同步电动机励磁知识详解

1、WKLF系列微机励磁装置用户培训手册第一章 基本知识1.1 同步电动机起动方式同步电动机起动方式主要有异步起动和变频起动。变频起 动需一套专用调频电源，技术复杂且设备成本高，主要用于负 载及转动惯量都很大的大容量高速同步电动机，国内钢厂有几套进口变频起动装置，其它行业一般不使用。异步起动是同步 电动机常用的起动方式，视供用电系统容量采用全压起动或降 压起动，降压起动分为电抗器降压和自耦变压器降压。图1-2自耦变压器降压起动图1-1电抗器降压起动1.1.1 电抗器降压起动图1-1为采用电抗器降压起动主接线及投全压开关合闸 控制回路示意图。电抗器降压时施加于电机端电压电流降低的 同时起动力矩相应降

2、低较大，适用于系统容量小不允许直接全 压起动且对起动力矩要求不高的机组，如供电系统容量小但又要求起动力矩大的场合，需采用自耦变压器降压起动。电抗器 降压起动时，合1DL,机组转速加速至投全压滑差时（约0.9Ne）,励磁装置投全压继电器JQY动作，控制2DL合闸，将 母线电压直接施加于电机定子。1.1.2 自耦变压器降压起动图1-2示自耦变压器降压起动主接线及控制回路， 两者都 较电抗器降压起动复杂。励磁装置投全压继电器 JQY需控制 2DL跳闸及3DL合闸，操作顺序为1DL合闸-2DL合闸-JQY 动作跳2DL,合3DL不论全压起动还是降压起动，机组起动时间长短与起动时 机端电压及负载等有关，

3、从励磁装置读写控制器上读出的机组 各次起动时间有些差异属正常。1.2 同步电动机无功调节特性同步电动机正常运行时需从电网吸收有功， 吸收有功功率流If的关系曲线，见图1-3图1-3同步电动机V形曲线大小取决于所带负载及电机本身有功损耗。 同步电动机无功决 定于励磁装置输出励磁电流，过励（超前）运行时，同步电动 机向电网发无功；欠励（滞后）运行时，从电网吸收无功；正 常励磁运行时，既不发无功，又不吸收无功，对应功率因数 COS）=1。同步电动机V形曲线是指电机定子电流I和励磁电同步电动机V形曲线图表 明，功率因数为1运行时，定子 电流最小，在此基础上增/减磁, 定子电流都将增加，增磁时功率 因数

4、超前运行，减磁时功率因数 滞后运行。利用同步电动机V形 曲线这一特点，在 励磁装置投闭环之前，可以检 查接入励磁装置用于测取功率因 数的PT及CT外部接线是否正确。利用同步电动机的无功调节特性，工业现场实际运行时, 同步电动机工作在超前状态，可以就地补偿异步电机所需无 功。1.3 同步电动机运行稳定性同步电动机正常运行时，由从电网吸收的电磁功率 Pem与 负载功率Pf维持动态平衡，电网电压及负载在正常波动范围 内时，同步电动机都不会滑出同步而失步， 这由其功角特性决 定，如图1-4所示。功角特性：Perm=彳U sin SXd2E 励磁电势U 母线电压X d W 一总电抗s 一功角负载突增而电

5、压不变图1-4功角特性曲线时，负载功率P往上移，如无闭环调节，电磁功率曲线 Pem不变，运行功角S增大，5 > 900时，电机将失去同步；有闭环调节时，曲线Peml时上移， 运行功角S保持相对恒定，电机稳定性增加。电压突降而负载不变时，如无闭环调节，因励磁装置380V励磁电源(取自电机同段母线)同时下降，励磁电势 E近似与 电压成正比下降，故电磁功率曲线 Pem近似与机端电压Ud平 方成正比下降，运行功角S增大，电机稳定裕度大大减小；如 采用闭环调节，Ud下降 的同时励磁电势E加大，Pem®本不 变，电机稳定性增加。1. 4同步电动机的失步危害及措施同步电动机在正常运行时，其转

6、速与电网频率严格对应(n = 60f/p ),转子磁场和定子旋转磁场严格同步， 这种严格的对 应和同步关系是以转轴上转矩平衡为基础的。来自电网、负载等多种扰动一旦破坏转矩平衡关系，依靠电机的一定调节能 力，以功角S相应变化自动地调节电磁转矩大小， 以抵消各种 扰动引起的不平衡，使转轴上的转矩关系处于动态平衡。 电机 的这种调节能力有一定限度，当扰动超过一定限度时，就会导 致电机失步。按失步原因及性质不同，可分为三种类型：即带励失步、 失磁失步和断电失步。带励失步一般由相邻出线端头短路故 障、附近大型机组起动或自起动引起母线电压较长时间较大幅度的降低，电动机所带负载的大幅度增加以及起动过程中励磁

