同步电机励磁原理

同步机励磁控制系统 的原理及应用
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 LZK-3G励磁控制系统
序
第一章 序言
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。
垫底处理 避免失控：
使用半控桥式电路，当励磁电流在很小时，
会出现失控现象，而在同步电动机这一特殊领 域，励磁电流很低会造成电机失步，所以正常 运行时，励磁电流不应很低，不应该工作到失 控区。通过设定垫底电压（或电流）进行处理， 可使励磁装置在正常情况下不出现失控。
半控桥主回路的设计注意事项
灭磁分级整定 灭磁系统分两种状态。 电机异步状态时，KQ 可控硅处于低通状态， 在较低电压下及时开通 （类似于二极管），使 电机起动时正负半波电 流对称。电机在同步状 态运行时，灭磁系统处 于高通状态，确保了可 控硅KQ不误导通，过 电压时又及时开通，过 电压消失后及时关断。
到电机起动结束才
0
图一：定子电流 脉振图
消失，电机起动过 T 程所受强烈脉震是
电机损伤的重要原
因之一。
主
回
传统全控桥主回路
路 的
选
电机起动时，随着电机 择
起动过程滑差减小，转子线
圈内感应电势逐步减少，当
-If
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
方向电流明显不平衡，
产生直流电，引起电
机遭受脉振转矩强烈
振动，电机起动过程
图一
所受强烈脉振是电机
产生暗伤逐步损坏的
重要原因之一。
图二
+if
KQ ZQ
RF
-if
图一
上图主回路在 电机起动时有： if Er
r if Er
Rf r
主 回 路 的 选 择
Er
r
主
回
路
不难看出电机启动过程中+if和-if相差较大，
采用静电电容器补偿存在缺陷2
为了解决上述矛盾，许多场合采用功率因数 自动补偿的方式，当功率因数过低的时候，增 加电容器的投入数量；当功率因数过高的时候， 减少电容器的投入数量，通过有级切换电容器 的投运数量，达到功率因数的基本稳定。采用 这种方法，虽然能保持功率因数的基本稳定， 但毕竟是有级切换，不是无级连续的。为了保 证功率因数的相对稳定，断路器需频繁动作， 在容性负载下断路器的频繁切换，会大大降低 其使用寿命；
序
同步电动机通过增加电机的励磁电流， 言
可以实现对电网无功补偿
定
子
滞
电
后
流
ID
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
超前 调节同步电动机的功
率因数，从而使其工
0
cos 1
励磁电流 If
作在超前、平激、滞 后三种状态。
同步电机工作U形曲线
同步、异步电动机比较表
序 言
同步电动机
异步电动机
转速 功率因数 效率 稳定性
不随负载的大小而 随着负载的改变
改变
而改变
可调，可工作在超 不可调，滞后 前、平激、滞后
高
低
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 mEU sin M S d
Tem

