同步电动机晶闸管直流励磁系统VIP

太原电力高等专科学校第1章 概述1.1同步电动机的用途1.1.1本装置分为两种：一种供动重载或轻载起动的同步电动机单机配套恒定励磁用。对象为拖动矿山球磨机、冶炼厂鼓风机、化肥厂联合压缩机、透平压缩机、高压压缩机和循环压缩机、冷藏库氨压缩机、炼油厂油田压缩机、水泥厂管磨机等同步电动机单机励磁。另一种供冲击负荷的同步电动机励磁用。（如轧钢负荷）1.1.2本装置的型号命名KGLF10（a）（b）可控硅整流励磁硅元件冷却方式（为强迫风冷）系统特征代号同步电动机专用代号a额定励磁电流（）b额定励磁电压（）系统特征代号规定如下：全压或降压起动，恒定励磁全压或降压起动，按负荷调节励磁，可动力制动。举例： K G L F 11300/110代表：全压或降压起动，恒定励磁，强迫风冷，额定励磁电流300A额定励磁电压110V的同步电动机可控硅励磁装置。 K G L F 12450/110代表：全压或降压起动，按负载调节励磁，可动力制动，强迫风冷，额定励磁电流450A，额定励磁电压110V的同步电动机可控硅励磁装置。1.1.3本装置适应在下列工作环境海拔高度不超过1000米。周围介质温度不低于10，不高于+40。周围介质相对湿度不大于85%（相对于温度205时）没有导电及易爆炸尘埃，没有腐蚀金属和破坏电气绝缘的气体的场所。无剧烈振动和冲击及垂直倾斜度不超过5的场所。主要特性及说明1.2本装置有以下特点：（1） 同步电动机转子回路采用三相全控整流桥固接励磁线路，保持了同步电动机的固有起动特性。同步电动机定子回路没有直接的电气联系，因此同步电动机可根据电网情况设计为高压3610千伏或380伏，全压起动或降压起动不受限制。压起动的同步电动机其转子的转速达到亚同步速时，按转子滑差为5%4%顺极性投入励磁，使同步电动机拖入同步运行。降压起动的同步电动机当其转子的转速到达同步转速的90%左右自动切除降压起动电抗或电阻，自动投入全压使同步电动机加速起动至同步速度，按转子滑差为5%4%顺极性投入励磁，使同步电动机拖入同步运行。当电网电压波动时（即高压3610千伏或低压380伏波动）。具有电压负反馈自动保持基本恒定励磁。当电网下降至某一百分比时进行突加强励，强励时间不超过10秒钟。同步电动机起动与停车时自动灭磁，并当同步电动机异步运行时（起动或失步过程），具有灭磁保护，保证同步电动机及本装置免受感应过电压击穿。手动调节励磁电压，电流进行功率因数调整，励磁电压电流可从额定值的10%125%连续可调。本装置所带的放电电阻Rfd1和Rfd2采用型号为ZB2/0.9的片型电阻及装置外的导体电阻箱ZB11/55，用户需根据电机厂的规定自行将放电电阻片接成串联或并联，使Rfd1和Rfd2的阻值分别为所配用的同步电动机转子励磁绕组直流电阻的5倍，其长期允许电流为同步电动机名牌额定励磁电流的0.1倍。本装置输入电源为交流三相四线380V/220V，必须与同步电动机定子回路电源来自同一段母线。同步电动机正常停车开始至5秒钟内不应断开三相全控整流桥交流电源及触发装置的同步电源。300A以下装置，整流桥臂可控硅整流元件不并联；450A装置可用2只200A元件并联或500A元件1只；600A的装置500A元件1只。（2）KGLF12型装置另具有以下特性：按负荷自动调整励磁，基本保持同步电动机无功电流恒定。可动力制动。具有零励磁保护继电器。本装置以下环节需在现场试车时复调：灭磁环节可控硅整流器7KGZ和8KGZ的导通开放电压分别整定为不小于装置额定励磁电压的2.5倍（峰值）。全压起动或降压起动方案的投励插件电容器5C的充电时间应整定为0.2秒发出脉冲（可更换电阻26R）。降压起动方案的全压插件电容器10C的充电时间应整定为0.1秒发出脉冲（可更换电阻39R）。分别在投励插件和全压插件的插件端子8和14两端送入交流有效值8伏至10伏（插接端子8和14接至三相全控整流桥正，负侧的两根连接线解除）投励插件和全压插件不应发出脉冲。（3）对于KGLF12型装置在现场沿须调整的内容整定动力制动时的励磁电流值。无切补偿强度。按现场要求整定“零励磁”继电器。1.3工作原理系统的基本工作原理如下：当同步电动机起动时灭磁环节工作，使转子感应交变电流两半波都通过电阻，保证电机的正常起动，起动过程中整流电路可控硅无脉冲，处于阻断状态。当电机起动至亚同步速度时（转子滑差至0.05）投励环节自动发出投励脉冲，使移相给定电压加到脉冲环节，脉冲环节发出的触发脉冲加到整流可控硅上，使装置立即向电机投入励磁，同步电动机拖入同步运行。电压负反馈环节将装置电源侧引入的电压信号反极性与给定信号综合，保证当电源电压降低时，使整流输出的励磁电压保持不变，以实现对电机的恒定励磁。逆变环节的作用，是当电机正常停车时给脉冲环节加入一控制信号，使主回路可控硅从整流状态立即转入逆变状态，以保证电机转子的顺利灭磁。