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同步机励磁控制系统的原理及应用 同步电机励磁控制系统的原理及应用 序言主回路的选择同步电机的投励方式同步电动机的失步危害 失步保护及带载自动再整步技术LZK 3G励磁控制系统 第一章序言 同步电机由于其一系列优点 特别是转速稳定 单机容量大 能向电网发送无功功率 支持电网电压 在我国各行业已得到广泛应用 多数企业所用电机 一般异步电机数量较多 单机功率相对较小 且大多为380V低压电机 异步电机在运行中需吸收无功功率 对于一个较大规模的用电单位 电机的选用一般遵循如下原则 大功率 低转速电机一般首选同步电机 随着碳刷耐磨程度提高 许多大功率高速电机也越来越多的选用同步电机 用电单位同步电机的运行容量一般在60 70 而异步电机的运行容量在40 30 为佳 这样同步电机输出的无功功率与异步电机所吸收的无功功率相平衡且略有富裕 序言 同步电动机在工业中的应用 同步 异步电动机比较表 序言 稳定性差 转矩与端电压平方成正比 稳定性高 转矩与端电压成正比 稳定性 低 高 效率 不可调 滞后 可调 可工作在超前 平激 滞后 功率因数 随着负载的改变而改变 不随负载的大小而改变 转速 异步电动机 同步电动机 使用异步电机需要对电网无功补偿 由于异步电机需从电网吸收无功功率 而功率因数是供电部门对用户考核的一个重要指标 一般采用以下方法进行无功补偿 1 采用静电电容器补偿2 采用同步电机过励补偿但是采用静电电容器补偿存在以下缺陷 序言 采用静电电容器补偿存在缺陷1 Q 0 5CU在电网电压高时 用户无功补偿需求量小 但电容量Q成平方关系变大 电容器补偿无功会出现过补偿现象 在电网电压低时 用户无功补偿需求量大 但电容量Q却成平方关系变小 电容器补偿无功会出现欠补偿现象 与我们期望的补偿要求成平方关系相反的方向变化 2 采用静电电容器补偿存在缺陷2 为了解决上述矛盾 许多场合采用功率因数自动补偿的方式 当功率因数过低的时候 增加电容器的投入数量 当功率因数过高的时候 减少电容器的投入数量 通过有级切换电容器的投运数量 达到功率因数的基本稳定 采用这种方法 虽然能保持功率因数的基本稳定 但毕竟是有级切换 不是无级连续的 为了保证功率因数的相对稳定 断路器需频繁动作 在容性负载下断路器的频繁切换 会大大降低其使用寿命 采用静电电容器补偿存在缺陷3 4 许多场合为了追求较高的功率因数 经常出现功率因数接近1甚至过激现象 由于异步电动机是感性负载 电容器是容性负载 在有些特殊情况下甚至出现并联谐振或串联谐振 产生大电流或高电压 损伤电气设备 部分电容器的介质含有氰化物 这些电容器报废时还会造成一定的环境污染 同步电动机通过增加电机的励磁电流 可以实现对电网无功补偿 序言 同步电机工作U形曲线 同步电机补偿意义 这样既提高同步电动机运行的稳定性 又给企业带来可观的经济效益 序言 目前同步电机的使用现状 随着现代化大生产的发展 机电设备越来越趋向大型化 自动化 复杂化 生产过程连续化 由机电设备群体组成的系统一旦失效 就会对企业的安全生产及产品质量造成极大的威胁 同步电机由于其具有一系列优点 特别是转速稳定 单机容量大 能向电网发送无功功率 支持电网电压 在我国各行业已得到广泛应用 特别是在特大型企业 大型同步电动机担负着生产的重任 其一旦停机或故障 将严重影响连续生产 特别严重的电机设备事故将导致停产时间的延长 造成企业经济效益的严重损失 而长期以来发生同步电动机及其励磁装置损坏事故却屡见不鲜 序言 