同步電機勵磁第一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二同步電機勵磁控制系統(tǒng)的原理及應用序言主回路的選擇同步電機的投勵方式同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術控制系統(tǒng)設計第二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第一章序言同步電機由于其一系列優(yōu)點，特別是轉速穩(wěn)定、單機容量大、能向電網發(fā)送無功功率，支持電網電壓，在我國各行業(yè)已得到廣泛應用。多數(shù)企業(yè)所用電機，一般異步電機數(shù)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(guī)模的用電單位，電機的選用一般遵循如下原則：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。序言同步電動機在工業(yè)中的應用：第三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二同步、異步電動機比較表序言穩(wěn)定性差，轉矩與端電壓平方成正比：穩(wěn)定性高，轉矩與端電壓成正比：

穩(wěn)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(shù)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第四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二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(shù)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?shù)遣捎渺o電電容器補償存在以下缺陷：序言第五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二采用靜電電容器補償存在缺陷1Q＝0.5CU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(xiàn)過補償現(xiàn)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(xiàn)欠補償現(xiàn)象；與我們期望的補償要求成平方關系相反的方向變化；2第六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二采用靜電電容器補償存在缺陷2為了解決上述矛盾，許多場合采用功率因數(shù)自動補償?shù)姆绞剑敼β室驍?shù)過低的時候，增加電容器的投入數(shù)量；當功率因數(shù)過高的時候，減少電容器的投入數(shù)量，通過有級切換電容器的投運數(shù)量，達到功率因數(shù)的基本穩(wěn)定。采用這種方法，雖然能保持功率因數(shù)的基本穩(wěn)定，但畢竟是有級切換，不是無級連續(xù)的。為了保證功率因數(shù)的相對穩(wěn)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；第七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二采用靜電電容器補償存在缺陷3、4許多場合為了追求較高的功率因數(shù)，經常出現(xiàn)功率因數(shù)接近1甚至過激現(xiàn)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(xiàn)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，產生大電流或高電壓，損傷電氣設備；部分電容器的介質含有氰化物，這些電容器報廢時還會造成一定的環(huán)境污染。第八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二同步電動機通過增加電機的勵磁電流，可以實現(xiàn)對電網無功補償序言在電網電壓U為常值，電磁功率為常值時，勵磁電流與功率因數(shù)的關系就可以由電樞電流得到，見左圖。調節(jié)勵磁就可以調節(jié)同步電動機的功率因數(shù)，從而使其工作在超前、平激、滯后三種狀態(tài)。0超前滯后定子電流ID勵磁電流If同步電機工作U形曲線第九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二同步電機補償示意圖同步電機在過激的情況下，提高自身的峰值轉矩，同時向異步電機提供無功功率(如左上圖)。這樣既提高同步電動機運行的穩(wěn)定性，又給企業(yè)帶來可觀的經濟效益。序言δP功角特性圖第十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二目前同步電機的使用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代化大生產的發(fā)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(xù)化，由機電設備群體組成的系統(tǒng)一旦失效，就會對企業(yè)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(yōu)點，特別是轉速穩(wěn)定、單機容量大、能向電網發(fā)送無功功率，支持電網電壓，在我國各行業(yè)已得到廣泛應用，特別是在特大型企業(yè)，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(xù)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(yè)經濟效益的嚴重損失，而長期以來發(fā)生同步電動機及其勵磁裝置損壞事故卻屢見不鮮。序言第十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二同步電機的損壞主要表現(xiàn)1.定子繞組端部綁線蹦斷，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(huán)松動；風葉斷裂等故障。序言第十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二轉子繞組剖面圖轉子模擬圖定子繞組序言第十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第二章

