1、同步電機勵磁控制系統的原理及應用同步電機勵磁控制系統的原理及應用o 序言序言o 主回路的選擇主回路的選擇o 同步電機的投勵方式同步電機的投勵方式o 同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術動再整步技術o LZK-3G勵磁控制系統勵磁控制系統第一章第一章 序言序言l同步電機由于其一系列優點，特別是轉速穩定、單機容量大、能向電網發送無功功率，支持電網電壓，在我國各行業已得到廣泛應用。l多數企業所用電機，一般異步電機數量較多，單機功率相對較小，且大多為380V低壓電機。異步電機在運行中需吸收無功功率，對于一個較大規模的用電單位，電機的選用一般遵循如下原

2、則：大功率、低轉速電機一般首選同步電機（隨著碳刷耐磨程度提高，許多大功率高速電機也越來越多的選用同步電機）。用電單位同步電機的運行容量一般在60%70%，而異步電機的運行容量在40%30%為佳。這樣同步電機輸出的無功功率與異步電機所吸收的無功功率相平衡且略有富裕。 序言n同步電動機在工業中的應用：同步電動機在工業中的應用：同步、異步電動機比較表 序言穩定性差，轉矩與端電壓平方成正比：穩定性高，轉矩與端電壓成正比： 穩 定 性 低 高效 率不可調，滯后可調，可工作在超前、平激、滯后功率因數隨著負載的改變而改變不隨負載的大小而 改變轉 速 異步電動機 同步電動機dSMemEUTsindsrsems

3、RUmT2使用異步電機需要對電網無功補償 由于異步電機需從電網吸收無功功率，而功率因數是供電部門對用戶考核的一個重要指標。一般采用以下方法進行無功補償： 1.采用靜電電容器補償 2.采用同步電機過勵補償但是采用靜電電容器補償存在以下缺陷： 序言采用靜電電容器補償存在缺陷1nQ0.5CU 在電網電壓高時，用戶無功補償需求量小，但電容量Q成平方關系變大，電容器補償無功會出現過補償現象；在電網電壓低時，用戶無功補償需求量大，但電容量Q卻成平方關系變小，電容器補償無功會出現欠補償現象；與我們期望的補償要求成平方關系相反的方向變化；采用靜電電容器補償存在缺陷2n 為了解決上述矛盾，許多場合采用功率因數自

4、動補償的方式，當功率因數過低的時候，增加電容器的投入數量；當功率因數過高的時候，減少電容器的投入數量，通過有級切換電容器的投運數量，達到功率因數的基本穩定。采用這種方法，雖然能保持功率因數的基本穩定，但畢竟是有級切換，不是無級連續的。為了保證功率因數的相對穩定，斷路器需頻繁動作，在容性負載下斷路器的頻繁切換，會大大降低其使用壽命；采用靜電電容器補償存在缺陷3、4n許多場合為了追求較高的功率因數，經常出現功率因數接近1甚至過激現象。由于異步電動機是感性負載，電容器是容性負載，在有些特殊情況下甚至出現并聯諧振或串聯諧振，產生大電流或高電壓，損傷電氣設備；n部分電容器的介質含有氰化物，這些電容器報廢

5、時還會造成一定的環境污染。同步電動機通過增加電機的勵磁電流，可以實現對電網無功補償 序言 在電網電壓在電網電壓U U為常為常值，電磁功率為值，電磁功率為常值常值時，勵磁電流與功率時，勵磁電流與功率因數的關系就可以由因數的關系就可以由電樞電流得到，見左電樞電流得到，見左圖。調節勵磁就可以圖。調節勵磁就可以調節同步電動機的功調節同步電動機的功率因數，從而使其工率因數，從而使其工作在超前、平激、滯作在超前、平激、滯后三種狀態。后三種狀態。0超前滯后定定子子電電流流ID勵磁電流勵磁電流If1cos 同步電機工作U形曲線同步電機補償意義 這樣既提高同步電動機運行的穩定性，又給企業帶來可觀的經濟效益。 序