7、 系统过早投励等原因所引起。带励失步对电动机所造成的危害 主要是脉振转矩较长时间的反复作用，使电动机在绕组的端部 和端部绑线、转子线圈的接头处、电动机轴和联轴器等部位承 受正负交变的扭矩，影响机械强度和使用寿命，甚至造成设备 的损坏。由于振荡转矩按转差频率脉振，电动机的电流、电压、 功率等物理量会强烈振荡，在一定条件下可能引起电气和机械 共振，导致事故扩大。失磁失步因转子绕组匝间短路， 励磁电源短暂中断、励磁 系统设备故障等引起。同步电动机失磁异步运行时，由于定子 过电流不大，约1.2倍额定电流，电动机出力不减，运行无异 常声音和振动，不易被值班人员发现，导致长时间失磁运行， 引起转子绕组尤其

8、是阻尼绕组的过热、开焊、甚至烧毁。断电失步是由于供电系统故障及人为切换电源引起， 如输 电线路的自动重合闸动作、备用电源自动投入等；由于电源中 断后重新投入的瞬间，电网电压矢量与机端感应电压矢量的相 位关系存在随机性，两矢量相位差在180°时对电机冲击最大。 断电失步对电机主要危害在于电源重新恢复瞬间使电机遭受 巨大的冲击电流和冲击转矩。电机出现失步后，转子回路的物理量能反映出来，因此励 磁装置应设有完备的失步检测环节，一旦检测出失步应根据情 况分类处理，因电机本身故障引起的失步应跳闸停机， 对非电 机本身引起的失步，如外部条件许可，则应实施自动再整步。 同步电动机自动再整步即在检测

9、到失步后熄灭转子磁场，将电机暂时转入异步运行，在适当滑差时重新投入励磁将电机牵入 同步运行。1.5三相桥式全控整流电路1.5.1 三相桥式全控整流电路的工作原理在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳级组是同 时进行控制的，控制角都是。下面将结合 图1-5电路，分析 三相桥式全控整 流电路工作的物 理过程。图1-5三相全控桥式整流电路在习惯上希 望三相全控桥的 六个晶闸管触发 的顺序是1 2 3 4 5 6,晶闸管是这样编号的：Ti和T4接a相，T3和T6接 b相，飞和T2接c相。Ti、丁3、T5组成共阴极组，丁2、F、T6组成共阳极组，如图 为了搞清 楚变化时各晶 闸管的导通规 律，分析输

10、出波 形的变化规则， 下面研究几个特 殊控制角，先分 析 = 0 0的情 况，也就是在自 然换相点触发换 相时的情况。图1-6是波 形，为了分析方 便起见，把一个 同期等分6段。 在第（1）段期间， a相电位最高， 因而共阴极组的1-5所示。T1被触发导通，b相电位最低，所以共阳极组的T6被触发导通。 这是电流由a相经不流向负图1-6感性负载，a =0°时波形图载，再经Tb流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a 相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电 压为：Ud=Ua-Ub=Uab经过60后进入第（2）段时期。这时a相电位仍然最高， Ti继续导通，但是c相电位却

11、变成最低，当经过自然换相点时 触发c相T2,电流即从b相换到c相，T6承受反向电压而关断。 这时电流由a相出经Ti、负载、T2流回电源c相。变压器a、c 两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电 压为:Ud = Ua Uc= Ua0再经过600 ,进入第（3）段时期。这时b相电位最高， 共阴极组在经过自然换相点时，触发导通T3,电流即从a相换 到b相，c相T2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器b、c 两相工作，在负载上的电压为： Ud=Ub-Uc=Ubc余依次类推。在第（4）段时期内，丁3、T4导通，变压器b、 a两相工作。在第（5）段时期内，丁4、T5导通，变压器c、a 两相

12、工作。在第（6）段时期内，丁5、T6导通，变压器c、b两 相工作，再下去又重复上述过程。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是：6 1122 33 4455 6由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：（1） 三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸 管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组的， 另一个是共阳 极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。（2） 三相桥式全控整流电路对于共阴极组触发脉冲的要求 是保证、T3和T5依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位 差应为120。对于共阳极组触发脉冲的要求是保证 T2、T4和T6 依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是

13、120 o在电感负载情况下，每个晶闸管导通 120 o（3）由于共阴极的晶闸管在正半周触发，共阳极组在负半周 触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相 差180 。例如接在a相的不和T，接在b相的T3和丁6,接c相的T5和T2,它们之间触发脉冲的相位差都是 180 o(4)三相桥式全控整流电路每隔60有一个晶闸管要换流， 由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管。 例如由Tl、T2换流到丁2、 T3。因此每隔60要触发一个晶闸管，触发脉冲的顺序是：1 -234561,依次下去。相邻两脉冲的相位差是 60° , 如图1-7所示。(5)为了保证在整流器合闸后，共阴极组和共阳极组应各