投全压环节是为电机降压起动时设置的，环节结构与投励环节完全相同，并取自同一的转子电压信号。该环节发生的脉冲通过小可控硅控制电机定子侧的全压开关，使其按整定的转子滑差值准确动作。无功补偿环节检测同步电动机有功电流信号，用来在负载增加时实现自动增磁，使冲击负载的同步电动机能输出比较稳定的无功电流运行。第2章 同步电动机直流励磁主回路方案选择2.1同步电动机的起动方式及特点同步电动机本身是没有起动转矩的，其原因可以这样理解，当定子三相绕组与电网接通时，三相电流就要产生旋转磁场，其转速为同步转速n1。这时，已被励磁的静止转子将会受到与旋转磁场转向相同的牵引转矩，如图(a)所示。 (a) (b)由于转子及其拖动的生产机械均有惯性，旋转磁场转的又快，当转子还未来得及转动时，旋转磁场已转过180电角度，如图(b)所示，转子又受到与旋转磁场转向相反的排斥转矩。每当定子电流变化一个周期，转子所受的转矩也变化一个周期，结果使转子受到的平均转矩为零，因此，同步电动机不能自动起动，必须借助于以下方法：(1)辅助电动机起动方法。它一般选用和同步电动机具有相同极数的小型异步电动机作为辅助电动机，将辅助电动机投入电网，它拖动同步电动机到亚同步转速（约95%同步转速）时，在无励磁和励磁绕组未串入灭磁电阻的情况下，把同步电动机投入电网，再立即给转子加上直流励磁，即可把转子自动地拉入同步。它不宜用来起动带有负载的同步电动机，除非采用大容量的辅助电机，这显然是不经济的，所以在我们的系统中不宜使用。(2)调频同步起动法：这种方法需要有一套调频电源，来改变同步电动机定子电流的频率。它的起动技术复杂，起动设备成本较高，它主要适用于大容量高速同步电动机，尤其在负载转矩及转动惯量都很大的情况，所以在我们系统中也不适用。(3)异步起动法：一般大、中型同步电动机的转子上都装有阻尼绕组，亦称起动绕组。对于这电机，普遍采用异步起动法来起动，同步电机的异步起动过程是，先把励磁绕组经过灭磁电阻短接，然后把定子投入交流电网，电机定子与起动绕组构成一个鼠笼式异步电动机，依靠定子旋转磁场和转子起动绕组内感应电流的相互作用产生起动转矩，使转子开始加速，当转子升速到亚同步转速时，切除灭磁电阻，给转子励磁绕组通入适当的励磁电流，靠同步转矩将转子自动牵入同步，以同步转速运行。同步电动机异步起动时，可以用下表所示方法起动。起动方法起动电流%起动转矩%特点及适用范围以全压起动为%全压异步起动100100起动转矩与起动电流都很大；附属设备少，操作简单，维护方便，是广泛使用起动方法，但要求电网容量大。电抗器降压异步起动75%端电压起动加速平滑，转矩的大小能够适当调节，但一般较低，适用于空载起动；电器结构简单，可靠性。7556.3自耦变压器降压异步起动75%端电压起动转矩的大小能够调节，线路起动电流比电动机的起动电流小；起动设备较采用电抗器起动复杂，切换全压时，应注意电流冲击；适用于电网容量限制较大，而起动转矩要求较高的场合。供电网络56.356.3同步电动机75选择起动方法必须从电网容量、电动机的特性以及负载机械特性三方面考虑。在条件允许的情况下，应优先考虑采用全压异步起动，全压异步起动的特点在上表已说明。无论电网容量、电动机特性以及负载机械特性都满足于全压异步起动，所以本系统选用全压异步起动。2.2同步电动机对励磁回路的要求同步电动机正常运行时，转子磁场是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的。向同步电动机供给励磁电流的整套装置叫励磁系统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统的工作状况直接影响电机的运行性能，良好性能的励磁系统可以弥补电机本身性能上的不足，协助电机应付各种扰动，保证电机稳定运行。当电机出现故障时，励磁系统又能限制故障的扩大。因此，励磁系统的可靠性及技术性能是非常重要的。同步电动机对励磁系统的总的要求是：首先应具有较高的运行可靠性和良好的运行性能；其次要求线路和结构简单，调试、维修方便及具有较高的效率。除此之外，励磁系统还应满足下列要求：(1)对带重载启动及有自动再整步要求的电动机，在起动过程中，转速达到亚同步转速以前，励磁绕组应经灭磁电阻短接；当转速达到亚同步转速后，将灭磁电阻切除并投入直流励磁。(2)为改善电网功率因数，大容量电动机的励磁系统应按输出无功电流恒定或按功率因数恒定进行励磁调节。(3)为提高电动机的动态稳定性，当电网电压降低或过负荷时应实行强励磁。(4)在停机时，应自动进行灭磁。2.3励磁主回路方案的确定本系统中励磁主回路采用的是三相全控桥式整流线路，这种接线方式对于同步电动机用可控硅整流励磁是理想的接线方案，因为同步电动机在起动过程中，其转子励磁绕组所产生的感应交变电流两半波都通过放电电阻Rfd1和Rfd2，所以同步电动机在起动过程有足够的起动转矩和牵入转矩，完全保持了同步电动机的固有起动特性，即起动电流小，起动转矩和牵入转矩大，起动时间短。