同步电动机励磁知识简介

同步电动机励磁知识简

介

Revised by Chen Zhen in 2021

重庆中鼎电气有限公司

一、基本知识

同步电动机起动方式

同步电动机起动方式主要有异步起动和变频起动。变频起动需一套专用调频电源，技术复杂且设备成本高，主要用于负载及转动惯量都很大的大容量高速同步电动机，国内钢厂有几套进口变频起动装置，其它行业一般不使用。异步起动是同步电动机常用的起动方式，视供用电系统容量采用全压起动或降压起动，降压起动分为电抗器降压和自耦变压器降压。

图 1-1 电抗器降压起动图 1-2 自耦变压器降压起动电抗器降压起动

图 1-1 为采用电抗器降压起动主接线及投全压开关合闸控制回路示意图。电抗器降压时施加于电机端电压电流降低的同时起动力矩相应降低较大，适用于系统容量小不允许直接全压起动且对起动力矩要求不高的机组，如供电系统容量小但又要求起动力矩大的场合，需采用自耦变压器降压起动。电抗器降压起动时，合 1DL，机组转速加速至投

全压滑差时（约），励磁装置投全压继电器 JQY 动作，控制 2DL 合闸，将母线电压直接施加于电机定子。

自耦变压器降压起动

图 1-2 示自耦变压器降压起动主接线及控制回路，两者都较电抗器降压起动复杂。励磁装置投全压继电器 JQY 需控制

2DL 跳闸及 3DL 合闸，操作顺序为 1DL 合闸---2DL 合闸---JQY 动作跳 2DL，

合 3DL。

不论全压起动还是降压起动，机组起动时间长短与起动时

机端电压及负载等有关，从励磁装置读写控制器上读出的机组各次起动时间有些差异属正常。

同步电动机无功调节特性

同步电动机正常运行时需从电网吸收有功，吸收有功功率大小取决于所带负载及电机本身有功损耗。同步电动机无功决定于励磁装置输出励磁电流，过励（超前）运行时，同步电动机向电网发无功；欠励（滞后）运行时，从电网吸收无功；正常励磁运行时，既不发无功，又不吸收无功，对应功率因数 COSΦ＝1。同步电动机 V 形曲线是指电机定子电流 I 和励磁电流 If 的关系曲线，见图 1-3。

同步电动机 V 形曲线图表明，功率因数为

1 运行时，定子电流最小，在此基础上增/

减磁，定子电流都将增加，增磁时功率因

数超前运行，减磁时功率因数滞后运行。利

用同步电动机 V 形曲线这一特点，在励磁

装置投闭环之前，可以检查接入励磁装置用

于测取功率因数的 PT 及 CT 外部接线是否

正确。

图 1-3 同步电动机 V 形曲线

利用同步电动机的无功调节特性，工业现场实际运行时，同步电动机工作在超前状态，可以就地补偿异步电机所需无功。

同步电动机运行稳定性

同步电动机正常运行时，由从电网吸收的电磁功率 Pem 与负载功率 Pf 维持动态平衡，电网电压及负载在正常波动范围内时，同步电动机都不会滑出同步而失步，这由其功角特性决定，如图 1-4 所示。

图1-4 功角特性曲线

功角特性：

负载突增而电压不变时，负载功率P 往上移，如无闭环调节，电磁功率曲线Pem 不变，运行功角δ增大，δ≥90°时，电机将失去同步；有闭环调节时，曲线Pem 同时上移，运行功角δ保持相对恒定，电机稳定性增加。

电压突降而负载不变时，如无闭环调节，因励磁装置 380V 励磁电源（取自电机同段母线）同时下降，励磁电势 E 近似与电压成正比下降，故电磁功率曲线 Pem 近似与机端电压 Ud 平方成正比下降，运行功角δ增大,电机稳定裕度大大减小；如采用闭环调节，Ud 下降的同时励磁电势 E 加大，Pem 基本不变，电机稳定性增加。

1. 4 同步电动机的失步危害及措施

同步电动机在正常运行时，其转速与电网频率严格对应（n＝60f/p），转子磁场和定子旋转磁场严格同步，这种严格的对应和同步关系是以转轴上转矩平衡为基础的。来自电网、负载等多种扰动一旦破坏转矩平衡关系，依靠电机的一定调节能力，以功角δ相应变化自动地调节电磁转矩大小，以抵消各种扰动引起的不平衡，使转轴上的转矩关系处于动态平衡。电机的这种调节能力有一定限度，当扰动超过一定限度时，就会导致电机失步。