14、有 一个晶闸管导电，或者由于电流断续后能再次导通， 必须对两组中应导通的一对晶 闸管同时有触发脉 冲。为了达到这个目 的，可以米取两种办 法；一种是使每个触 发脉冲的宽度大于 60 (必须小于 120), 一般取80 100° ,称为宽 脉冲触发。另一种是 在触发某一号晶闸管 时，同时给前一号晶 闸管补发一个触发脉 冲，相当于用两个窄 脉冲等效地代替大于60的宽脉冲。这种方法称图1-7触发脉冲双脉冲触发。这两种触发方式均示于图1-7中。例如当要求导通时，除了给不发出触发脉冲外，还要同时给T6发一个触 发脉冲。欲触发T2时，必须给T1同时发出一个脉冲等。因此 用双脉冲触发，在一个周期内

15、对每个晶闸管须要连续触发两 次，两次脉冲中间间隔为 60 o双脉冲触发的电路，因为有 补入和输出的要求，比较复杂，但它可以减小触发装置的输出 功率，减小脉冲变压器的铁芯体积。用宽脉冲触发，虽然脉冲 数目减少一半，为了不使脉冲变压器饱和，其铁芯体积要做得 大些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲的前沿不够陡 （这对晶闸管多串多并时是很不利的），增加去磁绕组可以改 善这一情况，但又使装置复杂化。所以通常多采用双脉冲触发 控制。（6） 整流输出的电压，也就是负载上的电压。它属于变压 器二次的线电压。图1-7a中的电压波形都是相对于变压器零 点而言的相电压波形。三相全控桥计算控制角的起点仍然是 相电

16、压的交点。整流输出的电压应该是两相电压相减后的波 形，实际上都属于线电压，波头 Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca和Ucb均 为线电压的一部份，是上述线电压的包络线。相电压的交点与 线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自然 换相点，同时亦可看出，三相桥式全控整流电压在一个周期内 脉动六次，脉动频率为 6X50Hz=300Hz（7） 晶闸管所承受的电压波形示于图形 1-6d。三相桥式整 流电路在任何瞬间仅有两臂的元件导通， 其余四臂的元件均承 受变化着的反向电压。例如在第（1）段时期，Ti和飞导通，此时T3和T4承受反向线电压 Uba= U Ua T2承反向线电压 Ubc= U

17、b Uc。T5承受反向电压 Uca= Uc- Ua 。如果仅看一 个晶闸管上的电压波形，例如Ti,则在第（1）段和第（2）段 期间，Ti导通，仅有很小的正向压降。在第（3）段和第（4） 段期间，由于T3导通，故Ti承受反向线电压Uab= Ua Ubo在 第（5）和第（6）段期间，由于T5导通，Ti承受反向线电压 Uac= Ua Uc。只要负载电流波形是连续的情况下，晶闸管上的电压波形 总是由上述三部分组成。例如对Ti来说，即导通段，波形与坐 标轴重合，还有线电压Uab段和线电压Uac段共三段组成。当 改变时，它也有规律的变化；当 =0是，晶闸管不承受正向 电压。当口变化时，其承受的正向电压与

18、sin 口成比例。熟识 这些波形对调试设备很有帮助。其他五个晶闸管上的电压波形与 Ti相同，不过相位依次 序逐个都要差60°。由图i-6d可以看出，晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。当从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承 受的最大正向电压也是线电压的峰值。 至于电阻性负载，当口 >60°时，电流进入断续区。故 =600时晶闸管承受最大的 正向电压为2U 2i sin % = 2U 2i sin60 = 1.22Un当控制角口 >0时，每个晶闸管都不在自然换相点换相,口角开始换相。图1-8所示为电丁4u婚图1-8感性负载，“二30°波形而是从自

19、然换相点向后移一个 感负载， =300时的电压 波形。分析的方法与 =0 时相同。可从口角开始把一 个周期六等分。在第（1） 段时期，Ti和T6导通，其间 虽经过共阳极组的自然换 相点，c相电压开始低于b 相电压，T2开始承受正向电 压，但因未被触发所以不能 导通。由T6继续导电。这就 是和不可控整流电路工作 情况根本差别之处。直到距 上次触发Ti （ 3 ti ） 60 时 触发T2,才迫使T6关断，负 载电流从T6转移到F上， 进入第（2）段时期。此时 导电元件为Ti和T2,负载上 的电压由原来第（1）段时 期的Uab转为Uac,余类推。 得到一个周期脉动六次的 输出电压分别为UaB Ua