电路图如图2-1所示：图2-1由于本装置要求供重载起动的同步电动机单机配套恒定励磁用，并且励磁功率较大，所以要选用变压器利用系数高、脉动率小的整流电路。由于停机时要灭磁，所以所选整流电路必须能够逆变。根据这些要求，我们选用三相全控桥式整流电路，它输出电压脉动小；基波频率为300HZ；控制增益大，灵敏度高，其控制滞后时间（改变电路的角后，直流输出电压相变化的时间）为3.3ms，特别是它可以工作在有源逆变状态。综上所述，三相全控桥式整流电路完全符合我们的设计要求。由于同步电动机定子电压为6KV，而励磁电压为67V ，并且励磁回路和定子回路无直接的电气联系，所以我们从电网另取一路电压为380V的电源，必须是与定子电流来自同一电网且通过一整流变压器为励磁回路提供电源。由于同步电动机在全压起动下，必须对转子感应电压有灭磁保护，所以我们在电动机转子两端并联两个电阻，来构成转子感应电动势的放电回路，并且为了防止投入励磁时电阻并入电路，可以用两个可控硅来控制导通转子感应电压的正手周，用一个二极管控制导通转子感应电压负手周。桥臂上的晶闸管16KGZ，其正、反相阻断峰值电压为励磁电压的10倍左右，故装置能承受足够的反峰电压。闭合或断开整流变压器ZLB一次侧空气自动开关ZK所引起的操作过电压，由ZLB二次侧的三角形阻容吸收装置（Ra,Ca,Rb,Cb,Rc,Cc）吸收，晶闸管16KGZ换流截止及快速熔断器16KRD熔断时，在晶闸管16KGZ阳极和阴极两端产生的过电压，由换相电阻1R1，1C16R1，6C1缓冲吸收，以削弱电压的上升率。为使同一桥臂上的两只晶闸管（如1KGZ和4KGZ）合理分担电压，装设了均压电阻1R26R2。第3章 同步电动机励磁主回路的设计主回路参数计算包括可控硅元件计算、整流变压器计算、灭磁装置计算及各种保护装置的计算和选择。3.1晶闸管的选择选择晶闸管元件主要根据是晶闸管整流装置的工作条件，计算管子电压、电流值，正确确定晶闸管型号规格，以得到满意的技术经济效果。3.1.1晶闸管的额定电压晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。考虑电源电压的波动与抑制的过电压，必须大于线路实际承受最大电压的23倍。 取300V（三相全控桥式整流电路中元件承受的峰值电压）（晶闸管额定电压）3.1.2晶闸管额定电流晶闸管额定电流的计算原则是必须使管子的额定电流有效值（实际流过管子的最大有效值）。对于不同电路形式、不同控制角、不同性质的负载，通过数学方法求得，因此，有但由于晶闸管电流过载能力很差，在带电阻性负载时，要考虑在冷态时阻值小，故有较大的启动电；在带动电动机负载时，最大输出电流过载倍数与电动机允许的过载能力。考虑了以上因素后，晶闸管的额定电流还要比查表计算值大1.52倍。I（AV）（1.52）kId（1.52）0.367129(7194)A在这里选100A综上所述，我们选择的晶闸管型号为KP100-3的管子。3.2整流变压器的计算整流变压器的作用是给晶闸管整流装置提供所需的电源电压，同时将整流装置 和交流电网隔离，并减少整流电路对其他用电设备的干扰。3.2.1整流变压器接线形式采用/Y接法，原边采用接法的目的是给电流中三次谐波及其整数倍的高次谐波提供通路，保证磁通和电压正弦变化。（变压器采用/Y联结，使电源线电流有两个阶梯，更接近正弦波，谐波影响小）3.2.2 整流变压器参数的计算（1）整流变压器二次相电压的计算：要比较精确的计算二次相电压必须考虑以下因素： 最小控制角min，对于要求直流输出电压保持恒定或要求电机转速恒定的整流装置，需要自动调节进行补偿，这就要求变压器二次电压留有一定的调节裕量，即min不能以0计算。一般可逆传动系统的min取3035，不可逆传动系统min取1015，对于电阻性负载，min可取0。我们系统属于可逆传动系统，所min取3035。电网电压波动，根据规定电网允许波动+5%-10%，考虑在电网电压最低时要求仍能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数=0.9。变压器漏抗产生的换相压降： 晶闸管或整流二极管的正向导通压降nU，在这里为2=3考虑了以上因素后，变压器二次电压的计算公式为 A理想情况=0时，整流电压与二次电压之比，见下表C线路接线方式系数见下表电路形式AC三相半波1.170.866三相桥式2.340.5Udmax直流输出最大电压Udl 变压器短路电压比，100KVA以下取Udl=0.05，容量越大，Udl也越大，（最大为0.1）；在这里取0.05变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比（过载倍数），在这里取1.2。