新型同步电动机励磁起动回路的设计Design of New Type Excitation Starting Circuit of Synchronous Motor

2015-09-01祝强

水泥技术 2015年5期

关键词：压敏电阻过电压励磁

祝　强

新型同步电动机励磁起动回路的设计
Design of New Type Excitation Starting Circuit of Synchronous Motor

祝强

本文通过总结南京华能电厂同步电动机的技术改造，提出一种新的电动机起动回路的设计。这对于建材行业中水泥工厂或矿山使用的球磨机或破碎机等同步电动机起动回路的技术改造，也是一个新颖的设计思路，是有效解决同步电动机起动问题的新途径。

微机励磁调节器；ZnO压敏电阻；滑差投励

1　原设备的状况

南京华能电厂原有四台磨煤机（其拖动电机为2MW6kV高压同步电动机），由于其励磁控制系统是早些年的俄罗斯模拟产品，因此许多环节（尤其是起动回路）存在安全隐患，该同步电动机励磁系统已对整个电厂的安全生产带来影响。南京华能电厂原起动回路如图1所示。

原起动过程如下：在起动时接入一个线性电阻Rqd，用一带常开、常闭联动触头的机械开关M切换，先不合M开关，其常开触头把励磁电源断开，其常闭触头闭合把起动电阻并接于励磁绕组的两端。只要起动电阻的值足够小，就能把起动时的滑差过电压限制在安全允许的范围内。到一定的延时（可整定的投励时间）后，励磁控制电路操作开关，其常闭接点断开切除起动电阻，同时常开接点闭合投入励磁电源，电动机随即被拉入同步运行。

图1　改造前电动机主回路图

从电机学中我们知道同步电动机的起动一般采用“异步法”，即开机时转子先不给励磁，定子直接并联高压（如6kV）母线，由于转子上装有短路的“阻尼绕组”，类似异步电机的“鼠笼”，定子电流产生的旋转磁场会在其中产生强烈的涡流，从而产生起动转距，其起动过程类似异步电动机。当起动升速到达亚同步转速时，再投入励磁，这时同步转距起作用把转子拉入同步。在整个异步起动过程中，转子与定子电流产生的旋转磁场不同步，嵌装在转子槽内的励磁绕组切割磁力线，会在其中产生感应电势。由于励磁绕组串联匝数较多，总电势会很高（滑差过电压），如不采取措施，势必会击穿转子绝缘和电路元件。

此起动方式原理上没有大的问题，但实际运行中有以下缺陷：

（1）开关频繁动作使触头烧损，机械结构复杂，维护麻烦。

（2）由于受模拟回路的元件参数影响，投励时间存在投励时刻不准确的情况，对转子起动存在冲击。

为此用户强烈要求：

（1）取消模拟励磁调节器及机械开关，改用微机励磁调节器及无触头的方案解决同步电动机的起动问题。

（2）投励的方式改为判滑差投励。

（3）安装过电压保护装置。

图2　ZnO伏安特性图

图3　ZnO直接跨接于转子侧方案原理图

图4　ZnO直接跨接于转子侧后试验录波图

2　方案的确定及实施

2.1针对原有设备第一个缺陷的改进

我们将控制器改为微机式（采用80C296），由于本文主要对起动及主回路做研究，调节器的内容不再详述。对于起动回路用氧化锌电阻RV代替线性电阻，则可以取消M开关，实现无触点起动的方案。在介绍改进的主回路前，先介绍一下ZnO的伏安特性（如图2）。

其两端电压在压敏电压U10mA以下时呈截止态，阻值为MΩ级；电压＞U10mA，立即转为导通态，阻值为Ω级。正常运行时，工作电压的峰值Ug＜0.6U10mA，此时的漏电流Ig为微安级，所以RV可直接跨接于励磁绕组两端而不需要M开关的常闭触头。起动时RV迅速导通，把滑差过电压限制在残压Uc以下，一般残压Uc=3Ug。正确选择RV的参数可确保转子绝缘和励磁回路元件的安全。在华能电厂的1号同步电动机上我们采取了该方案，即将压敏电压直接跨接于转子两端，励磁压敏电阻吸收转子在起动过程中的过电压及能量，同时投励方式采用时间投励，时间参数参考原来调节器的设定值，其主回路如图3所示。同时根据机组的参数：额定励磁电压=150V、额定励磁电流=200A、励磁变压器二次电压=230V，选择的压敏电阻的参数为：U10mA=600V、容量为0.45MJ。

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华能电厂的1号同步电动机在采取了该方案后，经过现场试验，录波如图4。