6、言目前同步電機的使用現狀目前同步電機的使用現狀 n隨著現代化大生產的發展，機電設備越來越趨向大型化、自動化、復雜化、生產過程連續化，由機電設備群體組成的系統一旦失效，就會對企業的安全生產及產品質量造成極大的威脅。同步電機由于其具有一系列優點，特別是轉速穩定、單機容量大、能向電網發送無功功率，支持電網電壓，在我國各行業已得到廣泛應用，特別是在特大型企業，大型同步電動機擔負著生產的重任，其一旦停機或故障，將嚴重影響連續生產，特別嚴重的電機設備事故將導致停產時間的延長，造成企業經濟效益的嚴重損失，而長期以來發生同步電動機及其勵磁裝置損壞事故卻屢見不鮮。 序言同步電機的損壞主要表現1.定子繞組端部綁線

7、蹦斷，線圈表面絕緣蹭壞，連接處開焊；導線在槽口處斷裂，進而引起短路；運行中噪音增大；定子鐵芯松動等故障 。（見下一頁圖）2.轉子勵磁起動繞組籠條斷裂；繞組接頭處產生裂紋，開焊，局部過熱烤焦絕緣；轉子磁級的燕尾鍥松動，退出；轉子線圈絕緣損傷；電刷滑環松動；風葉斷裂等故障。 序言轉子繞組剖面圖 轉子模擬圖 定子繞組 序言第二章第二章 勵磁主回路的合理選配勵磁主回路的合理選配l傳統半控、全控橋勵磁主回路的比較l改進型半控、全控橋勵磁主回路比較 l勵磁控制系統主回路元件選配主回路的選擇勵磁柜主電路一般有四種主回路的選擇圖1圖2圖4圖3n在起動時左上圖正負方向電流明顯不平衡，產生直流電，引起電引起電機遭

8、受脈振轉矩強烈機遭受脈振轉矩強烈振動振動，電機起動過程電機起動過程所受強烈脈振是電機所受強烈脈振是電機產生暗傷逐步損壞的產生暗傷逐步損壞的重要原因之一重要原因之一。傳統半、全控橋主回路分析傳統半、全控橋主回路分析主回路的選擇KQRFZQ-if+ifE rr主回路的選擇上圖主回路在電機起動時有：ErifrErifRfrUfIf主回路的選擇ErifrErifRfr主回路的選擇IfNS電機脈震示意圖電機脈震示意圖主回路的選擇NSNSNSNSNSSNNSNS定子電流也因此而強烈脈動定子電流也因此而強烈脈動 n電機起動過程發出的強烈振動聲，甚至在整個大廳內都可以聽到。而且這種脈振會一直持續到電機起動結束

9、才消失，電機起動過程所受強烈脈震是電機損傷的重要原因之一。主回路的選擇Id實際定子電流曲線期望定子電流曲線T圖一：定子電流脈振圖主回路的選擇 電機起動時，隨著電機起動過程滑差減小，轉子線圈內感應電勢逐步減少，當轉子轉速達到50%以上時，勵磁回路感應電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態，同樣形成+if與-if電流不對稱，由此同樣形成脈振轉矩，造成電機產生強烈振動，損傷電機。因此傳統主回路逐漸被淘汰。改進型全控橋式勵磁裝置主回路缺點 ：n采用逆變滅磁，可靠性低，穩定性差n電機運行時滅磁電阻長期發熱n不能不停機更換控制組件n停機要保正控制回路不失電主回路的選擇改進型全控橋式勵磁裝置主回路