msU
2
R
' r
主回路熔断器的位置选择
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。
主
回
半控桥主回路的设计注意事项
路 的
减小谐波 改善波形：
选 择
尽管半空桥式电路比全控桥式电路谐波分量相
对大些，但只要合理选择整流变压器参数，使
励磁装置在正常运行时导通角相对增大，将整 流变压器接成△/Y-11型，自动抵消谐波的主 要成分三次谐波，降低谐波对电网的影响。
回 路 的
选
择
a．灭磁电阻的选择
KQ KZ
b.主回路元件的选择
Rf
半控桥式励磁装置主回路
励
磁
控
制
第三章 励磁控制系统的投励方式
系 统 的
投
励
滑差投励
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
励
传统投励方式
磁 控 制
系
统
的
传统投励方式，由于投
主
回
改进型半控桥式励磁装置主回Baidu Nhomakorabea特点
路 的
选
择
断励续流灭磁或阻
容灭磁，可靠性高
KQ KZ Rf
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
主
改进型半控桥主回路优点
回 路
的
选
择
（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
与—-if电流不对称，由此同
样形成脉振转矩，造成电机
+If
产生强烈振动，损伤电机。
因此传统主回路逐渐被淘汰。
主
改进型全控桥式励磁装置主回路缺点 ：
回 路
的
选
择
采用逆变灭磁，可靠性 低，稳定性差
电机运行时灭磁电阻长 期发热
不能不停机更换控制组 件
停机要保正控制回路不 失电
KQ KZ
Rf
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。
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。
目前同步电机的使用现状
序 言
随着现代化大生产的发展，机电设备越来越趋 向大型化、自动化、复杂化、生产过程连续化， 由机电设备群体组成的系统一旦失效，就会对 企业的安全生产及产品质量造成极大的威胁。 同步电机由于其具有一系列优点，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， 特别是在特大型企业，大型同步电动机担负着 生产的重任，其一旦停机或故障，将严重影响 连续生产，特别严重的电机设备事故将导致停 产时间的延长，造成企业经济效益的严重损失， 而长期以来发生同步电动机及其励磁装置损坏 事故却屡见不鲜。
s sd
使用异步电机需要对电网无功补偿
序 言
由于异步电机需从电网吸收无功功率，而功率 因数是供电部门对用户考核的一个重要指标。 一般采用以下方法进行无功补偿： 1.采用静电电容器补偿 2.采用同步电机过励补偿
但是采用静电电容器补偿存在以下缺陷：
采用静电电容器补偿存在缺陷1
Q＝0.5CU2 在电网电压高时，用户无功补偿需 求量小，但电容量Q成平方关系变大，电容器 补偿无功会出现过补偿现象；在电网电压低时， 用户无功补偿需求量大，但电容量Q却成平方 关系变小，电容器补偿无功会出现欠补偿现象； 与我们期望的补偿要求成平方关系相反的方向 变化；
KQ KZ
Rf
半控桥式励磁装置主回路
主
励磁控制系统半控桥主回路优点
回 路 的
选
（3）励磁控制系统可以充分利用半控桥式主电 择
路的结构特点，不停机更换励磁控制器；
当励磁装置控制部分出现故障时，可利用半空
桥电路“失控”的特点，实现不停机、不减载、 不失励的情况下从容更换。
其基本原理如下：
在投励后拔控制插件，由于电机励磁绕组的大
采用静电电容器补偿存在缺陷3、4
许多场合为了追求较高的功率因数，经常出现 功率因数接近1甚至过激现象。由于异步电动 机是感性负载，电容器是容性负载，在有些特 殊情况下甚至出现并联谐振或串联谐振，产生 大电流或高电压，损伤电气设备；
部分电容器的介质含有氰化物，这些电容器报 废时还会造成一定的环境污染。
KQ KZ
Rf
半控桥式励磁装置主回路
主
回
半控桥、全控桥主电路比较总结
路 的
选
择
经上述分析、比较，可以说明：
在同步电动机励磁装置这特定场合，本 着因地制宜的原则，主电路采用改进型 半控桥式电路的励磁装置，技术上更为 先进、完善，合理，有着全控桥式电路 无法比拟的优越性。
主
励磁控制系统主回路元件选择
投 励
励时间选择不当，出现
方
式
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。
同步电机的损坏主要表现
序 言
1.定子绕组端部绑线蹦断，线圈表面绝缘蹭坏， 连接处开焊；导线在槽口处断裂，进而引起短 路；运行中噪音增大；定子铁芯松动等故障 。 （见下一页图）
2.转子励磁起动绕组笼条断裂；绕组接头处产生 裂纹，开焊，局部过热烤焦绝缘；转子磁级的 燕尾锲松动，退出；转子线圈绝缘损伤；电刷 滑环松动；风叶断裂等故障。
统适时提供给可控硅
KM一个脉冲，利用电
容C1关断主桥路上的
可控硅，使电容C2及
电阻R4吸收转子能量
进行灭磁，这种灭磁方
式速度更快。
主
励磁控制系统半控桥主回路优点
回 路 的
选
（2）灭磁电阻状态；
择
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；
的 选
即：
Uf
择
if

Er
远大于
if

Er
r
Rf r
因此出现如右图二的
If
转子感应电压、电流
曲线图。
现将感应电流做直流
交流成分分解如下：
图二
主
回
路
的
N
选
择
If
S
图二 定子转子示意图
电流if分解如上图。If1分解为if2和if3。由于 直流分量的存在，类似将转子提前投励磁， 因而电机在旋转磁场作用下强烈脉震。
（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。
电机脉震示意图
N N
S S
N S
N S
N S
N S
主 回 路 的 选 择
N N
S S
转子中有直流分量； 定子旋转磁场和转子有相对运动.
主
定子电流也因此而强烈脉动
回 路 的
选
电机起动过程发出 择
Id
实际定子电
流曲线
的强烈振动声，甚 至在整个大厅内都
期望定子电 流曲线
可以听到。而且这 种脉振会一直持续
改进型全控桥式励磁装置主回路
触发角为90度时输出电压Ud
主
（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
回 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 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 择
电感特性，使一只可控硅始终处于开通状态， 三分之二在整流状态，三分之一在续流状态。 （如下页图）
励磁控制系统半控桥主回路优点
Uf
主 回 路 的 选 择
t
在选择整流变压器时，已合理选配二次电压，使它既 能满足强励要求，又在失控状态下平均电压与平时运 行电压接近，满足电机正常运行对励磁的需求。当更 换上备用控制插件后，励磁装置自动转入正常工作状 态。
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（见下页图），这种灭磁方式灭 磁速度更快。
主
回
路

的

阻容灭磁是当电机失步
选 择
和停机时，励磁控制系
转子绕组剖面图
序 言 转子模拟图 定子绕组
主
第二章 励磁主回路的合理选配
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
主
回
路
励磁柜主电路一般有四种
的 选
择
图1
图2
图3
图4
主
回
传统半、全控桥主回路分析
路 的
选
择
在起动时左上图正负
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。