勵磁主回路的合理選配

傳統(tǒng)半控、全控橋勵磁主回路的比較改進型半控、全控橋勵磁主回路比較勵磁控制系統(tǒng)主回路元件選配主回路的選擇第十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁柜主電路一般有四種主回路的選擇圖1圖2圖4圖3第十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二在起動時左上圖正負方向電流明顯不平衡，產生直流電，引起電機遭受脈振轉矩強烈振動，電機起動過程所受強烈脈振是電機產生暗傷逐步損壞的重要原因之一。傳統(tǒng)半、全控橋主回路分析主回路的選擇圖一圖二第十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖一主回路的選擇上圖主回路在電機起動時有：第十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二因此出現(xiàn)如右圖二的轉子感應電壓、電流曲線圖。現(xiàn)將感應電流做直流交流成分分解如下：圖二UfIf主回路的選擇不難看出電機啟動過程中+if和-if相差較大，即：遠大于第十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二主回路的選擇IfNS圖二定子轉子示意圖電流if分解如上圖。If1分解為if2和if3。由于直流分量的存在，類似將轉子提前投勵磁，因而電機在旋轉磁場作用下強烈脈震。第十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二電機脈震示意圖

主回路的選擇NSNSNSNSNSSNNSNS轉子中有直流分量；定子旋轉磁場和轉子有相對運動.第二十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二定子電流也因此而強烈脈動

電機起動過程發(fā)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(xù)到電機起動結束才消失，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0第二十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二主回路的選擇傳統(tǒng)全控橋主回路電機起動時，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(tài)，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(tǒng)主回路逐漸被淘汰。第二十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二改進型全控橋式勵磁裝置主回路缺點：

采用逆變滅磁，可靠性低，穩(wěn)定性差電機運行時滅磁電阻長期發(fā)熱不能不停機更換控制組件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

KZKQRf觸發(fā)角為90度時輸出電壓Ud第二十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二（1）采用全控橋式電路，停機時或失步時，其勵磁控制系統(tǒng)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(wěn)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(xiàn)正常運行的勵磁裝置停車后不能再次順利開車，經檢查發(fā)現(xiàn)主回路元件或控制回路損壞的實例。（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(xiàn)過零時，就會有電流從Rf、KZ回路續(xù)流，這也是采用全控橋式電路經常發(fā)生滅磁電阻發(fā)熱的原因之一。（3）全控橋式電路作為勵磁裝置的主電路，不能實現(xiàn)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(tǒng)做成雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)、互為熱備用，即一套運行，一套熱備用。當一套控制系統(tǒng)故障時，自動切換到另一套備用系統(tǒng)。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(tǒng)的平均無故障工作時間，影響可靠性。主回路的選擇第二十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二斷勵續(xù)流滅磁或阻容滅磁，可靠性高系統(tǒng)可以利用半控橋式主電路的結構特點，實現(xiàn)不停機更換勵磁控制插件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

KZKQRf第二十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二（1）電機在停機或失步時，主回路采用半控橋式電路，可根據(jù)工況選擇阻容滅磁或斷勵續(xù)流滅磁方式，或者兩者皆用。A:斷勵續(xù)流滅磁方式是在電機失步或停機時，勵磁控制系統(tǒng)立即停發(fā)觸發(fā)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(xù)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(yōu)點

主回路的選擇第二十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

阻容滅磁是當電機失步和停機時，勵磁控制系統(tǒng)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。主回路的選擇第二十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁控制系統(tǒng)半控橋主回路優(yōu)點（2）滅磁電阻狀態(tài)；

采用半控橋式電路，就不會有電流從Rf、KZ回路續(xù)流，而是通過可控硅和最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(tài)；主回路的選擇半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf第二十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁控制系統(tǒng)半控橋主回路優(yōu)點（3）勵磁控制系統(tǒng)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(xiàn)故障時，可利用半空橋電路“失控”的特點，實現(xiàn)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(tài)，三分之二在整流狀態(tài)，三分之一在續(xù)流狀態(tài)。（如下頁圖）主回路的選擇第二十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二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(tài)下平均電壓與平時運行電壓接近，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(tài)。主回路的選擇勵磁控制系統(tǒng)半控橋主回路優(yōu)點第三十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二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