10、n（1）采用全控橋式電路，停機時或失步時，其勵磁控制系統的滅磁回路采用逆變滅磁的方式，而逆變滅磁要求電網電壓相對穩定、主回路（包括主橋6只可控硅、快熔、整流變壓器等）及控制回路完好，停機時主回路電源不能馬上停止。上述條件只要某一條件不能滿足，將造成逆變滅磁不成功，造成逆變顛覆，損壞主回路元件及電機，往往出現正常運行的勵磁裝置停車后不能再次順利開車，經檢查發現主回路元件或控制回路損壞的實例。n（2）采用全控橋式電路，由于勵磁繞組系電感性負載，當可控硅導通角較小電壓波形出現過零時，就會有電流從Rf、KZ回路續流，這也是采用全控橋式電路經常發生滅磁電阻發熱的原因之一。n（3）全控橋式電路作為勵磁裝置

11、的主電路，不能實現不停機完全更換控制插件。為了達到不停機更換插件的功能，只能將控制系統做成雙系統或多系統、互為熱備用，即一套運行，一套熱備用。當一套控制系統故障時，自動切換到另一套備用系統。但是采用多CPU備份沒有實際意義，復雜的備份邏輯會減少系統的平均無故障工作時間，影響可靠性。主回路的選擇n斷勵續流滅磁或阻容滅磁，可靠性高n系統可以利用半控橋式主電路的結構特點，實現不停機更換勵磁控制插件 n線路相對簡潔可靠主回路的選擇改進型半控橋式勵磁裝置主回路特點 半控橋式勵磁裝置主回路n（1）電機在停機或失步時，主回路采用半控橋式電路，可根據工況選擇阻容滅磁或斷勵續流滅磁方式，或者兩者皆用。A:斷勵續

12、流滅磁方式是在電機失步或停機時，勵磁控制系統立即停發觸發脈沖，通過控制回路斷開勵磁主回路接觸器。依靠半控橋式結構特點進行續流滅磁，這種滅磁方式獨立可靠B:阻容滅磁方式（見下頁圖），這種滅磁方式滅磁速度更快。改進型半控橋主回路優點改進型半控橋主回路優點主回路的選擇n n阻容滅磁是當電機失步和停機時，勵磁控制系統適時提供給可控硅KM一個脈沖，利用電容C1關斷主橋路上的可控硅，使電容C2及電阻R4吸收轉子能量進行滅磁，這種滅磁方式速度更快。主回路的選擇勵磁控制系統半控橋主回路優點勵磁控制系統半控橋主回路優點n（2）滅磁電阻狀態； 采用半控橋式電路，就不會有電流從Rf、KZ回路續流，而是通過可控硅和最

13、后一個導通的二極管，因此采用半控橋式電路滅磁電阻在運行過程中處于冷態；主回路的選擇 半控橋式勵磁裝置主回路勵磁控制系統半控橋主回路優點勵磁控制系統半控橋主回路優點（3）勵磁控制系統可以充分利用半控橋式主電路的結構特點，不停機更換勵磁控制器； 當勵磁裝置控制部分出現故障時，可利用半空橋電路“失控”的特點，實現不停機、不減載、不失勵的情況下從容更換。其基本原理如下： 在投勵后拔控制插件，由于電機勵磁繞組的大電感特性，使一只可控硅始終處于開通狀態，三分之二在整流狀態，三分之一在續流狀態。（如下頁圖）主回路的選擇 在選擇整流變壓器時，已合理選配二次電壓，使它既能滿足強勵要求，又在失控狀態下平均電壓與平

14、時運行電壓接近，滿足電機正常運行對勵磁的需求。當更換上備用控制插件后，勵磁裝置自動轉入正常工作狀態。 主回路的選擇Uft勵磁控制系統半控橋主回路優點勵磁控制系統半控橋主回路優點主回路熔斷器的位置選擇 有些主回路采用六個快熔，分別對應著各個可控硅和二極管，但按上圖位置安裝快熔更佳。 半控橋勵磁裝置主回路n減小諧波減小諧波 改善波形：改善波形： 盡管半空橋式電路比全控橋式電路諧波分量相對大些，但只要合理選擇整流變壓器參數，使勵磁裝置在正常運行時導通角相對增大，將整流變壓器接成/Y-11型，自動抵消諧波的主要成分三次諧波，降低諧波對電網的影響。n墊底處理墊底處理 避免失控：避免失控： 使用半控橋式電

