 采用半控桥式电路， 就不会有电流从Rf、 KZ回路续流，而是通 过可控硅和最后一个 导通的二极管，因此 采用半控桥式电路灭 磁电阻在运行过程中 处于冷态；
KQ KZ
主 回 路 的 选 择
Rf
半控桥式励磁装置主回路
主回路熔断器的位置选择
同步电动机通过增加电机的励磁电流， 可以实现对电网无功补偿
定 子 电 流 ID
滞 后
序 言
超前
0
cos 1
励磁电流 If
同步电机工作U形曲线
在电网电压U为常 值，电磁功率为常值 时，励磁电流与功率 因数的关系就可以由 电枢电流得到，见左 图。调节励磁就可以 调节同步电动机的功 率因数，从而使其工 作在超前、平激、滞 后三种状态。

不能满足，将造成逆变灭磁不成功，造成逆变颠覆，损坏主回路 元件及电机，往往出现正常运行的励磁装置停车后不能再次顺利 开车，经检查发现主回路元件或控制回路损坏的实例。 （2）采用全控桥式电路，由于励磁绕组系电感性负载，当可控硅 导通角较小电压波形出现过零时，就会有电流从Rf、KZ回路续流， 这也是采用全控桥式电路经常发生灭磁电阻发热的原因之一。 （3）全控桥式电路作为励磁装置的主电路，不能实现不停机完全 更换控制插件。为了达到不停机更换插件的功能，只能将控制系 统做成双系统或多系统、互为热备用，即一套运行，一套热备用。 当一套控制系统故障时，自动切换到另一套备用系统。但是采用 多CPU备份没有实际意义，复杂的备份逻辑会减少系统的平均无 故障工作时间，影响可靠性。
2
三：与电机所带负载性质有关
1.平稳负载。如风机、水泵等其负载特性与电机滑差有关； 2.脉动转矩。如往复式压缩机； 3.冲击性负载。如轧钢机。
四：与再整步转矩有关
整步转矩即同步振荡转矩，在电机失步后的异步驱动阶段。 起了引起机组震动、增加机组的机械和电磁损耗，增大制动 转矩等有害的作用，但在电机暂态过程的再整步阶段又起着 重要的积极因数。电机将依靠此整步力矩，利用准角和强励 的作用，将电机转子拉入同步。
励磁



励磁方式：有“恒角度”，“ 恒电流”， “ 恒电压”，“ 恒功率因数”四种方式，可 任意选择。出厂一般为“恒角度”方式。因该 运行方式为开环调节，现场一般不采用“恒角 度”方式。 励磁电压：根据电机负载类型进行设定，一般 为电机额定励磁电压的80%～95%。 励磁电流：根据电机负载类型进行设定，一般 为电机额定励磁电流的80%～95%。 触发角度：电机正常运行时，励磁电流对应的 角度。 功率因数：设定值为超前0.900～1。
KQ KZ
Rf
半控桥励磁装置主回路
有些主回路采用六个快熔，分别对应着各个可 控硅和二极管，但按上图位置安装快熔更佳。
第三章 励磁控制系统的投励方式

滑差投励
励 磁 控 制 系 统 的 投 励 方 式
1.传统励磁采用顺极性投励 2.LZK微机型励磁系统，按照“准角强 励”原则设计 。

计时投励
传统投励方式
励 磁 控 制 系 统 的 投 励 方 式
LZK励磁控制系统计时投励如下：
同步电动机采用全压异步启动可以计时投励，时间 投励的原理是把电机启动的加速过程，用时间来计 算。但是一般电机都优先采用滑差投励，只是在工 况有复杂干扰的情况下，而且该干扰控制器无法滤 除，给滑差投励的频率采样造成困难，从而采用记 时投励。

图 4-6 断电失步时电网电压曲线
西门子公司采用了在转子回路加互感器的方式
说明书中强调在滑 差大于3%时能可靠动作。 而现场工况中，经常出 现滑差小于3%；当电机 因转子回路断路而失步 时，也同样检测不到电 流信号，起不到失步保 护的作用。很明显保护 存在死区。

互 感 器
图 4-10 西门子公司对转子采样图
0 M 6 5 4 3 2 1
0.5
1
S
异步驱动特性曲线示意图
二：减少甚至消除电机的异步制动转矩
异步制动转矩公式为：M ye 异步制动转矩与励磁电势E的平方成正比，即与转子直流If 的平方成正比，要消除异步制动转矩就是要进行灭磁消除If。
r r a CD 1 S E X X CD d
励 磁 控 制 系 统 的 投 励 方 式
空载启动的投励情况：