20、c、 Ubc、Uba Uca和 Ucb 等， 它们都属于线电压，各段都取其中的某一部分。作出线电压的 整个波形，仍可见到线电压的交点与相电压的交点在同一位 置，因而控制角口从线电压算起是无须怀疑的。11WKLF系列微机励磁装置用户培训手册图1-9表示电感性负载，0c =60°时的电压波形。电路原先是T5和T6工作，在3ti（相当于）时触发Ti, 它因此刻承受正向电压而导通，并将Ts关断，负载电流便从T5转移到Ti,此时导电元件为Ti和T6,输出电压为Uabh过60° 后Ua与Ub相等，Uab=Q输出电压到达零点，但此时又立即 触发T2,它承受正向电压而导通，并关断 T6,负

21、载电流从T6 转移到T2,此时导电元件为Ti和T2,输出电压为UaG依此类 推。图中也画出晶闸管Ti上的电压波形。它由三段组成：一段 是线电压Uac, 一段是导通期，与横坐标重合，另一段则是线 电压Uabo当 >60°时，当线电压瞬时值为零并转负值时，由于电 感的作用，导通着的晶闸管继续导通，整流输出出现了负的电 压波形，从而使整流电压的平均值降低。图形 i-i0所示为图i-9感性负载，a =60°波形图i-i0感性负载，a =90°波形ioWKLF系列微机励磁装置用户培训手册电感性负载， =900时的电压波形。对应于(oti (%=90° ) 时

22、触发晶闸管Ti,在触发前，假设电路已在工作，即 T5和T6 已导通。至(oti时触发Ti后，导电元件为Ti和T6,输出电压为 Uab。当线电压Uab由零变负时，由于大电感存在，Ti和T6继 续导通，输出电压仍是 Uah此时出现负值，直到3 t 2进触发 T2,才迫使T6承受反向电压而关断，此时导电元件为 Ti和T2, 输出电压为Uac。依此类推，周而复始继续下去，得到图i-i0 的输出电压波形。Ti两端的电压波形亦表示在图i-i0上。可以看出，当电流连续的情况下， =900时输出电压的 波形面积正负两部分相等，电压的平均为零。电感性负载。其负载电流的波形是一条水平线。设其幅 值为Id,由于晶闸

23、管每周期导电i20 ,电流波形为长方波， 流过晶闸管的电流有效值为：=一各=0.577九与=。.36跖它的值与口的大小无关。至于电阻性负载，当0c W600时，由于输出电压波形连 续，因此电流波形亦连续。在一周期中，每个晶闸管导电i20 o 负载电流id =Ud/R ,整流电压波形与电感性负载时相同。当 0c >60°时，由于线电压过零变负时，晶闸管即阻断，输出电 压为零，电流波形转变为不连续，不像电感性负载那样出现负 压。图i-ii表示电阻负载， =900时的电压波形。可以看出，在(oti (%=90° )时，同时触发晶闸管Ti和 T6,因此时a相电压大于b相电压，

24、故Ti和T6都能导通，输出 电压为Uabo至共阴极自然换相点时，Ua=Ub线电压Uab=Q 之后a相电压将低于b相电压，Ti和T6都因承受反向电压而关 断。此时输出电压和电流都为零，电流出现断续现象。至 3 t 2 时刻触发丁和T2,同理它们导通，输出电压为 Uac。当Uac由 零变负，Ti和T2又都承受反向电压而关断。如此类推，周而复 始得到一系列断续的电压波形。可以看出，当0c >60° , 输出电压和电流波形不连 续，一周期中每个晶闸管 分两次导电，导电2 X(1200 %当a =120时，输出 电压为零，可见电阻负载 日寸，最大移相范围是120 。1.5.2三相桥式全控

25、整流 电路整流电压与控制角的 关系三相桥式全控整流 电bZ %个图1-11纯阻负载，a =90。波形路在具体分析中例如电感 性负载或者电阻性负载， 不论为何值，负载上的输出电压都是两相之间的线电压的某一部分。实质上就是三相线电压的整流。它相当于以线电压为 幅值一周期有6个脉波的六相半波整流电路。因此，亦可直接 从线电压入手计算其平均值。为了简化计算，由于输出电压的 波形每隔60就重复一次，所以计算直流输出电压的平均值 不必计算整个周期，在60范围内取其平均值即可。在三相星形接法的电路中，线电压较其相应的相电压超前30° ,而幅值是相电压的3 倍。伤0口 Uab=UcH Ub=Ua&l

