淺談無刷勵磁同步電動機的應用研究

郝佳 郭建峰

(包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司,內蒙古包頭 014080)

淺談無刷勵磁同步電動機的應用研究

郝佳 郭建峰

(包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司,內蒙古包頭 014080)

隨著現代化大生產的發展,機電設備越來越趨向大型化、自動化、復雜化、生產過程連續化,由機電設備群體組成的系統一旦失效,就會對企業的安全生產及產品質量造成極大的威脅。特別是在特大型企業,大型同步電動機擔負著生產的重任,其一旦停機或故障,將嚴重影響連續生產,特別嚴重的電機設備事故將導致停產時間的延長,造成企業經濟效益的嚴重損失,而長期以來發生同步電動機及其勵磁裝置損壞事故卻屢見不鮮。

同步電動機 勵磁裝置

我廠主廠房有12臺球磨機分四個系列，每個系列由一二三段共同作用來實現磨礦過程，其中一二段磨機由TMW2600-30/2860型同步電動機帶動磨機筒體運轉，三段磨機由TMW1750-30/2860型同步機帶動磨機筒體旋轉。同步電機由于其具有一系列優點，特別是轉速穩定、單機容量大、能向電網發送無功功率，支持電網電壓，在我廠應用較好。同步電動機在其負載過重時易造成失步，本文還介紹了同步電動機失步的危害及其保護。

1 同步電動機的工作原理

我廠因為負荷較大，轉子要求有較大的飛輪矩，以防止電動機突然甩負荷時轉速過高，所以轉速不宜過大，故采用了凸極式同步電機。凸極式同步電機因其轉子上有明顯突出的磁極，氣隙不均勻，極弧下氣隙小，極間部分氣隙大，轉子呈扁平的盤裝，故適應于低速運轉。

三相同步電動機定子與異步機定子結構基本相同，而轉子主要由主磁極、勵磁繞組、磁軛、集電環、轉軸、電刷等裝置組成，所以也適用于異步啟動。我廠同步機就采用異步起動法啟動，起動時在其對稱的三相定子繞組通入對稱三相正弦交流電產生旋轉磁場，轉子勵磁繞組中通入直流電產生與定子極數相同的恒定磁場。同步電機就是靠定轉子之間的異性磁極的吸引力由旋轉磁場帶動磁性轉子旋轉。在理想空載的情況下，定轉子磁極軸線重合。帶上負載時，氣隙間的磁感線被拉長，使定子磁極超前轉子磁極一個Q角，這個角稱為功角。在一定范圍內，Q角越大，磁感線拉的越長，電磁轉矩就越大。

圖1 功角特性圖

2 同步電動機的運行控制方式

我廠球磨機只能有10kv電源直接驅動點機恒速運行。對恒速運行，通過PLC控制柜，也可通過DCS，甚至在緊急情況下手動操作斷路器，電機將在10kV母線上直接起動。當直接起動斷路器閉合后，AC/AC勵磁控制器將在預先設定的時間內施加勵磁，將電機牽入同步。電機達到同步后，通過嚙合離合器來起動磨機。通過斷開離合器來使磨機停止，但電機將繼續運行以備磨機下次被起動。通過斷開恒速斷路器，使電機單獨停轉。通過同時立即斷開恒速斷路器和打開離合器來實現緊急停車。磨機將在沒有電機慣性下較快停止(如果保持離合器斷開)，電機將由于摩擦力慢慢停止。

此同步電動機采用WKLF-400系列微機控制同步電動機勵磁系統，其核心控制單元為Excitrol-400型勵磁調節器，該系列的標準型產品型號為WKLF-402，配置雙套Excitrol-400勵磁調節器，具有雙套調節器自動跟蹤和故障自動切換的功能。在我廠使用過程中選配的是雙套功率單元，主通道功率單元故障能自動切換至備用通道。勵磁機采用準角投勵，所謂準角投勵，指電機轉速進入臨界滑差(即所謂的“亞同步”)，按照電機投勵瞬間在轉子回路中產生的磁場與定子繞組產生的磁場互相吸引力最大。在準角時投入強勵，使吸力加大，這樣電機進入同步輕松、快速、平滑、無沖擊。