15、路，當勵磁電流在很小時，會出現失控現象，而在同步電動機這一特殊領域，勵磁電流很低會造成電機失步，所以正常運行時，勵磁電流不應很低，不應該工作到失控區。通過設定墊底電壓（或電流）進行處理，可使勵磁裝置在正常情況下不出現失控。主回路的選擇半控橋主回路的設計注意事項半控橋主回路的設計注意事項半控橋主回路的設計注意事項半控橋主回路的設計注意事項n滅磁分級整定 滅磁系統分兩種狀態。電機異步狀態時，KQ可控硅處于低通狀態，在較低電壓下及時開通（類似于二極管），使電機起動時正負半波電流對稱。電機在同步狀態運行時，滅磁系統處于高通狀態，確保了可控硅KQ不誤導通，過電壓時又及時開通，過電壓消失后及時關斷。 半控

16、橋式勵磁裝置主回路半控橋、全控橋主電路比較總結半控橋、全控橋主電路比較總結n經上述分析、比較，可以說明： 在同步電動機勵磁裝置這特定場合，本著因地制宜的原則，主電路采用改進型半控橋式電路的勵磁裝置，技術上更為先進、完善，合理，有著全控橋式電路無法比擬的優越性。 主回路的選擇勵磁控制系統主回路元件選擇勵磁控制系統主回路元件選擇na滅磁電阻的選擇滅磁電阻的選擇nb.主回路元件的選擇主回路元件的選擇主回路的選擇 半控橋式勵磁裝置主回路第三章第三章 勵磁控制系統的投勵方式勵磁控制系統的投勵方式 n滑差投勵1.傳統勵磁采用順極性投勵2.LZK微機型勵磁系統，按照“準角強勵”原則設計 。n計時投勵勵磁控制

17、系統的投勵方式傳統投勵方式n傳統投勵方式，由于投勵時間選擇不當，出現投勵瞬間，電機震蕩，在現場往往能夠聽到沖擊聲。（如右圖）n傳統采用投勵插件式分立元件結構，投勵環節精度不高，易發生故障。勵磁控制系統的投勵方式LZK微機型勵磁系統投勵方式滑差投勵滑差投勵 采用準角強勵 所謂準角投勵，就物理概念而言，系指電機轉速進入臨界滑差（即所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉子回路中產生的磁場與定子繞組產生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉子繞組產生的S極相吸）。在準角時投入強勵，使吸力加大，這樣電機進入同步輕松、快速、平滑、無沖擊。 勵磁控制系統的投勵方式LZK勵磁控制系統的滑差投勵的過

18、程如下 ：勵磁控制系統的投勵方式勵磁控制器檢測滑差達到設定值時，在準角位置投勵。勵磁控制系統的投勵方式勵磁控制系統的投勵方式LZK勵磁控制系統計時投勵如下：同步電動機采用全壓異步啟動可以計時投勵，時間投勵的原理是把電機啟動的加速過程，用時間來計算。但是一般電機都優先采用滑差投勵，只是在工況有復雜干擾的情況下，而且該干擾控制器無法濾除，給滑差投勵的頻率采樣造成困難，從而采用記時投勵。 勵磁控制系統的投勵方式空載啟動的投勵情況：空載啟動的投勵情況： n電機在空載情況下很快就能進入亞同步，當控制器在一定時間之內檢測不到Uf的頻率時，控制器就自動認為電機已經進入同步 。如下圖n對于某些轉速較低，凸極轉