26、t;30 。在上述绘制电压波形白所有计算中，都是以 a相的 相电压为零时作为坐标的原点进行绘制的。因此相电压Ua的表达式为2 U2sin 3t。自然换相点在(ot = 30。处。为了简 化计算，今把线电压Uab的零点作为新坐标的原点，即比原来 的坐标提前30 o因而在新坐标上，自然换相点的位置在(ot / =600 =刀/ 3处。控制角0c仍应从自然换相点算起。下 面整流电压的计算，都立足于这个条件而定出积分的上下限 的。在图1-11中，已表示出相电压Ua与线电压Uab的关系，Uab的零点导前Ua的零点30(一)电阻性负载作出以线电压Uab的零点为坐标原点的线电压波形。其自 然换相点在60 处

27、，它是线电压Ucb与Uab的交点，如图1-12 所示。可以看出，当W600时电流连续。0c >600时，电流 要断续，因此求输出平均电压就要分两种情况。1 .当0W % w刀/ 3 时整流电压的平均值可以根据图1-12求出，线电压Uab的 表达式为3 X 2 U2sin 3 t，在刀/ 3范围内积分的上下限分 别为2刀/ 3 + a和 JI / 3 + %。因此当控制角为日寸，整 流电压的平均值为"+ a< r 33 /飞U* = 一 ,&/行刖出(wf) 入8s Q =«如用线电压有效值U2l表示，则=1.352立2 .当刀/ 3< % <

28、2刀/ 3 时整流电压的波形如图1-13所示。当口 >刀/ 3 时，输 直流电压平均值为上式中，积分上限原为2ji/ 3 +%,现因% 刀/ 3,因此只能 积到刀。当=2刀/ 3 时，Ud=Q所以由公式推导可以看出， 电阻性负载的最大移相范围是 2刀/ 3。（二）电感性负载对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角 总是2刀/ 3,即使% 刀/ 3 ，上式积分的上限可以超过 兀， 仍为2刀/ 3 + % 。因此当控制角为时，整流输出的直流电 压平均值为X J如用线电压有效值U21表示，则Ud =2.34"聚cos a=1.35l7Sfeosa531-14中曲线所示。这种电

29、 F,要求最大移相范围为Ud 与控制角的关系如图形 路在大电感负载工作于整流状态 90 。在三相桥式全控整流电 路中，共阴极组晶闸管与共阳 极组晶闸管共用一套变压器的 二次绕组。共阴级组在正半周 导通，在电感性负载下导通120 o共阳极组在负半周导 通，导电时间也是 120 o接 在同一相上的两个晶闸管的电流在相位上差180° ,大小相等，方向相反。设负载电流的平均值为Id ,则变压器二次绕图形1-14整流电压与a的关系组中每相电流的有效值I2 (设变压器二次为星形接法)为Rx -> + (-Fd)工吟斗栏九二口，8由于变压器二次绕组的电流没有直流分量，所以一次绕 组中的电流波

30、形与二次绕组中的电流波形一样。根据变压器 一、二次安匝相等的原则，可以求出一次绕组的电流 Il。第二章励磁装置基本原理2.1 硬件电路及原理2.1.1 装置主回路励磁装置主回路见图册 WKLF11,图号T01.01或WKLF 41,图号T04.0 1 (无刷励磁图册)，包括起动控制回路， 三相全控桥回路及其它保护回路。(1)起动控制回路对于41型无刷励磁 装置，该部分电路位于旋 转励磁部分，安装在电机 轴上。起动回路由电机转 子、起动电阻RQ起动 可控硅KQ及起动二极管ZQ构成，如图2-1所示。电机定子油开关合闸后，电机进入 异步起动过程，转子感应电流正半波If ( + )经RQ ZQ构成 通

31、路，感应电流负半波If (一)经KQ RQBS。起动电阻RQ勺配置RQ 在电机起动过程和失步后白异步驱动过程投入。 RQ取 值大，起动力矩大但失步再整步时牵入力矩小， 因此需兼顾起 动和再整步时力矩要求。RQ取值根据电机参数进行较严格计算，并经热稳定校验，与通常励磁装置选择10倍转子电阻值不同。高低定值自动转换在电机油开关合闸后的异步起动和电机失步灭磁后异步 驱动过程中，为使电机起动过程平滑无脉振，KQ应在转子较低感应电压下触发开通，使感应电流正负半波均无阻碍的流过 同一电阻，产生对称力矩；电机起动完成至投励后，KQ自动转换为在转子感应过电压下才能开通，起转子过电压保护作 用，同时在励磁电压正

32、常波动范围内又不会导通。11型装置的高低定值通过油开关和投励继电器接点自动转换，41型装置的高低定值则通过旋转励磁部分的投励状态自动转换。 监视回路同步电动机正常运行时，起动可控硅 KQ不导通，起动电 阻RQ无电流流过，起动电阻为冷态。当转子有感应过电压时， KQ通过高定值导通，由RQ抑制过电压。KQ导通后，起动回路 监视继电器JQJ动作（JQJ在投励后投入监视），其动作接点 送至主机箱，控制触发角口使KQ关断。（2）三相全控桥回路三相全控桥由六只可控硅组成，其通态平均电流和耐压计 算及选择与同步电动机额定励磁电压、 额定励磁电流、转子直 流电阻、风冷系数等相关。同步电动机在起动和失步灭磁后异