按失步原因及性质不同，可分为三种类型：即带励失步、失磁失步和断电失步。带励失步一般由相邻出线端头短路故障、、附近大型机组起动或自起动引起母线电压较长时间较大幅度的降低，电动机所带负载的大幅度增加以及起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。带励失步对电动机所造成的危害主要是脉振转矩较长时间的反复作用，使电动机在绕组的端部和端部绑线、转子线圈的接头处、电动机轴和联轴器等部位承受正负交变的扭矩，影响机械强度和使用寿命，甚至造成设备的损坏。由于振荡转矩按转差频率脉振，电动机的电流、电压、功率等物理量会强烈振荡，在一定条件下可能引起电气和机械共振，导致事故扩大。

失磁失步因转子绕组匝间短路，励磁电源短暂中断、励磁系统设备故障等引起。同步电动机失磁异步运行时，由于定子过电流不大，约倍额定电流，电动机出力不减，运行无异常声音和振动，不易被值班人员发现，导致长时间失磁运行，引起转子绕组尤其是阻尼绕组的过热、开焊、甚至烧毁。

断电失步是由于供电系统故障及人为切换电源引起，如输电线路的自动重合闸动作、备用电源自动投入等；由于电源中断后重新投入的瞬间，电网电压矢量与机端感应电压矢量的相位关系存在随机性，两矢量相位差在 180°时对电机冲击最大。断电失步对电机主要危害在于电源重新恢复瞬间使电机遭受巨大的冲击电流和冲击转矩。

电机出现失步后，转子回路的物理量能反映出来，因此励磁装置应设有完备的失步检测环节，一旦检测出失步应根据情况分类处理，因电机本身故障引起的失步应跳闸停机，对非电机本身引起的失步，如外部条件许可，则应实施自动再整步。同步电动机自动再整步即在检测到失步后熄灭转子磁场，将电机暂时转入异步运行，在适当滑差时重新投入励磁将电机牵入同步运行。

三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路

在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳级组是同时进行控制的，控制角都是α。

下面将结合图1-5电路，分析三相桥式全控整流电路工

作的物理过程。

图1-5三相全控桥式整流电路

在习惯上希望三相全控

桥的六个晶闸管触发的顺序是

1－2－3－4－5－6，晶闸管是这样

编号的：

图

T1 和T4 接a相，T3 和T6 接b相，T5 和T2 接c相。T1、T3、T5 组成共阴极组，T2、T4、T6 组成共阳极组，如图1-5所示。为了搞清楚α变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析α＝0°的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。图1-6是波形，为了分析方便起见，把一个周期等分6段。在第（1）段期间，a相电位最高，因而共阴极组的 T1 被触发导通，b相电位最低，所以共阳极组的T6 被触发导通。这是电图1-6 感性负载，α＝0°时波形图

流由a相经T1 流向负载，再经Tb流入b相。变压器a、b 两相工作，共阴极组的a 相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为：Ud=Ua-Ub=Uab。经过60°后进入第（2）段时期。这时a相电位仍然最高，T1 继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相T2，电流即从b相换到c相，T6 承受反向电压而关断。这时电流由a相出经T1、负载、T2 流回电源c相。变压器a、c 两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为: Ud＝Ua－Uc＝Uac。再经过60°，进入第（3）段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通T3，电流即从a相换到b相，c相T2 因电位仍然最低而继续导通。此时变压器b、c两相工作，在负载上的电压为：Ud=Ub-Uc=Ubc。余依次类推。在第（4）段时期内，T3、T4 导通，变压器b、a两相工作。在第（5）段时期内，T4、T5 导通，变压器c、a 两相工作。在第（6）段时期内，T5、T6 导通，变压器c、b两相工作，再下去又重复上述过程。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是：

6－1→1－2→2－3→3－4→4－5→5－6 由上述三相桥式全

控整流电路的工作过程可以看出：

(1)三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组的，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。

(2)三相桥式全控整流电路对于共阴极组触发脉冲的要求是保证T1、T3 和T5 依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°对于共阳极组触发脉冲的要求是保证T2、T4 和T6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。在电感负载情况下，每个晶闸管导通120°。

(3)由于共阴极的晶闸管在正半周触发，共阳极组在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。例如接在a相的T1 和T4，接在b相的T3 和T6，接c相的T5 和T2，它们之间触发脉冲的相位差都是180°。