所以在本系统中 = = 47（V） （2）一次、二次电流与变压器容量计算由于三相全控桥式整流电路晶闸管两端电压波形完全与三相半波时一样，最大电压为U2，流过晶闸管的电流iT与三相半波时完全相同为IdT=Id，IT=I=0.557Id，变压器利用率提高，其二次侧每周期内有240流过电流且电流波形正负面积相等，无直流分量。二次电流有效值为：I2=Id=0.816Id=0.816129=105.264A105A二次电压以理想情况计算，有所以，变压器二次侧容量为 变压器一次侧容量为 可见，当变压器二次侧电流无直流分量时，二次侧容量等于一次侧容量，即 又线电压是相电压的倍 整流变压器参数：容量：15KV； 接法：/Y原边电压：380V；副边电压：47V；原边电流：39A； 副边电流：105A。3.3过电压保护与过电流保护计算选择晶闸管元件有许多优点，但与其它电器设备相比，由于元件的击穿电压较接近运行电压，热时间常数小，因此过电压，过电流能力差，短时间的过电流、过电压都可能造成元件损坏。为使晶闸管装置能正常工作而不损坏，只靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节。因此在晶闸管中必须采用适当的保护措施，即过电压、过电流保护等。3.3.1过电压保护计算及选择晶闸管的过电压保护，主要是了解过电压产生的原因与特性，以便采取有效措施，降低过电压数值，保护元件不受过电压损坏，使装置正常工作。（1）可控硅元件的保护可控硅在关断的瞬间，由于电路中有电感存在，在元件两端出现换相过电压，一般采用阻容吸收装置并在元件两端进行保护，如图3-1：图3-1Cb=(2.55)10-3IF(F)IF可控硅元件额定电流平均值 （100F）Cb=(2.55)10-3IF=(2.55)10-3100=(0.255)F 取0.3F UN=(1.11.5) （晶闸管额定电压，上面已求得为300V）UN=(1.11.5)=(1.11.5)300=(300450)V取400V晶闸管阻容电路经验数据晶闸管额定电流（A）100500200100502010电容(F)210.50.250.20.150.1电阻（）2510204080100根据电容，选择电阻为20。根据PR=（1.52）fCUm210-6f频率，f=15HZ； P功率；Um晶闸管工作峰值电压，Um=U2=47V；C与电阻串联的电容。PR=（1.52）fCUm210-6 =（1.52）500.3(47)210-6=（0.30.4）W可控硅过电压阻容保护：选电容为0.3F，耐压为400V的电容6个；电阻为20，功率为（0.30.4）W的电阻6个；分别与6个晶闸管相匹配。（2）交流侧过电压保护的计算：由于交流侧电路在接通、断开时出现暂态过程，因此在晶闸管整流桥输入端出现超过正常计算值的电压，此电压称为交流侧操作过电压，因此要对其进行保护。在此采用电阻电容组成吸收装置作保护。（3）阻容保护计算： (F) ()变压器二次空载电流有效值，已求得为105A；变压器二次空载电压有效值，线电压； 、系数，见下表：整流电流形式Kc2KR2KP三相桥式100000.30.25在实际系统中，由于存在许多误差，所以实际需要的电容量比计算值小，通常取计算值的。又因为线电压是相电压的倍，所以U2=U2=47V所以 (F) =1000 =85.9(F) 取90(F) =0.3=0.23() UN =（1.11.5）47=（126172）V 在这里我们选取150VPR =（23）PZ=（23）（KPIO）2R2=（316475）W 取400瓦所以在交流侧过保护中，我们选取电容为90微法，耐压为150伏的电容3个；电阻为0.23欧姆，功率为400瓦的电阻三个进行保护。（4）均压保护计算：元件串联时，要保证每个串联元件所分当的正反电压基本相等，称为均压。晶闸管串联时，漏电流最小即电阻最大的元件承受的电压最大，由于同样的元件漏电流不一致，所以晶闸管在串联时，正反向阻断状态承受的电压严重不均。有效的解决方法是在串联晶闸管上并联阻值相等的电阻，称为压电阻Rj。通常均压电阻数值为 Rj （0.10.25） 晶闸管额定电压有效值（300V） IDR断态重复平均电流，查表的4A Rj（0.10.25） （3.28）() 我们取6均压功率为：作用于元件上的正向峰值电压V串联元件数（2）系数；三相为0.45 248W 取250W所以在均压保护中我们选择电阻为6、功率为250W的电阻6个，进行保护。3.3.2过电流保护晶闸管装置出现的元件误导通或击穿、可逆传动系统中产生环流、逆变失败以及传动装置生产机械过载及机械故障引起电机堵转等，都会导致流过整流元件的电流大大超过其正常工作电流，即产生所谓过电流。晶闸管的电流过载能力比一般的电气设备差很多，而过电流是难免的，因此更重视晶闸管的过电流保护，过电流保护的任务就是当电路一旦出现过电流，能在元件还未烧毁之前，迅速地消除过电流现象。