同步电机的损坏主要表现 1 定子绕组端部绑线蹦断 线圈表面绝缘蹭坏 连接处开焊 导线在槽口处断裂 进而引起短路 运行中噪音增大 定子铁芯松动等故障 见下一页图 2 转子励磁起动绕组笼条断裂 绕组接头处产生裂纹 开焊 局部过热烤焦绝缘 转子磁级的燕尾锲松动 退出 转子线圈绝缘损伤 电刷滑环松动 风叶断裂等故障 序言 转子绕组剖面图 转子模拟图 定子绕组 序言 第二章励磁主回路的合理选配 传统半控 全控桥励磁主回路的比较改进型半控 全控桥励磁主回路比较励磁控制系统主回路元件选配 主回路的选择 励磁柜主电路一般有四种 主回路的选择 图1 图2 图4 图3 在起动时左上图正负方向电流明显不平衡 产生直流电 引起电机遭受脉振转矩强烈振动 电机起动过程所受强烈脉振是电机产生暗伤逐步损坏的重要原因之一 传统半 全控桥主回路分析 主回路的选择 图一 图二 图一 主回路的选择 上图主回路在电机起动时有 因此出现如右图二的转子感应电压 电流曲线图 现将感应电流做直流交流成分分解如下 主回路的选择 不难看出电机启动过程中 if和 if相差较大 即 远大于 主回路的选择 电流if分解如上图 If1分解为if2和if3 由于直流分量的存在 类似将转子提前投励磁 因而电机在旋转磁场作用下强烈脉震 电机脉震示意图 主回路的选择 转子中有直流分量 定子旋转磁场和转子有相对运动 定子电流也因此而强烈脉动 电机起动过程发出的强烈振动声 甚至在整个大厅内都可以听到 而且这种脉振会一直持续到电机起动结束才消失 电机起动过程所受强烈脉震是电机损伤的重要原因之一 主回路的选择 主回路的选择 传统全控桥主回路 电机起动时 随着电机起动过程滑差减小 转子线圈内感应电势逐步减少 当转子转速达到50 以上时 励磁回路感应电流负半波通路不畅 将处于时通时断 似通非通状态 同样形成 if与 if电流不对称 由此同样形成脉振转矩 造成电机产生强烈振动 损伤电机 因此传统主回路逐渐被淘汰 改进型全控桥式励磁装置主回路缺点 采用逆变灭磁 可靠性低 稳定性差电机运行时灭磁电阻长期发热不能不停机更换控制组件停机要保正控制回路不失电 主回路的选择 触发角为90度时输出电压Ud 1 采用全控桥式电路 停机时或失步时 其励磁控制系统的灭磁回路采用逆变灭磁的方式 而逆变灭磁要求电网电压相对稳定 主回路 包括主桥6只可控硅 快熔 整流变压器等 及控制回路完好 停机时主回路电源不能马上停止 上述条件只要某一条件不能满足 将造成逆变灭磁不成功 造成逆变颠覆 损坏主回路元件及电机 往往出现正常运行的励磁装置停车后不能再次顺利开车 经检查发现主回路元件或控制回路损坏的实例 2 采用全控桥式电路 由于励磁绕组系电感性负载 当可控硅导通角较小电压波形出现过零时 就会有电流从Rf KZ回路续流 这也是采用全控桥式电路经常发生灭磁电阻发热的原因之一 3 全控桥式电路作为励磁装置的主电路 不能实现不停机完全更换控制插件 为了达到不停机更换插件的功能 只能将控制系统做成双系统或多系统 互为热备用 即一套运行 一套热备用 当一套控制系统故障时 自动切换到另一套备用系统 但是采用多CPU备份没有实际意义 复杂的备份逻辑会减少系统的平均无故障工作时间 影响可靠性 主回路的选择 断励续流灭磁或阻容灭磁 可靠性高系统可以利用半控桥式主电路的结构特点 实现不停机更换励磁控制插件线路相对简洁可靠 主回路的选择 改进型半控桥式励磁装置主回路特点 1 电机在停机或失步时 主回路采用半控桥式电路 可根据工况选择阻容灭磁或断励续流灭磁方式 或者两者皆用 A 断励续流灭磁方式是在电机失步或停机时 