电机在空载情况下很快就能进入亚同步，当控制器 在一定时间之内检测不到Uf的频率时，控制器就自 动认为电机已经进入同步 。如下图
励 磁 控 制 系 统 的 投 励 方 式

对于某些转速较低，凸极转矩较强的电机空载或特 轻载起动时，往往在尚未投励的情况下便自动进入 同步，系统内具有凸极性投励控制环节，在电机进 入同步后的1-2秒内自动投励。电机进入同步后，控 制系统自动控制励磁电压由强励恢复到正常励磁。


传统投励方式，由于投 励时间选择不当，出现 投励瞬间，电机震荡， 在现场往往能够听到冲 击声。（如右图） 传统采用投励插件式分 立元件结构，投励环节 精度不高，易发生故障。
励 磁 控 制 系 统 的 投 励 方 式
LZK微机型励磁系统投励方式
滑差投励 －采用准角强励 所谓准角投励，就物理概念而言，系指电 机转速进入临界滑差5%（即所谓的“亚同 步”，转速为额定转速的95%），按照电机投 励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产 生的磁场互相吸引力最大（即定子磁场的N极 与投励后转子绕组产生的S极相吸）。在准角 时投入强励，使吸力加大，这样电机进入同步 轻松、快速、平滑、无冲击。
4.1.2带励失步
电机带有正常或接近正常的直流励磁，而转子磁场却 不同步的异步运行状态，称为带励失步。
导致带励失步的原因是：




（1）相邻母线短路，引起母线电压大幅度降低；近处大型机组 或机组群瞬间启动引起母线电压长时间，较大幅度的降低见功角 特性图； （2）电机起动过程中励磁系统过早投励,即电机在启动过程中滑 差没有进入临界时就投入励磁,此时由定子产生的磁场还不足以拉 动转子磁极,反而会产生失步。 （3）运行中，电机短时间欠励磁或失励磁（如接插件接触不良） 引起失励失步，从失励失步过渡到带励失步； （4）以及由于供电线路遭受雷击，避雷器动作；负载突增（如 压缩机憋压，轧钢机咬冷钢）等原因所引起。
改进型半控桥式励磁装置主回路特点

主 回 路 的 选 择
KQ
KZ

Rf

断励续流灭磁或阻 容灭磁，可靠性高 系统可以利用半控 桥式主电路的结构 特点，实现不停机 更换励磁控制插件 线路相对简洁可靠
半控桥式励磁装置主回路
改进型半控桥主回路优点
（1）电机在停机或失步时，主回路采用半控 桥式电路，可根据工况选择阻容灭磁或断励续 流灭磁方式，或者两者皆用。 A:断励续流灭磁方式是在电机失步或停机时，励 磁控制系统立即停发触发脉冲，通过控制回路 断开励磁主回路接触器。依靠半控桥式结构特 点进行续流灭磁，这种灭磁方式独立可靠 B:阻容灭磁方式，这种灭磁方式灭磁速度更快。
再整步的整个过程为:


关桥
灭磁 改善异步驱动特性 进入临界滑差 带载再整步 达到同步运行状态


结束语

同步电机广泛应用于冶金、水利、石化、建材、矿山、 电力等工业领域，完善的励磁控制系统是其不可缺少 的重要部件。通过对当前国内励磁控制系统的应用状 况以及大量实例的解剖分析，指出了老式励磁装置所 存在的缺陷，并提出了新的设计方案，在此基础上开 发研制的LZK-3型同步电机励磁装置具有一系列显著 的特点，主电路设计新颍、简洁、实用，控制系统以 微处理器为核心，采用波形特征分析方法实现了励磁、 保护、故障报警等核心功能，同时为适应当前控制系 统的发展趋势，在可靠性、智能化、网络化等方面进 行了功能扩展。LZK-3型励磁控制装置已在国内多项 大型工程中获得了成功的应用。
第四章 同步电动机的失步危害、失步保护及 带载自动再整步技术


同步电机的失步事故分为三类： 失励失步 带励失步 断电失步
4.1.1 失励失步

失励失步的现象： （1）：电机丢转不明显，电机无异常声音； （2）：定子过流不大； （3）：表计显示很大的电流值； （4）：灭磁电阻会烧红； （5）：产生高压，造成励磁装置主回路元件损 坏；