19、矩較強的電機空載或特輕載起動時，往往在尚未投勵的情況下便自動進入同步，系統內具有凸極性投勵控制環節，在電機進入同步后的1-2秒內自動投勵。電機進入同步后，控制系統自動控制勵磁電壓由強勵恢復到正常勵磁。勵磁控制系統的投勵方式勵磁控制系統的投勵方式 第四章第四章 同步電動機的失步危害、失步同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術保護及帶載自動再整步技術n同步電機的失步事故分為三類：同步電機的失步事故分為三類：n失勵失步失勵失步n帶勵失步帶勵失步n斷電失步斷電失步n失勵失步的現象失勵失步的現象：n（1）：電機丟轉不明顯，電機無異常聲音；n（2）：定子過流不大；n（3）：表計顯示很大的電流值

20、；n（4）：滅磁電阻會燒紅；n（5）：產生高壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞； 4.1.2帶勵失步 導致帶勵失步的原因是：n（1）相鄰母線短路，引起母線電壓大幅度降低；近處大型機組或機組群瞬間啟動引起母線電壓長時間，較大幅度的降低見功角特性圖；n（2）電機起動過程中勵磁系統過早投勵,即電機在啟動過程中滑差沒有進入臨界時就投入勵磁,此時由定子產生的磁場還不足以拉動轉子磁極,反而會產生失步。n（3）運行中，電機短時間欠勵磁或失勵磁（如接插件接觸不良）引起失勵失步，從失勵失步過渡到帶勵失步；n（4）以及由于供電線路遭受雷擊，避雷器動作；負載突增（如壓縮機憋壓，軋鋼機咬冷鋼）等原因所引起。 電機帶有正常

21、或接近正常的直流勵磁，而轉子磁場卻不同步的異步運行狀態，稱為帶勵失步。帶勵失步。 圖 4-5 BZT電路 4.1.3 斷斷 電電 失失 步步 當供電系統故障，引起供電線路自動重合閘ZCH裝置或備用電源投入BZT裝置動作，以及人工切換電源等，使同步電動機的供電電源短暫中斷而導致失步稱為斷電失步。圖 4-6 斷電失步時電網電壓曲線 0 斷電失步時定子波形的變化特征斷電失步時定子波形的變化特征 n 所謂“斷電”其實是一個不失壓的過程。電網失電后電壓不會立即消失，而是有一個非線性的變化過程。很明顯在只有同步電動機的電網中，斷電失步后，電壓衰減比只有異步電機的電網，有一個上升的區域。 TU存在同步電機的

22、電網電壓曲線僅有異步電機的電網電壓曲線 西門子公司采用了在轉子回路加互感器的方式西門子公司采用了在轉子回路加互感器的方式 互 感 器n 說明書中強調在滑差大于3%時能可靠動作。而現場工況中，經常出現滑差小于3%；當電機因轉子回路斷路而失步時，也同樣檢測不到電流信號，起不到失步保護的作用。很明顯保護存在死區。 圖 4-10 西門子公司對轉子采樣圖 圖 4-11 本公司對轉子采樣圖分流計 霍爾傳感器 在轉子回路上串接分流計或是霍爾傳感器檢測轉子里產在轉子回路上串接分流計或是霍爾傳感器檢測轉子里產生的不衰減的交變電流波形信號，根據該波形的特征來判斷生的不衰減的交變電流波形信號，根據該波形的特征來判斷

23、是否失步。是否失步。 4.3LZK型勵磁控制系統失步再整步技術型勵磁控制系統失步再整步技術n為了達到帶載自動再整步，必須要滿足以下幾點為了達到帶載自動再整步，必須要滿足以下幾點n一：改善電機的異步驅動特性一：改善電機的異步驅動特性S0M0.51123465 異步驅動特性曲線示意圖n 一般來說，電機容量越大，額定轉速越慢，則由電機的異步驅動特性圖看出，凹陷的深度越深，合理選擇接入電機的滅磁電阻的阻值，能夠改善電機的異步驅動特性，消除凹陷； 二：減少甚至消除電機的異步制動轉矩減少甚至消除電機的異步制動轉矩 異步制動轉矩公式為： 異步制動轉矩與勵磁電勢E的平方成正比，即與轉子直流If的平方成正比，要消除異步制動轉矩就是要進行