33、 步运行过程中，三相全控桥不工作。同步电动机正常运行时三 相全控桥工作在整流工况，整流桥输出至转子电压平均值Uf=1.35U21cos % ,U2i为整流变压器二次线电压，口为脉冲触发角。当0c =90°时，输出电压波形正负相抵，电压平均值为零。 0c >90°时，同步电动机停机时三相全控桥工作在逆变工况， 整流桥输出电压平均值为负（本励磁装置灭磁时=150° ）,转子大电感储能通过励磁变压器回馈至电网，实现逆变灭磁。 保护回路装置主回路配有常规保护。空气开关LZK用于交流侧短路 和励磁变压器浪涌保护；压敏电阻 RVkRV3用于交流过电压 吸收；快速熔断器K

34、RD卜KRD新于直流侧短路及可控硅元件故障保护；三相全控整流桥配有阻容保护（装配在可控硅散热 器上），用于吸收可控硅换相时产生的过电压。2.1.2 信号检测及变换回路（1）励磁电流测量变换励磁电流测量是通过串接在励磁装置直流输出母线上的霍尔电流传感器 旧实现的。塞尔器件S-1*-V电子检测显示器等图2-2旧 是一种磁平衡式电流传感器，如图 2-2所示。霍尔元 件作为磁通敏感元件，它将磁通信号转化为微弱的电信号控制 放大器的输出。一次电流（励磁电流）产生的磁通与测量电流 产生的磁通方向相反。当一次测电流增大（减小）时，元件中 磁回路磁通量增大（减小），霍尔片的输出增大（减小），测量 电流相应增大

35、（减小），使得测量电流产生的磁通增大（减小）， 直至磁回路中磁通量近似等于零。 因此，二次测量电流正比于 一次励磁电流，通过测量电阻R取样，可得到正比于一次励磁 电流的电压信号。在本系统中，霍尔电流传感器安装于主回路侧， 励磁电流 通过铜棒或引出线（41型）单匝穿心，产生一次磁通。传感 器的工作电源取自400单元21# （ 15V）和23# （+ 15V）端子, ±15V供电，其输出则引至400单元22#端子，由400单元母板 引至前置变换板上的取样电阻 Rf ,并最终与士 15V电源的0电 平（GNDA本系统中称模拟地，下同）相连。下表指示了不同 规格霍尔电流传感器的参数。型号额定

36、 电流测量 范围线性 度输出电源 电压孔径强度精度变比nKT5A/P5A0-7.5A0.1%0-50mA士 15V103KV2.5%100KT10A/P10A0-15A0.1%0-100mA士 15V103KV2.5%100KT20A/P20A0-30A0.1%0-100mA士 15V103KV2%200KT30A/P30A0-45A0.1%0-100mA士 15V103KV2%300KT50A/P50A0-75A0.1%0-100mA士 15V106KV1%500KT150A150A0-225A0.1%0-100mA士 15V206KV0.5%1500KT200A200A0-300A0.1%

37、0-100mA士 15V206KV0.5%2000KT300A300A0-450A0.1%0-150mA士 15V206KV0.5%2000KT500A500A0-750A0.1%0-100mA士 15V256KV0.5%5000KT800A800A0-1200 A0.1%0-200mA士 15V406KV0.5%4000KT1000A1000 A0-1500 A0.1%0-200mA士 15V406KV0.5%5000本装置中，取样电流 R为8W10金属模电阻，以选择传 感器KT300A为例，当If =200A时，电阻Rf的压降为：U R= If 'x Rf =If x Rf / n

38、=200x 15/ 2000= 1.5V式中n为变比在If为其它值时可依上式推算出 U,该值可以从400单 元端子排测得，测试方法为用万用表直流电压档，黑表笔接模 拟地GNDA400 9）,红表笔接LEMQ400 22）。在现场调试 时，用此方法可以测试 旧是否工作正常。如果旧没有工作电源，或输出端开路（如前置变换板未连），而励磁电流有输出的情况下，会使旧的磁平衡破坏而导 致旧内部磁环磁化，严重影响测试精度；用户使用时应严格 避免类似情况发生。位于前置变换插件中的励磁电流放大回路如图 2-3示：图2-3R17、R16 C3 C2构成低通滤波网络，并与电阻 R1R6 及运放IC2构成放大电路，I

