大型直流無刷勵磁同步電動機

倪 鋒

（林德工程＜杭州＞有限公司工程中心電氣組，浙江 杭州 310000）

1 同步機的工作原理簡述

同步電動機屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。正由于這樣，同步電動機的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機是一個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進電網系統的功率因數的。

當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內就產生了一個旋轉磁場，轉子繞組切割磁力線而產生感應電流，從而使電動機旋轉起來。電動機旋轉之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉磁場的轉速 （如98%），此時轉子繞組經由直流電源激勵，使轉子上形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉磁極，這樣就增加電動機轉子的轉速直至與旋轉磁場同步為止。

2 同步機的結構

同步電動機的結構如圖1所示。

圖1 無刷勵磁同步電動機結構示意圖

圖1清楚的顯示了無刷勵磁部分與主機的轉子是同軸連接的。此電機采用封閉空氣內循環加水冷的冷卻方式：在主機的兩側各有一個同軸風扇，當同步機轉動時，機殼內兩端的較冷空氣會向電樞中心運動，吸收電樞的熱量并把熱量帶給電機頂部的水冷卻器。同步機的主體很傳統，是六極凸極式繞線電機。兩端的軸承采用滑動軸瓦。這也是大型電動機常規的設計。

這種電動機特別的設計在于它的同軸旋轉勵磁子系統。這個子系統包括了一臺直流發電機，發電機的定子上有勵磁繞組，而轉子上是電樞繞組。當轉子隨同步主機一起旋轉時就感生出交流電。發電機的轉子繞組直接與整流回路相接。整流回路與轉子同軸固定，即與轉子相對靜止。如圖2所示，整流元件及其散熱片等由高強度螺栓牢固固定在轉子上。

3 勵磁—整流回路的工作原理

直流勵磁發電機的電路示意圖如圖3所示，它的結構很簡單。其定子上是勵磁回路，由外置的直流電源供電。轉子是電樞部分。由圖4可見，其電樞分為6相，依次相差60°；并分為兩組，每組由相差120°的電樞繞組構成。

圖2 整流器支架輪

圖3 直流勵磁發電機電路示意圖

圖4 勵磁發電機的電樞繞組相序圖

當同步機旋轉時，這個勵磁發電機電樞可以產生如上所述的六路交流電流，在理想情況下，波形是正弦的。把這樣的交流正弦波轉換為同步機所需的直流勵磁電流則由旋轉整流裝置實現。

這個裝置的第一部分是由12個大功率二極管和阻容回路構成的整流部分，如圖5所示。

圖5 雙橋式阻容整流電路

圖6 旋轉整流裝置的“點火回路”

第二部分是所謂的“點火回路”。這部分回路是針對同步機特殊的起動方式而設計的，如圖6所示，包括起動限流電阻Rz和在點火模塊A1控制下的兩組晶閘管，電流經過這部分電路就流入同步機的轉子，所以同步機的轉子也串連在這部分回路里。

4 同步機的空載起動

同步機空載起動時，首先是在沒有勵磁電流的狀態下異步起動。這段時間內，同步機的定子通上50Hz交流電，轉子感應電流，通過T1、T2和Rz構成一個正向回路。通過Rz和二極管構成一個反向回路。Rz的作用是增加起動時的轉子電阻，相當于大型異步機中的起動籠。

當同步機轉速增加到接近同步速，而起動電流也減小到某個設定值之下后，開始投勵過程。投勵的目的是將異步運行的同步機強行牽入同步，并保持其同步運行，這時需要的勵磁電流比較大。在確認投勵成功后可以把勵磁電流減小到合適的水平。投勵的具體過程是：外置的直流電源啟動，向直流勵磁發電機提供勵磁電流。此時發電機的轉子已經隨同步機高速運行，立即感生出交流電動勢。這個電動勢被點火模塊A1探測到后，會立即停止導通T1、T2（即不再給出T1、T2的觸發信號，但T1、T2上仍有電流流過，仍然保持導通狀態），而給T3.1、T3.2以導通信號。在六相交流系統中，任一時刻總由某兩相可以通過整流橋輸出電流。此時輸出的電流經過二極管和T1、T2串連回路形成閉合回路。在發電機的一個周波內，當2W相為相對最大正半波時，T1會承受一個反向電壓而截止。電流經T2回到整流橋負側橋臂上。再過1/6周期，1U相會取代2W相成為相對最大正半波，此時電流就不能再通過T1、T2，而只能通過同步機轉子和T3.1、T3.2并聯回路回到整流橋上。這時電流的方向不再由轉子的感生電勢來決定，而是固定的依照從（＋）到（－）的方向。T2上不再有電流流過，也截止。而晶閘管對T3.1，T3.2則一直導通。它們的作用是將起動電阻Rz從勵磁回路中切除。從這時起，同步機轉子上就有了直流勵磁電流。

投勵之后，電機被牽入同步速運行。其功率因數也會從起動時的感性變為容性。

5 總結

本文介紹了從國外引進的一種大型無刷勵磁同步電動機，描述了電機結構和無刷勵磁回路，特別詳細分析了旋轉整流裝置的工作原理和同步機空載起動的過程。這樣的電動機由于取消了電刷和滑環，大大減輕了維護的工作量。與采用機外整流箱的無刷電動機相比，其結構更加簡單可靠，非常值得國內電機廠家借鑒。