KZKQRf第三十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二減小諧波改善波形：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(shù)，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。墊底處理避免失控：使用半控橋式電路，當勵磁電流在很小時，會出現(xiàn)失控現(xiàn)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(qū)。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(xiàn)失控。主回路的選擇半控橋主回路的設計注意事項第三十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二半控橋主回路的設計注意事項滅磁分級整定滅磁系統(tǒng)分兩種狀態(tài)。電機異步狀態(tài)時，KQ可控硅處于低通狀態(tài)，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(tài)運行時，滅磁系統(tǒng)處于高通狀態(tài)，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。半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf第三十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二半控橋電路和全控橋電路比較總結半控橋全控橋斷勵續(xù)流、阻容滅磁可靠性高逆變滅磁可靠性差運行中滅磁電阻冷運行中滅磁電阻熱線路簡潔，穩(wěn)定性高線路復雜，穩(wěn)定性差能停機馬上切除電源停機不能馬上切除電源不停機完全更換控制器不能完全更換主回路的選擇第三十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二半控橋、全控橋主電路比較總結經上述分析、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(yōu)越性。

主回路的選擇第三十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁控制系統(tǒng)主回路元件選擇a．滅磁電阻的選擇b.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

KZKQRf第三十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二滅磁電阻的選擇滅磁電阻Rf的選擇滅磁電阻的大小對電機的啟動性能影響很大，應合理選配。同步電機中有鼠籠起動繞組，當電機定子通電時，由于旋轉磁場和轉子轉速差較大，產生較大的電流，轉子得到較大起動轉矩。除了鼠籠繞組起動力矩外，勵磁繞組也和滅磁電阻組成回路，有電流通過，形成“單軸轉矩”。因此選擇合適的滅磁電阻Rf對電機的順利起動是關鍵的。主回路的選擇第三十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二異步驅動特性曲線示意圖

加入滅磁電阻Rf就是為了改變電機的異步驅動特性。Rf的阻值大小應合理選擇，若選擇太小（見曲線4），仍然存在凹坑；若選擇太大（見曲線5），電機的穩(wěn)態(tài)轉速低，很有可能造成電機轉速不能進入臨界滑差（即所說的亞同步）。曲線6是合理選配滅磁電阻Rf的異步驅動特性曲線。主回路的選擇第三十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二主回路元件的選擇

主回路的選擇22選擇主回路可控硅、二極管、變壓器時，除考慮正常情況外，還應充分考慮滿足運行中不停機在線更換插件的需要。滿足運行中各種暫態(tài)擾動對元件的沖擊，如電網在不正常情況下發(fā)生短暫波動、雷電影響及出現(xiàn)負載波動、勵磁電壓波動等原因,都將出現(xiàn)定子磁場與轉子磁場間產生振蕩。這一振蕩，會在轉子回路產生2～3個周波的感應交變電勢，它釋放的途徑，通常都是通過正在導通的整流元件構成回路，雖然釋放時間很短，但最大電流的峰值，短時內有可能達到額定電流的10倍左右。使得元件允許承受的熱效應（I·T），遠小于這個沖擊電流所產生的熱效應（I·T），損壞可控硅元件。負半波會產生較高電壓，若電路設計不合理、元件參數(shù)選配不當，同樣會損壞主回路元件。這一點在裝置選擇元件時應引起足夠的重視，加大主回路元件的裕量。第三十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第三章勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

滑差投勵1.傳統(tǒng)勵磁采用順極性投勵2.LZK微機型勵磁系統(tǒng)，按照“準角強勵”原則設計。計時投勵勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二傳統(tǒng)投勵方式傳統(tǒng)投勵方式，由于投勵時間選擇不當，出現(xiàn)投勵瞬間，電機震蕩，在現(xiàn)場往往能夠聽到沖擊聲。（如右圖）傳統(tǒng)采用投勵插件式分立元件結構，投勵環(huán)節(jié)精度不高，易發(fā)生故障。勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二LZK微機型勵磁系統(tǒng)投勵方式滑差投勵－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(tǒng)的投勵方式