39、F跳线器J1为二选一插片，用以 选择不同的放大倍数。出厂前调试时，选择、连接，出厂 后选择、连接，对于41型装置IF跳线器J3固定连接、 即可。R3R6用以确定IF放大回路的放大倍数，根据其连接方 式总电阻：c（R3+R4）（R 5+R6）R _ _ _ _R+R+R+R其值与额定励磁电流Ife及旧的变比有关，不同励磁容 量的电机，R各不相同，这也是前置变换板不能通用的原因。 对于11型装置，R相同（R” R6相同）的前置变换插件完全 可以互换。但对于41型装置，前置变换插件互换除要求 Rw相 同（R3R6相同）外，还要求两套装置具有相同的交流励磁机电枢频率。R3R6的阻值在现场实验报告中留有

40、记录。W1为运算放大器的调零电位计，也是本系列装置中唯一 需要调整的电位计（通常出厂前已整定好，无需用户调整）；运放输出If的电平可从400单元端子测得，信号If通过400 单元母板分为AIF*和BIF*,分别送至A B套I/O板。用万用 表电压档，红表笔接40017（BIF*）,黑表笔接400 19（COMB B套信号的公共端），即可测得Vf。调整W1时，需用延伸插 件将前置变换板延伸出来。当装置输出电流为零（未投励）时， 改变W1阻值，使得Vf = 5.010.0mv即达到调零目的。在励磁装置输出0.9倍额定励磁电流时，Vf = 6.2 6.6V,以此可作为判别前置变换板上I f放大电路是

41、否正常工作 的依据。AIF*和BIF*分别经由A B套反向缓冲放大器（放大倍数 约等于0.38倍）由I/O板输出，并通过I/O板与主机板之间 的扁平电缆送至主机板A/D采集器，转化为数字信号，供调节 器使用。当励磁电流IF=0.9Ife时，I/O板输出测试端J7对模拟 地J9的电压为2.5V.（2）滑差投励及零压计时投励环节对于41型装置该部分电路位于旋转励磁部分，与下面介 绍的电路有相同原理，但实现方法有所差异。在A、B套通道板上，均设有IF变换的整形通道，当同步 电动机起动时，由于定、转子的相对运动，在转子回路中会感 应出交变电流。如图2-4示：该信号会沿着上节介绍的励磁电流测量通道传到A

42、、B套的通道板上（AIF*和BIF*）,整形通道的作用在于将该信号变 为方波IFT并送至主机板，用以测量电机起动过程中任一时刻 的滑差。在电机加速至接近亚同步时，IFT波形与转子直轴取向和 定子旋转磁场的取向之间存在着严格的对应关系，假设定IFT图2-4子磁场静止，则转子以电机转向的相反方向旋转， 示意图如图 2-5 示。图2-5由于电机尚未进入同步，5角由0士 1800°变 化，定义转子直轴取向在定子 磁场位置的左侧时S >0,则当 S = 0时，对应图2-4中的t1 （或 t3 ）时刻；S = ± 180 时，对应图2-4中t2时刻， t1t3为转子相对运 转一周

43、，因此滑差Sx f =1t 3-t 1式中f为电网频率，取50Hz在实际测量中，测取t2t3的时间（半周期）来表示滑差,Sx f =1 2(t3-t2)2At hc当S= 5%时,A t HC= t HC=2X 0.05 X5012Sf£0.5=0.2 秒因此，测量At HC即可知道电机起动过程中的滑差 S,当4 tHC达到整定值时，并不能立即投励。这是因为此时转子直轴取 向与定子磁场位置并不重合，此时投励会对电机造成较大冲 击。在AtHc满足要求后，需等待直至5 =0,此刻投入励磁对 电机冲击最小，这也是我们常说的反极性未尾准角投励。作为后备投励环节的零压计时投励是通过检测转子感应

44、 电流的正半波来实现的，当设定投励时间为2秒时，对应滑差 S<0.5 %。原理及计算方法与滑差检测相同。 零压计时投励也 可以理解为在同步电机进入同步后（转子感应电压为零）开始 计时，计时时间到自动投励；因此它是对滑差投励环节的补充。由于计时投励的定值比滑差投励大， 绝大多数情况下，滑 差投励都能准确动作，从而闭锁计时投励。只有某些特定机组， 由于机组惯量小，转速低，且电机凸极效应较强，起动过程非 常快，存在滑差投励环节捕捉不到而电机已直接进入同步（凸极力矩）的可能性；这种情况就只能靠计时投励动作了，由于 此时转子感应电压为零，故又称零压计时投励。滑差投励和计时投励的检测分别由主机板上的

45、两个十六 位定时器实现。（3）同步信号变换作为主桥可控硅触发同步控制用的同步信号取自励磁电 源的A相，由于励磁变压器为A/Y11 （或Y/A11）接法， 励磁变压器原边的UA比副边Ua滞后30° ,因此，UA的过零 点对应自然换相点b （如图2-6示），以a点开始根据触发导C),依次延前角认定时，时600可得到其它5组触发脉冲，如图2-7示。+A-B+C-A+B-C图2-7Rf图2-8为避免同步信号变换电路产生相移，影响励磁调节的线性 度，在本装置中采用的是有源电流型变换电路。图2-8示电路位于前置变换板上，由于 TB二次输出电压 恒为零（即不从TB上取功率），I2与UA保持相同的相