励磁控制系统立即停发触发脉冲 通过控制回路断开励磁主回路接触器 依靠半控桥式结构特点进行续流灭磁 这种灭磁方式独立可靠B 阻容灭磁方式 见下页图 这种灭磁方式灭磁速度更快 改进型半控桥主回路优点 主回路的选择 阻容灭磁是当电机失步和停机时 励磁控制系统适时提供给可控硅KM一个脉冲 利用电容C1关断主桥路上的可控硅 使电容C2及电阻R4吸收转子能量进行灭磁 这种灭磁方式速度更快 主回路的选择 励磁控制系统半控桥主回路优点 2 灭磁电阻状态 采用半控桥式电路 就不会有电流从Rf KZ回路续流 而是通过可控硅和最后一个导通的二极管 因此采用半控桥式电路灭磁电阻在运行过程中处于冷态 主回路的选择 励磁控制系统半控桥主回路优点 3 励磁控制系统可以充分利用半控桥式主电路的结构特点 不停机更换励磁控制器 当励磁装置控制部分出现故障时 可利用半空桥电路 失控 的特点 实现不停机 不减载 不失励的情况下从容更换 其基本原理如下 在投励后拔控制插件 由于电机励磁绕组的大电感特性 使一只可控硅始终处于开通状态 三分之二在整流状态 三分之一在续流状态 如下页图 主回路的选择 在选择整流变压器时 已合理选配二次电压 使它既能满足强励要求 又在失控状态下平均电压与平时运行电压接近 满足电机正常运行对励磁的需求 当更换上备用控制插件后 励磁装置自动转入正常工作状态 主回路的选择 励磁控制系统半控桥主回路优点 主回路熔断器的位置选择 有些主回路采用六个快熔 分别对应着各个可控硅和二极管 但按上图位置安装快熔更佳 减小谐波改善波形 尽管半空桥式电路比全控桥式电路谐波分量相对大些 但只要合理选择整流变压器参数 使励磁装置在正常运行时导通角相对增大 将整流变压器接成 Y 11型 自动抵消谐波的主要成分三次谐波 降低谐波对电网的影响 垫底处理避免失控 使用半控桥式电路 当励磁电流在很小时 会出现失控现象 而在同步电动机这一特殊领域 励磁电流很低会造成电机失步 所以正常运行时 励磁电流不应很低 不应该工作到失控区 通过设定垫底电压 或电流 进行处理 可使励磁装置在正常情况下不出现失控 主回路的选择 半控桥主回路的设计注意事项 半控桥主回路的设计注意事项 灭磁分级整定灭磁系统分两种状态 电机异步状态时 KQ可控硅处于低通状态 在较低电压下及时开通 类似于二极管 使电机起动时正负半波电流对称 电机在同步状态运行时 灭磁系统处于高通状态 确保了可控硅KQ不误导通 过电压时又及时开通 过电压消失后及时关断 半控桥 全控桥主电路比较总结 经上述分析 比较 可以说明 在同步电动机励磁装置这特定场合 本着因地制宜的原则 主电路采用改进型半控桥式电路的励磁装置 技术上更为先进 完善 合理 有着全控桥式电路无法比拟的优越性 主回路的选择 励磁控制系统主回路元件选择 a 灭磁电阻的选择b 主回路元件的选择 主回路的选择 第三章励磁控制系统的投励方式 滑差投励1 传统励磁采用顺极性投励2 LZK微机型励磁系统 按照 准角强励 原则设计 计时投励 励磁控制系统的投励方式 传统投励方式 传统投励方式 由于投励时间选择不当 出现投励瞬间 电机震荡 在现场往往能够听到冲击声 如右图 传统采用投励插件式分立元件结构 投励环节精度不高 易发生故障 励磁控制系统的投励方式 LZK微机型励磁系统投励方式 滑差投励 采用准角强励所谓准角投励 就物理概念而言 系指电机转速进入临界滑差 即所谓的 亚同步 按照电机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大 即定子磁场的N极与投励后转子绕组产生的S极相吸 