第四十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二LZK勵磁控制系統(tǒng)的滑差投勵的過程如下：勵磁控制系統(tǒng)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。第四十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二LZK勵磁控制系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的投勵方式

第四十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二空載啟動的投勵情況：

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。如下圖對于某些轉速較低，凸極轉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(tǒng)內具有凸極性投勵控制環(huán)節(jié)，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(tǒng)自動控制勵磁電壓由強勵恢復到正常勵磁。勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二勵磁控制系統(tǒng)的投勵方式

第四十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第四章同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術同步電機的失步事故分為三類：失勵失步帶勵失步斷電失步第四十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

4.1同步電機的失步危害

過電流繼電器不能兼作失步保護4.1.1失勵失步由于勵磁系統(tǒng)的種種原因失去勵磁或嚴重欠勵磁，使同步電動機失去靜態(tài)穩(wěn)定，滑出同步，稱為失勵失步。δ過功率正常功率欠功率P0功角特性圖NS功率角δ第五十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二失勵失步的現(xiàn)象：（1）：電機丟轉不明顯，電機無異常聲音；（2）：定子過流不大；（3）：表計顯示很大的電流值；（4）：滅磁電阻會燒紅；（5）：產生高壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞；第五十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二Id1.6~1.8Ie失勵失步時，電機的定子電流將略大于電機的額定電流，一般定子電流脈動包絡線的髙峰值約為額定電流幅值的1.6～1.8倍左右，而脈動低谷值則往往低達額定電流的0.8～1.2倍左右；定子電流的脈動高峰值雖然大于GL繼電器的過流整定值，但是時間很短，繼電器剛剛被啟動，在還沒有到達其動作時限之前，定子電流就又下來了，繼電器又被復位，因此GL繼電器在發(fā)生失勵失步時往往拒動作或是動作時間大大加長；

失勵失步造成的后果是：不易及時發(fā)現(xiàn)，電機長時間的處于失勵失步的運行狀態(tài)，導致啟動繞組過熱，變形，開焊；甚至波及到定子繞組端部，并進一步發(fā)展和擴大成為電機內部短路故障而燒壞電機；還有可能引起勵磁裝置中的滅磁電阻過熱燒斷，造成轉子開路，由過電壓打壞轉子絕緣，燒壞電機。過流整定值T圖4-1失勵失步的定子電流脈振曲線0.8～1.2Ie第五十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

4.1.2帶勵失步

導致帶勵失步的原因是：（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；（2）電機起動過程中勵磁系統(tǒng)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。（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；（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(tài)，稱為帶勵失步。第五十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二功角特性NS功率角δ當U大幅度降低或負載突增，造成電機失步。

δP過功率正常功率欠功率第五十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二0~1.0Ie過流整定值T1.8~3IeId圖4-3帶勵失步定子電流曲線定子電流包絡線的髙峰值為1.8～3Ie，低谷值為0～Ie倍。這種強烈的脈動定子電流使過電流繼電器不能動作或動作時間大大延長。帶勵失步時定子波形的顯著特點

第五十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-4帶勵失步時電機脈震圖NSNSNSNSNSSNNSNS

帶勵失步對電機的危害，主要在于脈振轉矩較長時間的反復作用，多次積累，產生疲勞效應，損壞電機。帶勵失步對電機的危害原因：第五十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

帶勵失步對電機的損傷表現(xiàn)在：（1）定子：脈震會使定子繞組導線崩斷，導線變酥，線圈表面絕緣層被振傷（線圈里面呈不均勻的鋸齒狀，嚴重時會因絕緣損壞而造成定子鐵芯擊穿而新線圈表面是平的），并逐步由過熱而烤焦、燒壞，甚至發(fā)展成短路；定子鐵芯松動，運行中噪音增大；見附圖（一）附圖一:（2）轉子：還會使轉子勵磁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(huán)松動；風葉斷裂。見附圖（二）附圖二：轉子繞組第五十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-5BZT電路