（1）快速熔断器保护熔断器是最简单有效的保护元件，针对晶闸管、硅整流元件过电流能力差的特点，专门制造了快速熔断器，简称快熔。根据 经验 即 130100为保证可靠与选用方便起见，可取IRD=IT(AV)，即IRD=130A所以在此保护中，我们选取电流为130A，电压为500V的快速熔断器，进行保护。（2）自动开关保护本系统采用自动空气开关作为整流变压器二次侧的过载短路保护，当电路发生过载短路或失压等故障时，它能够自动切断电路，从而有效的保护了串接在后面的电气设备。根据 IN=（1.52）I2 故 IN=（1.52）105=158210A 取200A所以在此保护中，我们选取D210500/200型自动开关。3.4 灭磁环节的计算选择3.4.1 串电阻的计算根据同步电动机起动的要求，在灭磁回路中串入的电阻值为转子电阻的10倍。即 R串=10Rr=106T/129=5.1故本设计选用型号ZB2/0.9，阻值0.9， 电流19.9A的铸铁电阻，一共有六块以取总电阻为0.96=5.43.4.2可控硅的计算与选择由于灭磁环节是用来短接转子的起动电动势，为了使在投入励磁后灭磁环节可靠关断，我们把灭磁环节的导通时电压正定在2.5Ud 所以灭磁环节可控硅电压、电流： UN=（23）2.5Ud=（23）2.5 67=335502.5V 因为总电阻为5.4，但可控硅的电阻还应该加上转子的电阻0.5，即 R=5.4+0.5=5.9 A 取50A 所以选择电流为50A、电压为500V的晶闸管KP50-5。3.4.3 二极管的选择二极管在灭磁环节中同可控硅的作用一样，故二极管的选择参数与可控硅相同。所以选用额定电流为50A、额定电压为500V的二极管，即ZC2型。第4章 触发回路的设计4.1触发回路与主回路的同步措施同步变压器的接线及电压等级的确定为了保证脉冲与主回路交流电源具有相同的重复频率并保持一定相位关系，我们通过选配与主回路相适应的同步电源来实现同步。因为脉冲插件送出时刻是由接到触发电路不同相位的同步电压US定位，所以正确选择同步电源就能保证触发脉冲与主回路同步。就本设计主回路所用的三相全控桥式电路来看，三相全控桥式整流电路要求Ug1Ug6六个脉冲依次相隔60，所以六块触发10F60F输入的同步信号电压US也必须依次相隔60，为了解决这个问题，我们采取一只同步变压器TS具有两组二次绕组，从而得到相隔60的六个同步信号电压，并且保证同步电压US下标符号与被触发晶闸管阳极电压符号一致，如图4-1所示：共阳极组共阴极组晶闸管元件号数UT1UT3UT5UT4UT6UT2晶闸管所接相位uAuBuCu-Au-Bu-C触发器同步电压相位u-au-bu-cuaubuc图4-1由上表知，只要一块触发极的同步信号电压相位符合要求，其它五个同步电源相位，就能满足六个触发电源的要求，在此我们以A相为例，进行说明。本设计采用的是/Y11接法，其相位电压的波形如图4-2所示。为了满足本设计采用的晶闸管触发回路同步电压应超前主回路阴阳极电压180的要求，同步变压器二次侧u-a相电压波形如图4-3其与UT1可画出uab如图4-4由于一次侧要同整流变压器一次侧接法相同，所以同步变压器为/Y11点式接法。图4-2 图4-3 图4-44.2触发电路的设计4.2.1触发电路设计所考虑的问题对于可控硅的触发控制电路，都要求准确可靠。对它们的具体要求是：在具有交流电源的系统中（如可控整流，他激逆变），触发信号必须保持与主回路的电源频率同步，即触发信号与主回路的交流电源具有相同的重复频率，并保持一定的相位关系。由于受可控硅控制极允许的电流、电压、功率的限制，触发信号的强度不得不大于规定的允许值。否则将使可控硅控制极烧坏。触发信号应有足够的功率输出，为了准确，可靠地控制可控硅的导通角，使它不受元件参数不一致性和温度变化的影响，常采用矩形脉冲作为触发信号。触发信号应能在一定范围内移相。对各种整流器和逆变器的电路要求不同的移相范围。因控制极允许的反向电压很小（比允许正向电压小得多），为了避免可控硅反向击穿，在控制极不允许加反向电压。对单个可控硅触发电路，它与控制极可以直接耦合；对多个可控硅触发电路，因各个可控硅阴极所处的电位不同，因此触发信号要彼此绝缘，绝缘强度由主电路电压决定。4.2.2电路方案的确定电路方案的确定在进行方案选择时，除了要考虑以上几点外，还要根据本系统整流电路的具体要求来确定，各种触发电路的比较如图4-5所示。由于本系统中的三想全控桥式整流电路要求采用双窄脉冲触(即一个脉冲差简要同时触发两个可控硅)且我们所选晶闸管需要较大的触发功率；在选择时须考虑触发功率大且能同时触发两个可控硅的电路，由图4-5可知，小可控硅触发电路，不但脉冲宽，脉冲前沿陡，可靠性高，移相范围大，而且适用于大功率或可控硅串。并联应用场合完全符合电路的设计要求。因此，本设计采用小可控硅触发电路，并用脉冲变压器输出。