浅谈无刷励磁同步电动机的应用研究

郝佳 郭建峰

(包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古包头 014080)

浅谈无刷励磁同步电动机的应用研究

郝佳 郭建峰

(包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古包头 014080)

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。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。

同步电动机 励磁装置

我厂主厂房有12台球磨机分四个系列，每个系列由一二三段共同作用来实现磨矿过程，其中一二段磨机由TMW2600-30/2860型同步电动机带动磨机筒体运转，三段磨机由TMW1750-30/2860型同步机带动磨机筒体旋转。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，在我厂应用较好。同步电动机在其负载过重时易造成失步，本文还介绍了同步电动机失步的危害及其保护。

1 同步电动机的工作原理

我厂因为负荷较大，转子要求有较大的飞轮矩，以防止电动机突然甩负荷时转速过高，所以转速不宜过大，故采用了凸极式同步电机。凸极式同步电机因其转子上有明显突出的磁极，气隙不均匀，极弧下气隙小，极间部分气隙大，转子呈扁平的盘装，故适应于低速运转。

三相同步电动机定子与异步机定子结构基本相同，而转子主要由主磁极、励磁绕组、磁轭、集电环、转轴、电刷等装置组成，所以也适用于异步启动。我厂同步机就采用异步起动法启动，起动时在其对称的三相定子绕组通入对称三相正弦交流电产生旋转磁场，转子励磁绕组中通入直流电产生与定子极数相同的恒定磁场。同步电机就是靠定转子之间的异性磁极的吸引力由旋转磁场带动磁性转子旋转。在理想空载的情况下，定转子磁极轴线重合。带上负载时，气隙间的磁感线被拉长，使定子磁极超前转子磁极一个Q角，这个角称为功角。在一定范围内，Q角越大，磁感线拉的越长，电磁转矩就越大。

图1 功角特性图

2 同步电动机的运行控制方式

我厂球磨机只能有10kv电源直接驱动点机恒速运行。对恒速运行，通过PLC控制柜，也可通过DCS，甚至在紧急情况下手动操作断路器，电机将在10kV母线上直接起动。当直接起动断路器闭合后，AC/AC励磁控制器将在预先设定的时间内施加励磁，将电机牵入同步。电机达到同步后，通过啮合离合器来起动磨机。通过断开离合器来使磨机停止，但电机将继续运行以备磨机下次被起动。通过断开恒速断路器，使电机单独停转。通过同时立即断开恒速断路器和打开离合器来实现紧急停车。磨机将在没有电机惯性下较快停止(如果保持离合器断开)，电机将由于摩擦力慢慢停止。

此同步电动机采用WKLF-400系列微机控制同步电动机励磁系统，其核心控制单元为Excitrol-400型励磁调节器，该系列的标准型产品型号为WKLF-402，配置双套Excitrol-400励磁调节器，具有双套调节器自动跟踪和故障自动切换的功能。在我厂使用过程中选配的是双套功率单元，主通道功率单元故障能自动切换至备用通道。励磁机采用准角投励，所谓准角投励，指电机转速进入临界滑差(即所谓的“亚同步”)，按照电机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大。在准角时投入强励，使吸力加大，这样电机进入同步轻松、快速、平滑、无冲击。

图2 功角特性

同步电动机还有一个重要的功能就是无功补偿，提高电网的功率因数。当直流励磁电流大于正常励磁电流时，电流励磁过剩，在交流方面不仅无需电源供电，而且还可以向电网发出点感性电流与电感性无功功率，正好补偿了电网附近电感性负载的需要.使整个电网的功率因数提高，为此我厂的功率因数均设置在0.9以上。

3 同步电动机励磁装置的常见失步的危害

3.1 失励失步

由于励磁系统的种种原因失去励磁或严重欠励磁，使同步电动机失去静态稳定，滑出同步，称为失励失步。(如图1)

失励失步的现象：

(1)电机丢转不明显，电机无异常声音；

(2)定子过流不大；

(3)表计显示很大的电流值；

(4)灭磁电阻会烧红；

(5)产生高压，造成励磁装置主回路元件损坏；

失励失步造成的后果是：不易及时发现，电机长时间的处于失励失步的运行状态，导致启动绕组过热，变形，开焊；甚至波及到定子绕组端部，并进一步发展和扩大成为电机内部短路故障而烧坏电机；还有可能引起励磁装置中的灭磁电阻过热烧断，造成转子开路，由过电压打坏转子绝缘，烧坏电机。

3.2 带励失步

电机带有正常或接近正常的直流励磁，而转子磁场却不同步的异步运行状态，称为带励失步。

导致带励失步的原因是：

(1)相邻母线短路，引起母线电压大幅度降低；近处大型机组或机组群瞬间启动引起母线电压长时间，较大幅度的降低见功角特性图；

(2)电机起动过程中励磁系统过早投励，即电机在启动过程中滑差没有进入临界时就投入励磁，此时由定子产生的磁场还不足以拉动转子磁极，反而会产生失步。

(3)运行中，电机短时间欠励磁或失励磁(如接插件接触不良)引起失励失步，从失励失步过渡到带励失步；

(4)以及由于供电线路遭受雷击，避雷器动作；负载突增(如压缩机憋压，轧钢机咬冷钢)等原因所引起。(如图2)

当U大幅度降低或负载突增，造成电机失步。

带励失步对电机的损伤主要表现在：

(1)定子：脉震会使定子绕组导线崩断，导线变酥，线圈表面绝缘层被振伤(线圈里面呈不均匀的锯齿状，严重时会因绝缘损坏而造成定子铁芯击穿而新线圈表面是平的)，并逐步由过热而烤焦、烧坏，甚至发展成短路；定子铁芯松动，运行中噪音增大；

(2)转子：还会使转子励磁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。

3.3 断电失步

供电系统故障，引起供电线路自动重合闸ZCH装置或备用电源投入BZT装置动作，以及人工切换电源等，使同步电动机的供电电源短暂中断而导致失步称为断电失步。(如图3)

同步电动机通常是超前运行的，在电源突然中断后的短时间内，母线电压是成螺旋型变化的；电网电压的频率随同步电动机的转速的下降而逐渐降低。可控硅的开通角度也相应增大，从而使励磁电压提高，也因而母线电压幅值进一步提高。

新型励磁控制系统具有完善可靠的带励失步、失励失步保护系统，保证电机在发生带励失步和失励失步时，快速动作，保护电机，使电机免受损伤。在电机失步后，可根据现场工况选择跳闸停机或不停机带载自动再整步。当采用不停机带载自动再整步方式时，整个过程平滑、快速、(仅需数秒钟)，不损伤电机，不必减负载，并设有后备保护环节，以保证电机的安全运行。

[1]同步电机励磁控制技术的应用.

[2]王明群.励磁装置在无刷同步电动机的应用[J].中国新技术新产品,2011年15期.

As the development of modern production, mechanical and electrical equipment are becoming more and more large-scale,automation,complication, continuous production process,a system of mechanical and electrical equipment group once the failure,can to enterprise's safety production and product quality caused great threat.Especially in super large enterprises,large synchronous motor shoulders on the responsibility of the production, once the outage or failure,will seriously affect the continuous production,special equipment accident will lead to a serious motor shutdown time,causing serious losses,the economic benefits of the enterprises and for a long time and its excitation device of synchronous motor damage accidents are not uncommon.

synchronous motor excitation device

郝佳(1987—),女,内蒙古巴彦淖尔市,助理工程师,学士学位(本科),主要从事电气技术管理。郭建峰(1986—),男,内蒙古包头市,技术员,专科,主要从事电气自动化点检。