(4)三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管。例如由T1、T2换流到T2、T3。因此每隔 60°要触发一个晶闸管，触发脉冲的顺序是：1→2→3→4→5→6→1，依次下去。相邻两脉冲的相位差是60°，如图

1-3所示。

(5)为了保证在整流器合闸后，共阴极组和共阳极组应各有一个晶闸管导电，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。为了达到这个目的，可以采取两种办法；一种是使每个触发脉冲的宽度大于60°（必须小于

120°），一般取80°～100°,称为宽脉冲触发。另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发

一个触发脉冲，相当于用两个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲。这种方法称

双脉冲触发。这两种触发方式均示于图1-7中。例如当要求T1 导通时，除了给T1 发出

触发脉冲外，还要同时给T6 发一个触发脉冲。欲触发T2 时，必须给T1 同时发出一

图1-7 触发脉冲

个脉冲等。因此用双脉冲触发，在一个周期内对每个晶闸管须要连续触发两次，两次脉冲中间间隔为60°。双脉冲触发的电路，因为有补入和输出的要求，比较复杂，但

它可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积。用宽脉冲触发，虽然脉冲数目减少一半，为了不使脉冲变压器饱和，其铁芯体积要做得大些，绕组匝数多些，因而

漏感增大，导致脉冲的前沿不够陡（这对晶闸管多串多并时是很不利的），增加去磁绕组

可以改善这一情况，但又使装置复杂化。所以通常多采用双脉冲触发控制。

(6)整流输出的电压，也就是负载上的电压。它属于变压器二次的线电压。图1-7a

中的电压波形都是相对于变压器零点而言的相电压波形。三相全控桥计算控制角α的起点仍然是相电压的交点。整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头u ab、u ac、u bc、u ba、u ca 和u cb 均为线电压的一部份，是上述线电压的包络线。相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6×

50Hz=300Hz。

(7)晶闸管所承受的电压波形示于图形1-6d。三相桥式整流电路在任何瞬间仅有两臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。例如在第（1）段时期，T1 和T6 导通，此时T3 和T4 承受反向线电压Uba＝Ub－Ua。T2承反向线电压 Ubc＝Ub－Uc。T5承受反向电压Uca＝Uc－Ua。如果仅看一个晶闸管上的电压波形，例如T1，则在第（1）段和第（2）段期间，T1 导通，仅有很小的正向压降。在第（3）段和第（4）段期间，由于

T3 导通，故T1承受反向线电压Uab＝Ua－Ub。在第（5）和第（6）段期间，由于T5导通，T1承受反向线电压 Uac＝Ua－Uc。只要负载电流波形是连续的情况下，晶闸管上的电压波形总是由上述三部分组成。例如对T1来说，即导通段，波形与坐标轴重合，还有线电压Uab段和线电压Uac段共三段组成。当改变时，它也有规律的变化；当α＝0是，晶闸管不承受正向电压。当α变化时，其承受的正向电压与sinα成比例。熟识这些波形对调试设备很有帮助。其他五个晶闸管上的电压波形与T1相同，不过相位依次序逐个都要差60°。由图1-6d可以看出，晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。当α从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。至于电阻性负载，当α＞60°时，电流进入断续区。故α=60°时晶闸管承受最大的正向电压为：2U2l sinα＝2U2l sin60°＝

当控制角α＞0时，每个晶闸管都不在自然换相点换相，而是从自然换相点向后移一个α角开始换相。图1-8所示为电感负载α=30°时的电压波形。分析的方法与α=0时相同。可从α角开始把一个周期六等分。在第（1）段时期，T1 和T6 导通，其间虽经过共阳极组的自然换相点，c相电压开始低于b 相电压，T2 开始承受正向电压，但因未被触发所以不能导通。由T6 继续导电。这就是和不可控整流电路工作情况根本差别之处。直到距上次触发T1（ωt1）60°时触发T2，才迫使T6 关断，负载电流从T6 转移到T2上，进入第（2）段时期。此时导电元件为T1 和T2，负载上的电压由原来第（1）段时期的Uab 转为Uac，余类推。得到一个周期脉动六次的输出电压分别为Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca 和Ucb等，它们都属于线电压，各段都取其中的某一部分。作出线电压的整个波形，仍可见到线电压的交点与相电压的交点在同一位置，因而控制角α从线电压算起是无须怀疑的。图1-8表示电感性负载，α=60°时的电压波形。电路原先是T5 和T6 工作，在ωt1(相当于α)时触发T1，它因此刻承受正向电压而导通，并将T5 关断，负载电流便从T5 转移到T1，此时导电元件为T1 和T6，输出电压为Uab。过60°后Ua与Ub