试验结果表明，用ZnO压敏电阻替代线性电阻作为同步电机的起动电阻可行，可以取消机械开关，减少维护量，增加运行的可靠性，缩短起动时间。选配起动用的ZnO压敏电阻时，在满足荷电率S＜0.6，尽量躲过异步运行的滑差电压，以及制造组合方便的前提下，应选取尽量低的残压，这样可以降低ZnO的能容量，并有利于保护电机转子回路的绝缘。虽然采用了ZnO压敏电阻起动有一系列的优点，但ZnO的价格比线性电阻高得多，所以从成本考虑，该方法并不是最佳，在后三台的改造中我们采用了线性电阻和压敏电阻相配合的方案。

线性电阻的优点是价格低、功率大，可以吸收大的容量，缺点是不能直接跨接在转子两端，而压敏电阻正好相反。如两者联合使用，可以互补缺点，达到珠联璧合的完美效果。具体的原理电路如图5所示。图中R为线性起动电阻，其阻值为Ω级，功率大，经过正反向可控硅V1和V2跨接在转子励磁绕组L两端。正常运行时V1和V2都不导通，故R被隔断。起动时，滑差过电压峰值一达到过电压触发器CF1和CF2的动作电压（该工程整定值为600V），触发器立即动作，发出触发脉冲使可控硅V1和V2导通，把电阻R并联于转子两端。由于滑差过电压是交变的，电压反向后原先导通的可控硅自行关闭。V1和V2轮流导通和关断，待转速上升到接近同步转速时，由于滑差减小，滑差过电压也减低了，当其峰值低于触发器CF1和CF2的动作电压时，V1和V2没有触发信号而相继关断，R又恢复隔断状态。这时控制器立即开通励磁电源投励，转子很快拉入同步。

正常运行中如发生正向过电压使CF1动作，V1导通接入R吸收过电压。但过电压消失后由于有正向励磁电压产生的续流大于V1的维持电流，V1将不能自行关断。这时控制器会使励磁电源U发生短时逆变，励磁电压短时变负而使V1关断。

2.2针对原有设备第二个缺陷的改进

图5　ZnO与线性电阻配合方案图

如果CF故障或动作迟缓，不能及时发出脉冲，V1/V2不能及时导通，则起动时相当转子开路，快速上升的极高的滑差过电压将会击穿V1/ V2、转子绝缘或整流桥元件。所以在转子两端又并联了一组ZnO压敏电阻，其标称电压650V比起动回路中的可控硅动作值略高，给励磁绕组安装后备过电压保护装置，也解决了原有设备的第三个缺陷。其动作电压的选择应遵从如下原则：

（1）必须大于的动作值，使其正常时不导通吸能。

（2）K倍U10mA应小于V1及V2、转子绝缘及整流元件的耐压并留相当的安全裕量，以保证上述元件、设备的安全。

（3）U10mA必须大于Ug/0.6，以保证其荷电率＜0.6。

压敏电阻的容量选的大则安全裕度大，但从经济角度出发又不能过大，一般至少应保证有两个并联支路。每个支路串联一只保护熔断器FU，此熔断器附加带微动开关的“熔断指示器”。如果CF1或CF2损坏，不导通，则起动时感生电流全部通过RV，可能使超限而热击穿，造成励磁短路。这时立即熔断，熔断指示器的常开接点闭合，通过控制器动作于定子开关跳闸，同时转子逆变灭磁，以防事故扩大。在后三台同步电动机的主回路中我门选择的压敏电阻的容量及参数为：U10mA=650V，容量为0.06MJ。

由于有两路或两路以上的并联工作，各支路不可能同时击穿。当某一支路击穿熔断时，仍有其余的完好支路在工作，可确保转子回路不受过电压的损坏。

2.3针对原有设备第三个缺陷的改进

我们在微机励磁调节器中增加了滑差投励，且将滑差投励作为主要的投励方式。在电动机起动的过程中，励磁绕组两端呈现正负交变的感应电压，其频率为滑差频率即定子电流或磁场的频率与转子转速频率的差。我们可以利用测取感应电压的周期（频率），如我们要求在滑差频率为5%时投励，则要求当测量的感应电压的周期为0.2s时投励。同时将计时投励作为后备投励方式，经过现场试验及机组的参数确认，如果用滑差投励方式一般机组定子开关合闸4s后滑差频率降到0.5Hz，所以我们将时间投励参数设为4.5s，作为后备方式。由于使用的80296C单片机的主频为10MHz，所以定时精确。在明确电机的起动参数及特性后设定的延时时间，即电动机定子侧开关合闸后，经过一定的延时时间再投励磁。

2.4改进起动回路后的工业试验

为了验证以上方案的实用效果，我们在南京华能电厂的2号磨煤机上做了工业试验录波，试验的电路同图5。