在准角时投入强励 使吸力加大 这样电机进入同步轻松 快速 平滑 无冲击 励磁控制系统的投励方式 LZK励磁控制系统的滑差投励的过程如下 励磁控制系统的投励方式 励磁控制器检测滑差达到设定值时 在准角位置投励 励磁控制系统的投励方式 励磁控制系统的投励方式 LZK励磁控制系统计时投励如下 同步电动机采用全压异步启动可以计时投励 时间投励的原理是把电机启动的加速过程 用时间来计算 但是一般电机都优先采用滑差投励 只是在工况有复杂干扰的情况下 而且该干扰控制器无法滤除 给滑差投励的频率采样造成困难 从而采用记时投励 励磁控制系统的投励方式 空载启动的投励情况 电机在空载情况下很快就能进入亚同步 当控制器在一定时间之内检测不到Uf的频率时 控制器就自动认为电机已经进入同步 如下图 对于某些转速较低 凸极转矩较强的电机空载或特轻载起动时 往往在尚未投励的情况下便自动进入同步 系统内具有凸极性投励控制环节 在电机进入同步后的1 2秒内自动投励 电机进入同步后 控制系统自动控制励磁电压由强励恢复到正常励磁 励磁控制系统的投励方式 励磁控制系统的投励方式 第四章同步电动机的失步危害 失步保护及带载自动再整步技术 同步电机的失步事故分为三类 失励失步带励失步断电失步 失励失步的现象 1 电机丢转不明显 电机无异常声音 2 定子过流不大 3 表计显示很大的电流值 4 灭磁电阻会烧红 5 产生高压 造成励磁装置主回路元件损坏 4 1 2带励失步 导致带励失步的原因是 1 相邻母线短路 引起母线电压大幅度降低 近处大型机组或机组群瞬间启动引起母线电压长时间 较大幅度的降低见功角特性图 2 电机起动过程中励磁系统过早投励 即电机在启动过程中滑差没有进入临界时就投入励磁 此时由定子产生的磁场还不足以拉动转子磁极 反而会产生失步 3 运行中 电机短时间欠励磁或失励磁 如接插件接触不良 引起失励失步 从失励失步过渡到带励失步 4 以及由于供电线路遭受雷击 避雷器动作 负载突增 如压缩机憋压 轧钢机咬冷钢 等原因所引起 电机带有正常或接近正常的直流励磁 而转子磁场却不同步的异步运行状态 称为带励失步 图4 5BZT电路 4 1 3断电失步 当供电系统故障 引起供电线路自动重合闸ZCH装置或备用电源投入BZT装置动作 以及人工切换电源等 使同步电动机的供电电源短暂中断而导致失步称为断电失步 图4 6断电失步时电网电压曲线 0 断电失步时定子波形的变化特征 所谓 断电 其实是一个不失压的过程 电网失电后电压不会立即消失 而是有一个非线性的变化过程 很明显在只有同步电动机的电网中 断电失步后 电压衰减比只有异步电机的电网 有一个上升的区域 西门子公司采用了在转子回路加互感器的方式 说明书中强调在滑差大于3 时能可靠动作 而现场工况中 经常出现滑差小于3 当电机因转子回路断路而失步时 也同样检测不到电流信号 起不到失步保护的作用 很明显保护存在死区 图4 10西门子公司对转子采样图 图4 11本公司对转子采样图 在转子回路上串接分流计或是霍尔传感器检测转子里产生的不衰减的交变电流波形信号 根据该波形的特征来判断是否失步 4 3LZK型励磁控制系统失步再整步技术 为了达到带载自动再整步 必须要满足以下几点一 改善电机的异步驱动特性 异步驱动特性曲线示意图 一般来说 电机容量越大 额定转速越慢 则由电机的异步驱动特性图看出 凹陷的深度越深 合理选择接入电机的灭磁电阻的阻值 能够改善电机的异步驱动特性 消除凹陷 二 减少甚至消除电机的异步制动转矩异步制动转矩公式为 异步制动转矩与励磁电势E的平方成正比 即与转子