4.1.3斷電失步當供電系統(tǒng)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。第五十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖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

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(qū)域。TU存在同步電機的電網電壓曲線僅有異步電機的電網電壓曲線第五十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-7電網斷電后瞬間定子電壓頻率改變，幅值短暫上升后衰減

UTUT00電網電壓的頻率隨同步電動機的轉速的下降而逐漸降低。可控硅的開通角度也相應增大，從而使勵磁電壓提高，也因而母線電壓幅值進一步提高。12345同步電動機通常是超前運行的，在電源突然中斷后的短時間內，母線電壓是成螺旋型變化的；第六十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-8非同期沖擊在不同區(qū)域，電源再次投入后對電機的非同期沖擊程度有別。1處：為安全區(qū)域，不受沖擊；3處：沖擊力矩最大；4處：沖擊電流很大；2和5處：為受損傷區(qū)域；

非同期沖擊12345第六十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-9采用降壓加延時繼電器保護非同期沖擊T只有異步電機同步電機U0采用低電壓加延時來防止自動重合閘引起的非同期沖擊可靠性差

這種從原理上分析，如圖（4-9）當電壓降到40%的時候，時間太長，特別是當單機或是機組容量大時，時間會更長，而當時間越長電機轉速越低，此時投入電壓，相當于大電機或整個機群重啟動，同樣會造成過流跳閘，起不到提高供電可靠性的作用。第六十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

4.2LZK型勵磁控制系統(tǒng)失步保護

目前較普遍的有：1：反映電機定子電壓和定子電流之間相量角變化的功率因數(shù)型失步保護繼電器；2：根據(jù)電機失步時阻抗軌跡變化原理構成的偏置阻抗型保護繼電器；3：由檢測電機內角及轉差頻率復合式原理構成的失步保護；4：根據(jù)電機失步時在勵磁繞組中出現(xiàn)交流感應電流分量并加設轉子低電流動作環(huán)節(jié)原理構成的失步保護；5：利用勵磁回路中的電流在電機失步時出現(xiàn)瞬時低電流及其重復頻率原理構成的失步保護。第六十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二西門子公司采用了在轉子回路加互感器的方式

說明書中強調在滑差大于3%時能可靠動作。而現(xiàn)場工況中，經常出現(xiàn)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(qū)。圖4-10西門子公司對轉子采樣圖第六十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

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生的不衰減的交變電流波形信號，根據(jù)該波形的特征來判斷是否失步。

第六十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-12失勵失步波形圖

4.2.1LZK勵磁控制系統(tǒng)對失步波形的檢測

失勵失步波形特點：感應交變電流將以時間T為軸線，正負交變；第六十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-13帶勵失步波形圖1、2帶勵失步波形特點：這一交變分量與直流勵磁電流相疊加形成脈動電流；第六十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二圖4-14轉子斷條波形轉子斷條波形特點：檢測不到電流波形IfT圖4-16振蕩波形圖振蕩波形特點：電機正常運行中發(fā)生同步振蕩時，在原有的直流勵磁電流上疊加的交流感應電流分量具有迅速衰減的特點第六十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二NGJ延時環(huán)節(jié)DPJCYJ訊號變換環(huán)節(jié)出口繼電器電源側保護出口繼電器聯(lián)動信號保護出口信號圖（4-17）斷電檢測

4.2.2斷電失步保護斷點失步保護裝置是用用低頻繼電器DPJ和功率方向繼電器(逆功率繼電器)NGJ并聯(lián),并以二路電源同名相電壓相位差原理構成的繼電器CYJ作為閉鎖環(huán)節(jié)，組成斷電失步保護。第六十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二

