大型直流无刷励磁同步电动机

2015-04-14倪锋

科技视界 2015年17期

倪锋

（林德工程＜杭州＞有限公司工程中心电气组，浙江杭州 310000）

1 同步机的工作原理简述

同步电动机属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进电网系统的功率因数的。

当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，转子绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速（如98%），此时转子绕组经由直流电源激励，使转子上形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的转速直至与旋转磁场同步为止。

2 同步机的结构

同步电动机的结构如图1所示。

图1 无刷励磁同步电动机结构示意图

图1清楚的显示了无刷励磁部分与主机的转子是同轴连接的。此电机采用封闭空气内循环加水冷的冷却方式：在主机的两侧各有一个同轴风扇，当同步机转动时，机壳内两端的较冷空气会向电枢中心运动，吸收电枢的热量并把热量带给电机顶部的水冷却器。同步机的主体很传统，是六极凸极式绕线电机。两端的轴承采用滑动轴瓦。这也是大型电动机常规的设计。

这种电动机特别的设计在于它的同轴旋转励磁子系统。这个子系统包括了一台直流发电机，发电机的定子上有励磁绕组，而转子上是电枢绕组。当转子随同步主机一起旋转时就感生出交流电。发电机的转子绕组直接与整流回路相接。整流回路与转子同轴固定，即与转子相对静止。如图2所示，整流元件及其散热片等由高强度螺栓牢固固定在转子上。

3 励磁—整流回路的工作原理

直流励磁发电机的电路示意图如图3所示，它的结构很简单。其定子上是励磁回路，由外置的直流电源供电。转子是电枢部分。由图4可见，其电枢分为6相，依次相差60°；并分为两组，每组由相差120°的电枢绕组构成。

图2 整流器支架轮

图3 直流励磁发电机电路示意图

图4 励磁发电机的电枢绕组相序图

当同步机旋转时，这个励磁发电机电枢可以产生如上所述的六路交流电流，在理想情况下，波形是正弦的。把这样的交流正弦波转换为同步机所需的直流励磁电流则由旋转整流装置实现。

这个装置的第一部分是由12个大功率二极管和阻容回路构成的整流部分，如图5所示。

图5 双桥式阻容整流电路

图6 旋转整流装置的“点火回路”

第二部分是所谓的“点火回路”。这部分回路是针对同步机特殊的起动方式而设计的，如图6所示，包括起动限流电阻Rz和在点火模块A1控制下的两组晶闸管，电流经过这部分电路就流入同步机的转子，所以同步机的转子也串连在这部分回路里。

4 同步机的空载起动

同步机空载起动时，首先是在没有励磁电流的状态下异步起动。这段时间内，同步机的定子通上50Hz交流电，转子感应电流，通过T1、T2和Rz构成一个正向回路。通过Rz和二极管构成一个反向回路。Rz的作用是增加起动时的转子电阻，相当于大型异步机中的起动笼。

当同步机转速增加到接近同步速，而起动电流也减小到某个设定值之下后，开始投励过程。投励的目的是将异步运行的同步机强行牵入同步，并保持其同步运行，这时需要的励磁电流比较大。在确认投励成功后可以把励磁电流减小到合适的水平。投励的具体过程是：外置的直流电源启动，向直流励磁发电机提供励磁电流。此时发电机的转子已经随同步机高速运行，立即感生出交流电动势。这个电动势被点火模块A1探测到后，会立即停止导通T1、T2（即不再给出T1、T2的触发信号，但T1、T2上仍有电流流过，仍然保持导通状态），而给T3.1、T3.2以导通信号。在六相交流系统中，任一时刻总由某两相可以通过整流桥输出电流。此时输出的电流经过二极管和T1、T2串连回路形成闭合回路。在发电机的一个周波内，当2W相为相对最大正半波时，T1会承受一个反向电压而截止。电流经T2回到整流桥负侧桥臂上。再过1/6周期，1U相会取代2W相成为相对最大正半波，此时电流就不能再通过T1、T2，而只能通过同步机转子和T3.1、T3.2并联回路回到整流桥上。这时电流的方向不再由转子的感生电势来决定，而是固定的依照从（＋）到（－）的方向。T2上不再有电流流过，也截止。而晶闸管对T3.1，T3.2则一直导通。它们的作用是将起动电阻Rz从励磁回路中切除。从这时起，同步机转子上就有了直流励磁电流。

投励之后，电机被牵入同步速运行。其功率因数也会从起动时的感性变为容性。