同步电动机励磁系统的技术发展

讲述同步电动机励磁系统的发展历程。

同步电动机励磁系统的 技术发展1

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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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(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。

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(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。

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同步电动机可控硅励磁工作原理框图6

380V

整流 变压器

可控硅 整流 触发 脉冲 逆变 环节

灭磁 环节

同步 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

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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

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

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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

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图6

a=0º 时的整流输出波形

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图7 a=60º 时整流输出波形

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图8 a=90º 时的整流输出波形

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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。

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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