4.3LZK型勵磁控制系統(tǒng)失步再整步技術為了達到帶載自動再整步，必須要滿足以下幾點一：改善電機的異步驅動特性異步驅動特性曲線示意圖一般來說，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；第七十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二二：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滅磁消除If。三：與電機所帶負載性質有關1.平穩(wěn)負載。如風機、水泵等其負載特性與電機滑差有關；2.脈動轉矩。如往復式壓縮機；3.沖擊性負載。如軋鋼機。四：與再整步轉矩有關整步轉矩即同步振蕩轉矩，在電機失步后的異步驅動階段。起了引起機組震動、增加機組的機械和電磁損耗，增大制動轉矩等有害的作用，但在電機暫態(tài)過程的再整步階段又起著重要的積極因數(shù)。電機將依靠此整步力矩，利用準角和強勵的作用，將電機轉子拉入同步。

第七十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二再整步的整個過程為:關橋

滅磁

改善異步驅動特性進入臨界滑差

帶載再整步達到同步運行狀態(tài)第七十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二再整步的波形圖為

第七十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第七十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第一章控制系統(tǒng)設計我們對勵磁主回路進行了細致的比較以及主回路元件的合理選配以后，為了實現(xiàn)同步電機安全、可靠、穩(wěn)定的運行，還必須設計有效的控制系統(tǒng)。目前勵磁系統(tǒng)常見的控制手段有：用PLC實現(xiàn)勵磁裝置的綜合控制、用工控機實現(xiàn)勵磁裝置的綜合控制、用單片機實現(xiàn)勵磁裝置的綜合控制。我們采用單片機來實現(xiàn)勵磁裝置的綜合控制。第七十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二5.1LZK-3型勵磁控制系統(tǒng)

1、控制系統(tǒng)特點：LZK-3型勵磁控制系統(tǒng)是以微處理器為核心的控制邏輯，實現(xiàn)了勵磁控制系統(tǒng)的所有邏輯功能：電機運行狀態(tài)檢測。啟動投勵時序控制。實時運行控制。故障診斷和保護。停機時序控制。第七十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二中央CPU單元板電源交直流220V轉換為5V12V脈沖板輸出版開關量模擬量輸入板開關量輸入及集單元數(shù)據(jù)采通訊板SPI&SCI顯示第七十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二為了保證系統(tǒng)高效可靠工作，在控制系統(tǒng)設計中采用了如下技術：

（1）控制系統(tǒng)核心為高集成度微控制器。（2）處理器采用外部WATCHDOG定時器和低電壓復位電路防止死機或程序跑飛，所有外部電路接口均光電隔離，保證處理器的可靠工作。（3）具有漢字提示和系統(tǒng)狀態(tài)顯示，全中文人機界面。（4）主從式RS-485通訊接口，完整的接口通訊協(xié)議，支持多機聯(lián)網，支持遠程操作。第七十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二為了保證系統(tǒng)高效可靠工作，在控制系統(tǒng)設計中采用了如下技術：（5）在線參數(shù)修改，EEPROM存儲，存儲參數(shù)設置校驗碼，保證參數(shù)的完整正確。（6）單一時鐘源，所有實時事件中斷驅動，高精度的數(shù)字計數(shù)器，計時誤差小于2微秒。（7）對運行狀態(tài)信號采用特征分析方法，由軟件智能識別電機啟動，滑差捕捉，失步處理，缺相、失控報警等。第七十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二控制系統(tǒng)除了能夠完成所需的基本邏輯功能外，還具備以下特性：高可靠性和高抗干擾能力。集成化，小型化，模塊化，智能化。采用數(shù)字技術實現(xiàn)高精度控制。遠程聯(lián)網，實時數(shù)據(jù)瀏覽，實時遠程控制。友好的人機接口界面，具有漢字提示，輸入出錯控制，系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。運行參數(shù)的現(xiàn)場設定重組功能及遠程設定功能。第八十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二系統(tǒng)主要控制環(huán)節(jié)介紹：（1）失控檢測控制環(huán)節(jié)：LZK-3型勵磁控制系統(tǒng)，在正常運行中，三相可控硅具有自動平衡系統(tǒng)，不須任何調試。三相可控硅導通角一致。由于外部因素，如觸發(fā)脈沖回路斷線或接觸不良，造成脈沖丟失，控制回路同步電源缺相或消失，主回路元件損壞（如熔斷器熔斷）造成主回路三相不平衡、缺相運行，但未造成電機失步（若失步，則由失步再整步或后備保護環(huán)節(jié)處理），系統(tǒng)能及時檢測到，若在定義的時間間隔后故障仍未消除，系統(tǒng)就控制報警繼電器閉合，接通報警回路，發(fā)出聲光信號，并在液晶顯示屏上給出“報警”、“缺相或失控”漢字指示。勵磁電壓波形