触发回路脉冲 宽窄脉冲 前沿移相 范围调整 难易可靠性费用说明用小可控硅宽较陡160较易较高较多适用于大功率或可控硅串并联应用场合用单结晶体管窄极陡160易高较少改进成宽脉冲，扩大移相角可以扩大范围用阻容电路宽极缓150高最少适用于简单的，要求不分的场合用晶体管窄较陡180复杂稍差最多适用于宽移相范围，要注意消除干扰图4-54.2.3触发电路的组成及工作原理触发电路中共有六个脉冲插件，即A，C，B，A，C，B，六个脉冲插件内装的电路元件及线路联接都是一样的，只不过外部接线不一样，下面以A脉冲插件为例说明接线原理见图46线路由同步电源，脉冲发生及脉冲放大三部分组成。同步电源来自同步变压器1B，+A相50伏作为产生脉冲的同步电源，A50伏电源作为脉冲放大的电容2C充电用。A相电源导前180（电角度），各自经二极管3BZ和4BZ半波整流。图4-6脉冲触发环节是一个同步振荡电路，它是由单晶体管2BG。电容器1C，三极管1BG，电位器4W及电阻15R等元件组成的充放电回路来实现的。由移相插件来的直流控制信号ED的大小来改变三极管1BG集电极（C）和发射极（E）的等电阻UBG在线路上起到可变电阻的作用，从而改变了电容器1C的充电时间常数，当电容器1C的电压充到单结晶体管2BG的峰点电压（即但结晶体管2BG的发射极（E）与第一基极（B1）间的电压为第二基极（B2）与第一基极（B1）给定的电压的某一特定比例）时，2BG导通开放，1C上电压即经2BG的发射极（E），第一基极（B1）和电阻15R迅速放电，从而15R上产生脉冲触发小可控硅9KGZ。当1C放电至2BG谷点电压（约2伏左右时），2BG封锁，1C重新充电，重复上述过程。+A相50V电流同步电源经二极管4BZ半波整流，电阻10R降压后经稳压管34wy削波稳压成梯形波作为单结晶体管2GB的给定电压及电容1C充电。脉冲放大环节是由电容器2C，小控制硅管9KGZ及脉冲变压器1MB组成。A相50V交流电源比+A相50V交流同步电源提前180，往二极管3GB半波整流。电阻9R降压，稳压管56WY削波稳压后对电容2C充电，为产生放大的输出脉冲做准备，当来自脉冲发生环节在电阻15R上产生脉冲信号时，小可控硅9KGZ边触发导通，电容2C上电压往9KGZ及脉冲变压器1MB初级绕组迅速放电，从而1MB次级绕组输出放大的双脉冲去触发三相可控桥对应的可控硅整流器1KGZ和6KGZ导通工作。图4-7因此，改变移相插件来的支流控制信号的大小就可以改变脉冲环节产生脉冲的时间，从而使输出脉冲相位移动，使励磁回路可控硅16KGZ的控制角改变，达到调节历次电流的目的。由于各脉冲插件所用的半导体元件（1GB，2GB。34WY）参数有差异，造成每相输出脉冲相位不一致。电位器4W，就是为调节6个脉冲插件的输出脉冲，使其对称。二极管6BZ是为脉冲变压器1MB初级绕组放电而设置。二极管714BZ是为防止输出脉冲相互干扰。电位器3W和电阻起11R是与附加插件1的部分线路配合，使得同步电动机停车时转子感应放电，三相可控整流桥在“逆变”状态（此时可控硅16KGZ的控制角为140左右）本装置励磁回路采用三相全控整流桥线路，触发电路采用了双脉冲出发的方式，也叫辅脉冲触发。即在给三相可控桥一只可控硅触发脉冲的同时，有按一定顺序给另一只可控硅元件一触发脉冲，使励磁电流构成通路。图47中以控制角=60为例，表明+A脉冲插件中各点电压波形的关系。第5章 移相电路的设计移相电路是用来控制晶闸管的控制角的大小，即控制整流电压的大小，正确设计移相电路就可以达到调节励磁电压的目的。5.1移相电路设计中的一些考虑移相环节主要影响励磁装置的自动保持恒定励磁特性或无级强励磁特性、有接点突加强励磁特性以及励磁电压输出范围等，所以移相电路设计中要考虑以下几个问题：移相插件中电压负反馈电位器TW（与励磁电位器6W配合）调整不当将对自动保持恒定励磁特性或无级强励磁特性产生严重影响，使励磁电压随电网电压的变化而发生波动。应有强行励磁功能。移相插件中电位器5W，若调整不当，将对有接点突加强励磁特性产生影响，可能使突加强励磁倍数偏高或偏低。手动调节励磁应在额定励磁电流的10125%连续可调，移相插件中电阻18R或19R的阻值变大或变小，都将使励磁电压的输出范围小。必须受投励环节的控制。在同步电动机起动过程中，10KGZ阻断状态，直至同步电动机起动到亚同步转速，投励环节给10KGZ控制极，触发脉冲时，10KGZ导通，移相插件才有输出，从而投入励磁。考虑了上述问题，便可以正确设计移相电路，达到调节励磁电压的目的。5.2移相电路的组成及原理分析移相插件由“移相给定”环节和“按三相交流电网电压负反馈”环节两部分组成，电路图如5-1所示。图5-1“移相给定”环节，来自电源小变压器4B的单相交流电压65V经二极管1518BZ组成单相全波整流，电容3C放电滤波后至稳压管7-8WY削波稳压（波形见图5-2）。稳定的15V电压加于电位器6W及电阻18R、19R上，所以在电位器6W，滑接头输出是一个可调节的稳定电压EY，作为六个脉冲插件移相控制的主要电源。