圖2 功角特性

同步電動機還有一個重要的功能就是無功補償，提高電網的功率因數。當直流勵磁電流大于正常勵磁電流時，電流勵磁過剩，在交流方面不僅無需電源供電，而且還可以向電網發出點感性電流與電感性無功功率，正好補償了電網附近電感性負載的需要.使整個電網的功率因數提高，為此我廠的功率因數均設置在0.9以上。

3 同步電動機勵磁裝置的常見失步的危害

3.1 失勵失步

由于勵磁系統的種種原因失去勵磁或嚴重欠勵磁，使同步電動機失去靜態穩定，滑出同步，稱為失勵失步。(如圖1)

失勵失步的現象：

(1)電機丟轉不明顯，電機無異常聲音；

(2)定子過流不大；

(3)表計顯示很大的電流值；

(4)滅磁電阻會燒紅；

(5)產生高壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞；

失勵失步造成的后果是：不易及時發現，電機長時間的處于失勵失步的運行狀態，導致啟動繞組過熱，變形，開焊；甚至波及到定子繞組端部，并進一步發展和擴大成為電機內部短路故障而燒壞電機；還有可能引起勵磁裝置中的滅磁電阻過熱燒斷，造成轉子開路，由過電壓打壞轉子絕緣，燒壞電機。

3.2 帶勵失步

電機帶有正常或接近正常的直流勵磁，而轉子磁場卻不同步的異步運行狀態，稱為帶勵失步。

導致帶勵失步的原因是：

(1)相鄰母線短路，引起母線電壓大幅度降低；近處大型機組或機組群瞬間啟動引起母線電壓長時間，較大幅度的降低見功角特性圖；

(2)電機起動過程中勵磁系統過早投勵，即電機在啟動過程中滑差沒有進入臨界時就投入勵磁，此時由定子產生的磁場還不足以拉動轉子磁極，反而會產生失步。

(3)運行中，電機短時間欠勵磁或失勵磁(如接插件接觸不良)引起失勵失步，從失勵失步過渡到帶勵失步；

(4)以及由于供電線路遭受雷擊，避雷器動作；負載突增(如壓縮機憋壓，軋鋼機咬冷鋼)等原因所引起。(如圖2)

當U大幅度降低或負載突增，造成電機失步。

帶勵失步對電機的損傷主要表現在：

(1)定子：脈震會使定子繞組導線崩斷，導線變酥，線圈表面絕緣層被振傷(線圈里面呈不均勻的鋸齒狀，嚴重時會因絕緣損壞而造成定子鐵芯擊穿而新線圈表面是平的)，并逐步由過熱而烤焦、燒壞，甚至發展成短路；定子鐵芯松動，運行中噪音增大；

(2)轉子：還會使轉子勵磁繞組接頭處產生裂紋、開焊、局部過熱烤焦絕緣，轉子磁級的燕尾鍥松動、退出；轉子線圈絕緣損傷；電刷滑環松動；風葉斷裂。

3.3 斷電失步

供電系統故障，引起供電線路自動重合閘ZCH裝置或備用電源投入BZT裝置動作，以及人工切換電源等，使同步電動機的供電電源短暫中斷而導致失步稱為斷電失步。(如圖3)

同步電動機通常是超前運行的，在電源突然中斷后的短時間內，母線電壓是成螺旋型變化的；電網電壓的頻率隨同步電動機的轉速的下降而逐漸降低。可控硅的開通角度也相應增大，從而使勵磁電壓提高，也因而母線電壓幅值進一步提高。

新型勵磁控制系統具有完善可靠的帶勵失步、失勵失步保護系統，保證電機在發生帶勵失步和失勵失步時，快速動作，保護電機，使電機免受損傷。在電機失步后，可根據現場工況選擇跳閘停機或不停機帶載自動再整步。當采用不停機帶載自動再整步方式時，整個過程平滑、快速、(僅需數秒鐘)，不損傷電機，不必減負載，并設有后備保護環節，以保證電機的安全運行。

[1]同步電機勵磁控制技術的應用.

[2]王明群.勵磁裝置在無刷同步電動機的應用[J].中國新技術新產品,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,內蒙古巴彥淖爾市,助理工程師,學士學位(本科),主要從事電氣技術管理。郭建峰(1986—),男,內蒙古包頭市,技術員,專科,主要從事電氣自動化點檢。