第八十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二失控或缺相報警，基本原理是利用電機進入同步后的正常運行狀態(tài)下，直流勵磁電壓波形為圖3（a）、（b）所示波形，但若出現(xiàn)圖3（c）、或（d）波形時，說明勵磁裝置在“缺相”或“失控”狀態(tài)下運行。控制系統(tǒng)是從直流勵磁正、負母線上測取直流電壓波形，經滅磁單元內（圖4）所示R7、R8、R9、R10、DZ1、DZ2回路變換成UF，經變換、整形，通過光耦隔離后輸入微處理器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動進行檢測、分析，而作出正確判斷。圖4ＫＱ控制及誤導通檢測、勵磁電壓信號變換第八十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二第八十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二（2）KQ可控硅誤導通檢測控制環(huán)節(jié)：為避免KQ可控硅因為電壓設定值太低或開通后關不斷，造成滅磁電阻RF長時間通電而過熱。裝置內設有KQ誤導通檢測控制環(huán)節(jié)，其基本原理是：若KQ未導通，在KQ與RF回路，直流勵磁電壓全部降落在KQ上，在滅磁電阻RF二端無電壓，滅磁電阻RF處于冷態(tài)。一旦出現(xiàn)KQ導通后，直流電壓降落在滅磁電阻上，裝置內繼電器RFJ線圈得電吸合，其接點信號通過變換、光隔輸入微處理器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到KQ導通信號（即RFJ接點信號）后，對于因過電壓引起的導通，控制系統(tǒng)指令其過電壓消失后自動關斷；對因電壓設定值太低造成的KQ誤導通、或導通后關不斷，系統(tǒng)指令控制報警繼電器閉合，接通報警回路，發(fā)出聲光信號，并在液晶顯示屏上留有“報警”、“滅磁電路誤通”漢字指示。第八十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二LZK-3型勵磁控制系統(tǒng)還具有多種閉環(huán)調節(jié)運行方式該系統(tǒng)可根據(jù)需要任意設定為閉環(huán)可調恒功率因數(shù)、恒電流、恒電壓或恒角度運行。在工控運行當中，用戶可以根據(jù)該項功能選擇合適的方式運行，以滿足不同的現(xiàn)場要求。其功能方式選擇與參數(shù)設定采用全中文菜單操作，非常直觀、簡便。電機的恒功率因數(shù)運行對節(jié)能增效具有十分重大的意義。上述所有環(huán)節(jié)控制過程均以微處理器為指揮中心，通過合理編程軟件控制外圍邏輯模塊自動處理，控制準確、高效、可靠。第八十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期二雙控制系統(tǒng)功能特點1：安全冗余的雙控制器，雙機之間采用同步串行通訊方式，自動進行數(shù)據(jù)的實時傳遞和狀態(tài)檢測。主機、從機狀態(tài)自動識別，主機為工作機，從機為熱備用狀態(tài)。雙機之間，當主機故障時能做到真正無擾動切換到備機工作。工作過程中，主機的運行狀態(tài)參數(shù)實時傳遞到備機中。

2：控制器采用了模塊化的結構，各功能板相對獨立，易于檢查及維修。

3：控制器采用了高可靠的開關電源供電，因此控制器既可以采用交流供電，也可以采用直流電源供電，可靠性極大提高。4：勵磁系統(tǒng)的人機界面采用觸摸式平板電腦，作為雙控制器的上位機可分別切換與主、從控制器通訊