图5-2“按三相交流电网电压负反馈”环节，来自三个单相电源小变压器1-3B的三相交流相电压6V，经二极管2126BZ组成三相全波整流，当小变压器1-3B一次侧交流线电压为380V时，2126BZ的整流电压经电阻20R降压后加于稳压管9Wy上的电网电压的降低而减小的。当交流电网电压上升至390V以上时，9Wy才起稳压作用，这时7W滑接头上的电压Ec是一个恒定值。由电位器6W和7W的滑接头各取一部分电压，极性相反地串联后将差值输出（既EyEcED），加到脉冲插件1BG的基极回路上。Ey为稳定值，Ec则随着交流电网电压成正比例降低，形成电压负反馈自动调节励磁电压保持基本恒定。二极管19BZ和20BZ为防止EyEc时，ED反相输出，造成脉冲插件三极管1BG的偏压反加。当交流电网电压下降至整定值时，定子回路发出强励信号接点（80-81）动作闭合，抬高“移相给定”环节输出的移相控制电源Ey（此时Ey是从电位器5W的滑接头输出）改变三相可控整流桥直流输出电压达到励磁电压的某一倍数进行强励磁。如强励进行10秒后，交流电网电压回升，时间继电器（定子回路控制设备上）动作切除强励。“移相给定”环节中的小可控硅10KGZ作为开关用。在同步电动机起动过程中，10KGZ阻断状态，直至同步电动机起动至亚同步转速，投励环节给10KGZ控制极一触发脉冲时，10KGZ即导通，移相插件才有输出，从而投入励磁。移相插件的简化电路图如图5-3。当交流电网电压在额定值380V以下时，Ey、Ec和ED的波形关系如图5-4所示（ED值随电网的降落而增大），当交流电压升高至390V以上时，Ey、Ec和ED的波形关系如图5-5所示（ED值不随电网的升高而变化，是一个恒定值）。图5-3 图5-4图5-5第6章 投励环节的设计投励电路是控制起动时投入直流励磁时间的合理设计，投励电路可以保证同步电动机顺利起动。6.1投励电路的作用投励环节是用来控制电动机起动时投入支流励磁时间的，在系统中所起的作用时当同步电动机异步起动时，控制触发脉冲在转子滑差为45%时发出脉冲，使整流电压顺极性投入励磁，从而保证同步电动机能够顺利起动。6.2投励环节与灭磁环节及移动环节的配合由于本系统同步发电机异步起动要求在转子滑差为45%时投入励磁。而电机转子两端产生的感应电动机的频率恰好能反映出转子滑差率，因此我们便可以控制投励环节（即22.5%HZ时投入励磁），至于投励环节对移相环节的控制，我们可以在移相环节电源输出端加一个可控硅，将投励环节作为触发回路，从而决定移项环节是否工作。6.3投励环节电路图及原理说明 投励环节接线原理图见图6-1所示。图6-1起动同步电动机其定子回路的线路开关合闸（降压起动方案指的是降压开关）同时接通小变压器4B的电源，4B副边的交流40V，电压二极管2730BZ组成单相全波整流，电容4C充电滤波，稳压管1011Wy削波电压，其稳定电压接近28V，稳压管1011Wy能在交流电源额定值的70%110%稳定工作（因为同步电动机起动时电网电压可能降至额定值的80%）。同步电动机起动时如果其转子励磁绕组感应的交变电压第一个半周送至投励插件插接端子8为正电位，14为负电位（即经可控硅78KGZ放电电阻Rfd1-2起动的半波），感应电压经电阻22R，23R降压后使得三极管3BG的基极（B）至发射极（E）之间的内阻变的很小了（约几百欧），电阻25R的阻值也不大（360欧姆），所以28V电压几乎全部落在电阻26R（160千欧）上，因此电容5C，两端得不到电压就充不上电。当同步电动机转子感应交变电压变为经放电电阻Rfd1-2，硅整流器GZ起动的半波，感应电压送至投励插件插接端子14为正电位，8为负电位。感应电压经稳压管12Wy（此时稳压管作二极管用）电阻22R、23R通路，三极管3BG的基极（B）和发射极（E）没有偏流流过，其集电极（C）和发射极（E）封锁稳定的28V电压就通过电阻26R对电容5C充电。因同步电动机刚起动时转子励磁绕组产生的感应交变电压的频率为50周1秒，所以在此半周之内不足以使电容5C充电至单结晶体管4BG，发射极（E）所需要的开放电压。随后转子感应交变电压又变为“经可控硅78KGZ及放电电阻Rfd-2起动半波”，投励插件三极管3BG的基极（B）和发射极（E）又接到感应电压信号，其集电极（C）和发射极（E）饱和和开放，这时在前半周已充电的电容5C通过3BG的集电极（C）和发射极（E），电阻25R回路放电，以免下一周累积充电。三极管3BG在线路上实际是起到开关作用（即3BG封锁时电容5C充电，3BG开放时5C放电）。同步电动机起动至亚同步速前整个过程，转子感应交变电压再投励插件的反应重复上诉过程。