相等，Uab=0，输出电压到达零点，但此时又立即触发T2，它承受正向电压而导通，并关断T6，负载电流从T6 转移到T2，此时导电元件为T1 和T2，输出电压为Uac。依此类推。图中也画出晶闸管T1 上的电压波形。它由三段组成：一段是线电压Uac，一段是导通期，与横坐标重合，另一段则是线电压Uab。当α>60°时，当线电压瞬时值为零并转负值时，由于电感的作用，导通着的晶闸管继续导通，图1-8 感性负载，α=30°波形整流输出出现了负的电压波形，从而使整流电压的平均值降低。图形1-10所示为电感性负载，α=90°时的电压波形。对应于ωt1（α=90°）时触发晶闸管T1，在触发前，假设电路已在工作，即T5和T6已导通。至ωt1 时触发T1 后，导电元件为T1 和T6，输出电压为Uab。当线电压Uab由零变负时，由于大电感存在，T1 和T6 继续导通，输出电压仍是Uab，

此时出现负值，直到ωt2 进触发 T2，才迫使T6 承受反向电压而关断，此时导电元件

为T1 和T2，输出电压为Uac。依此类推，周而复始继续下去，得到图1-10 的输出电压

波形。T1 两端的电压波形亦表示在图1-10上。

图1-9感性负载，α=60°波形图1-10感性负载，α=90°波形

可以看出，当电流连续的情况下，α=90°时输出电压的波形面积正负两部分相等，电压的平均为零。电感性负载。其负载电流的波形是一条水平线。设其幅值为Id，由于晶闸管每周期导电120°，电流波形为长方波，流过晶闸管的电流有效值为:

它的值与α的大小无关。至于电阻性负载，当α≤60°时，由于输出电压波形连续，因此电流波形亦连续。在一周期中，每个晶闸管导电120°。负载电流i d ＝U d/R，整

流电压波形与电感性负载时相同。当α>60°时，由于线电压过零变负时，晶闸管即阻断，输出电压为零，电流波形转变为不连续，不像电感性负载那样出现负压。图1-7表

示电阻负载，α=90°时的电压波形。可以看出，在ωt1（α=90°）时，同时触发晶闸管T1 和T6，因此时a相电压大于b相电压，故T1 和T6 都能导通，输出电压为Uab。至共阴极自然换相点时，Ua=Ub，线电压Uab=0，之后a相电压将低于b相电压，T1 和T6 都因承受反向电压而关断。此时输出电压和电流都为零，电流出现断续现象。至ωt2 时刻触发T1 和T2，同理它们导通，输出电压为Uac。当Uac由零变负，T1 和T2 又都承受反向

电压而关断。如此类推，周而复始得到一系列断续的电压波形。

可以看出，当α>60°，输出电压和电流波形不连续，一周期中每个晶闸管分两次导电，导电2×（120°－α）。当α=120°时，输出电压为零，可见电阻负载时，最大移相范围是120°。三相桥式全控整流电路整流电压与控制角的关系三相桥式全控整流电路在具体分析中例如电感性负载或者电阻性负载，图1-11纯阻负载，α=90°波形不论α为何值，负载上的输出电压都是两相之间的线电压的某一部分。实质上就是三相线电压的整流。它相当于以线电压为幅值一周期有6个脉波的六相半波整流

图1-11纯阻负载

电路。因此，亦可直接从线电压入手计算其平均值。为了简化计算，由于输出电压的波形每隔60°就重复一次，所以计算直流输出电压的平均值不必计算整个周期，在60°范围内取其平均值即可。在三相星形接法的电路中，线电压较其相应的相电压超前30°，而幅值是相电压

的3倍。例如Uab=Ua－Ub=Ua<30°。在上述绘制电压波形的所有计算中，都是以a相的相电压为零时作为坐标的原点进行绘制的。因此相电压Ua的表达式为2U2sinωt。自然换相点在ωt=30°处。为了简化计算，今把线电压Uab的零点作为新坐标的原点，即比原来的坐标提前30°。因而在新坐标上，自然换相点的位置在ωtˊ=60°＝л/3处。控制角α仍应从自然换相点算起。下面整流电压的计算，都立足于这个条件而定出积分的上下限的。在图1-7中已表示出相电压Ua与线电压Uab的关系，Uab的零点导前Ua的零点30°。

(一)电阻性负载

作出以线电压Uab的零点为坐标原点的线电压波形。其自然换相点在60°处，它

是线电压Ucb与Uab的交点，如图1-12所示。可以看出，当α≤60°时电流连续。

α>60°时，电流要断续，因此求输出平均电压就要分两种情况。

1．当0≤α≤л/3时

整流电压的平均值可以根据图1-12求出，线电压Uab的表达式为

3×2U2sinωt，在л/3范围内积分的上下限分别为2л/3+α和л/3+α。因此当控制角为α时，整流电压的平均值为

如用线电压有效值U2l 表示，则

2．当л/3<α<2л/3时

整流电压的波形如图1-12所示。当α>л/3时，输直流电压平均值为

图1-12α≤60°计算整流电压的波形图1-13α>60°计算整流电压的波形

上式中，积分上限原为2л/3+α，现因α>л/3，因此只能积到л。当α=2л/3时，Ud=0；所以由公式推导可以看出，电阻性负载的最大移相范围是2л/3。

(二)电感性负载对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是2л/ 3，即使α>л/3，上式积分的上限可以超过π，仍为2л/3+α。因此当控制角为α时，整流输出的直流电压平均值为

如用线电压有效值U2l 表示，则

Ud与控制角α的关系如图形1-14中曲线所示。这种电路在大电感负载工作于整流状态下，要求最大移相范围为90°。

在三相桥式全控整流电路中，共阴极组晶闸管

与共阳极组晶闸管共用一套变压器的二次绕组。

共阴级组在正半周导通，在电感性负载下导通

120°。共阳极组在负半周导通，导电时间也

是

120°。接在同一相上的两个晶

闸管的电流在相位上差180°，

大小相等，方向相反。设负载电流

的平均值为Id，则变压器二次绕组图形1-14 整流电压与α的关系

中每相电流的有效值I2（设变压器二次为星形接法）为

由于变压器二次绕组的电流没有直流分量，所以一次绕组中的电流波形与二次绕组中的电流波形一样。根据变压器一、二次安匝相等的原则，可以求出一次绕组的电流I1。

二、晶闸管智能模块

晶闸管智能模块的诞生，是电力调控技术的一场革命，它使传统电力调控领域的诸多难点，如电路复杂、体积庞大、调试困难、安装不便、难以使用等各种技术障碍，被一并逾越。从而使从们对电力控制达到了随心所欲的完美境界。

2．1产品用途

该模块完整的三相电力移相调控系统，可广泛应用于交直流电机的调速、工业电气自动化、固体开关、调温、调光、电镀、稳压、机电一体化、军工通讯等领域。

2．2产品特点

功率晶闸管与触发控制系统集成为一体，可实现兔调试、免维护，给用户带来极大方便。

移相触发控制电路与主电路完全隔离，主电路与底板完全隔离，安全可靠，安装毋需另加绝缘。

主电路输入电压范围宽（AC450V——30V电压均可）。

给控制端一个0——10V的信号，主电路输出电压平滑可调。

由于采用高性能元器件，以及DCB陶瓷履铜板、钼履铜板、高热导弹性硅凝胶等优秀材料，加之设计合理，工艺先进，检测手段齐全，因而可靠性很高，热负载循环次数可达万次。

模块既可手动控制，也可用仪表或计算机控制，且抗干扰能力强。

体积小，重量轻，节材节电效果显着。

2．3 、接线示意图

TMDS和TMFS励磁系统系采用晶闸管智能模块作为功率元件。

三、PLC简介

1．PLC的定义及其类型

可编程序控制器简称PLC，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为

一体的新型工业自动控制装置。

（1）按容量和功能分

可分为小型机、中型机和大型机三类。

（2）按硬件结构分

可分为整体式、插件式和叠装式三种。

2．PLC的特点

（1）可靠性高

（2）编程简单

（3）通用性强

（4）体积小、结构紧凑、安装及维护方便

3．PLC与继电器控制的区别

在PLC的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是PLC梯形图的标注大致上沿用了继电器控制的叫路元件符号，仅个别处有些不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但PLC的控制与继电器的控制又有不同之处，主要表现在以下几个方面。

控制逻辑：

工作方式：

控制速度：

限时控制：

计数控制：

设计和施工：

可靠性和可维护性：

价格

4．PLC的基本结构

目前PLC生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致相同，如下图：

主要包括：CPU，RAM，ROM和输入、输出接口电路等。

5．PLC的工作原理

PLC采用循环扫描要作方式。用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。