待同步电动机起动加速到亚同步速时，按转子感应交变电压的频率已衰减至23周1秒，在转子感应交变电压为经放电电阻Rfd1-2，硅振流器GZ起动半波，电容5C就有足够的时间充电，这半周内5C两端电压可充电至单结晶体管4BG发射极（E）所需的开放电压，4BG开放，电容5C通过4BG的发射极（E）第一基极（B1）和脉冲变压器2MB原边绕组迅速放电，致使2MB副边绕组输出两个陡尖的脉冲去触发移项插件的小可控硅10KGZ，接通“给定电压”Ey的电源，脉冲插件就有脉冲输出，触发励磁回路三相整流桥的可控硅晶闸管1-6KGZ倒通工作，给同步电动机转子励磁绕组投入励磁，同步电动机拖入同步进行，另一个脉冲去触发附加插件2的小可控硅12KGZ，接通投励连锁继电器（本装置外的控制屏子），供系统联锁用（附加2只在KGLF12型装置用）投励插件有关元件在同步电动机起动过程中的波形如图6-2所示。电位器8W是防止三极管3BG的基极（B）“开路”而产生穿投电流影响工作。图6-2第7章 灭磁环节的设计7.1灭磁环节的作用当同步电动机起动时灭磁环节工作，使转子感应交变电流两半波都通过电阻，保证电机的正常起动，起动过程中整流电路可控硅无脉冲，处于阻断状态。7.2灭磁环节的原理分析（如图7-1）图7-1同步电动机起动至投入励磁前的这一段时间内，三相全控整流桥的可控硅16KGZ没有得到触发脉冲，所以处于阻断状态，同步电动机起动过程中，转子励磁绕组中感应的交变电压，当G1点为正半波，开始时感应交变电压未达到可控硅T8KGZ所整定的导通开放电压以前，感应电流是通过电阻R+d1，1R，3R，电位器1W及电阻2R，4R电位器2W，放电电阻R+d2回路，这样外接电阻为转子励磁绕组的3000倍以上，所以励磁绕组相当于开路起动，感应电压就急剧上升，当感应电压瞬时值上升至可控硅T8KGZ整定的导通开放电压（此时电位器1W和2W的电压降U1W和U2w分别等于稳压管1WY和2WY的稳定值U1WY，U2WY和硅二极管1BZ和2BZ的正向压降U1BZ，U2BZ及可控硅TKGZ或8KGZ的控制极与阴极上的压降UgT，Ug8之和，即：U1W=U1WY+U1BZ+UgT；U2w=U2WY+U2BZ+ Ug8）时，可控硅TKGZ和8KGZ便导通工作，短接了电阻1R，2R，3R，4R和电位器1W，2W使同步电动机转子励磁绕组从相当于开路起动变为只接入放电电阻R+a1,R+a2起动，因此感应电压峰值就大为减弱，直至此半波结束时，可控硅T8KGZ由于共阳极电压为零值（瞬时值）没有维持电流而自动关闭。调整电位器1W和2W的阻值，便可使得可控硅T8KGZ在不同的感应电压（瞬时值）下导通工作接入放电电阻R+d1-2。同步电动机起动完毕投入励磁拖入同步运行，如灭磁可控硅T8KGZ没有关断，而这时三相可控硅整流桥交流侧电源出现A相（A2点）为正，B相或C相（B2点或C2点）为负时，那么放电电阻R+d1和可控硅TKGZ没有电流流过就自动关闭。等到三相可控桥交流侧电源换相，即A相交流电源从正变到负，流经可控硅8KGZ及放电电阻R+d2的电流计也从正变到负，当计减少至可控硅8KGZ的维持电流以下的瞬间，可控硅8KGZ没有电流通过也自动关闭，这样就保证了在投励后同步电动机拖入同步运行的一个周波内，灭磁可控硅T8KGZ能准确的自动关闭。之后，虽然三相可控硅整流桥整流电压分别加在灭磁可控硅T8KGZ上，但电位D12W所得到的分压不足以使T8KGZ触发导通，所以放电电阻R+d1-2切除了。按钮（A供检测灭磁环节正确与否，掀下按钮（A使电阻1R，3R与5R并联2R，4R与6R并联，由于5R，6R，阻值较小相对增加了电位器1W，2W的压降。检测时，调节装置在较低的整流电压时，灭磁可控硅T8KGZ即可导通，电压表V指示为零。松开按钮CA，电压表V回到原来的调定值。第8章 逆变环节的设计8.1逆变环节的设计在本系统中不、逆变环节的作用是当电机正常停车时给脉冲环节加入一个控制信号，使主回路可控硅从整流状态立即转入逆变状态，以保证电机转子的顺利灭磁。8.2逆变环节的接线及原理设计原理接线见图8-1所示，以+A相为例说明。三相可控硅整流桥直流输出电压大小决定于可控硅16KGZ的控制角a,而控角a的相位则决定于脉冲插件电容器1C的充电时间。当三相可控桥工作在整流状态时（即控制角a为0至小于120）电容器1C的充电电流是由脉冲插件三极管1BG和附加插件1三极管5BG共同控制。因为5BG的基极偏压是恒定的（来自移相插件的稳压电源）。所以5BG集电极（C）至发射极（E）供给电容1C的充电电流是不变的，而1BG的基极偏压是可调的，因此电容1C的充电电流主要由流过三极管1BG集电极（C）至发射极（E）的电流所控制。所以改变1BG的基极偏压使可以改变电容1C的充电时间常数，使得控制角a的相位移动，便可以达到调节励磁电压的作用。同步电动机正常停车时，控制电源的小变压4B断电，移相插件也同时失去电源，这样脉冲插件三极管1BG的基极（B）便没有偏压，1BG封锁，但附加插件1的三极管5BG基极（B）的偏压却由电容6 C缓慢放电而维持5秒种的时间，所以脉冲