46、位关系， （角误差小于5分）且与UA幅值成正比，在运放的作用下， I2流过Rf形成UT完成从UA-UT的隔离变换。由400端子13#、 14# （A套）和31#、30# （B套）输出，当输入电压 UA为AC220V 时，400端子输出约AC6.2V在A、B套通道板上，设有 UT的过零比较整形通道，将 UT转化为方波，供主板板使用。PT、CT变换与COS）测量PT 信号取自电压小母线 YMB YMC在安装接线时，要求 用户将YMA YMB YMCE线均配至600单元，目的在于防止三 线弄混而耽误现场试车时间。YMA、YMB YM8别引至 600 单元 19#、20#、21#端子，其 中YMB Y

47、MCg由装置配线引至400单元34#、35#,再经400 单元母板引入前置变换插件。PT信号的隔离变换电路与同步信号相同，只是由于其电 压较同步信号低，变压器一次串接的电阻阻值较小。口当 YMB YMC- |:之间电压为_|_P> AC100V寸，PT*输帆一驾一出AC5-6V,并由400 单元 15#、图 2-916# （A套）和 29#、28# （B套）输出至300主机箱单元，引线名称中带*号表示同 名端（即十端，下同），再经由I/O板整形成TTL电平的方波 信号与CT信号一起送至主机板作相位角测量。当外接YMB YMC1间电压小于5%额定时，主机会提示PT断线。CT信号取自机端电流

48、互感器 A相电流。电流互感器二次 首端A401接入600单元1#端子，串接仪表板上定子电流表后 引至400单元37#,并经400单元母板引入前置变换板。经前置变换板上隔离用电流变换器 旧1, 一次穿心后引回至600单 元3#端子。图 2-10考虑到电机空载时，定子电流会很小，运放A2设有较高增益，在正常情况下，CT输出的定子电流波形为削顶波，但 相位关系与定子电流严格相同。它与 PT信号一起构成COS 测量的原始信号。在41型装置中，还有一路定子电流变送通道，运放A3输 出，当输入电流为2.5A时，UId输出DC3.44V,该值可从400 单元的1'#和2'"端子之间

49、测得。由于COS）角的测量需要软件配合完成，在装置正常工作 时，PT*、CT吸UT之间具有严格的相位关系。从300单元21#（公 共断）、16#、17#、18#端子测量，三者相位关系如下图2-11示：图 2-11不论COS）为何值，PT*恒超前UT90 , COS） >0时，CT* 超前U反之则滞后，COSD = 1时，CT*和UT同相位。在实际使用中，是通过测量里来得到角的，由上图可以 看出当空90°时，=90° -乎为超前，当 空90°时，二里 -90 °为滞后。在主机程序中贮存有 COS）运算表，测出角后，通 过查表很容易得到COS）的值。（

50、5）谐波检测单元（11型无此项）当无刷励磁系统旋转励磁部份故障（包括旋转控制模块故 障和由旋转整流模块故障导致的一相快熔熔断），交流励磁机 转入不对称运行，在其励磁绕组上会耦合出一定频率的交流电 流，通过对该信号的幅值及频率特征进行分析，即可判断旋转励磁系统的运行工况。该部分电路位于前置变换插件上。 前置 变换板完成判别后，由4004' （IFJ2）输出给主机。2.1.3 触发脉冲上节介绍了六路触发脉冲的形成，本节将重点介绍六路触 发脉冲的功率放大及输出。从I/O板输出到脉冲放大板的六路脉冲如图 2-7示。以+A相触发脉冲为例，其余5路与之相同图 2-13图2-13中BG1为达琳顿功率

51、管用以驱动脉冲变压器，光 电耦合器01用做检测脉冲是否丢失，BG2用以控制脉冲的输 出。M +24V为脉冲功率电源，它与脉冲变压器一起位于脉冲 输出板上。在BG1导通之前，a点的电位 Va= + 24V, BG1导通时， C1迅速放电，在脉冲变压器 MB原边形成很大的电流，并耦合 到MB二次形成强触发尖峰，随着 C1放电，Va逐渐减小，直 至二极管D1导通，Va嵌位于Vb 0.7V从脉冲变压器二次侧输出的触发脉冲，宽度约1ms尖峰触发电流不小于1.4A;平台触发电流不小于330MA强脉冲宽 度约占总宽度的1/5,即能满足大电流可控硅的强触发要求， 又不会导致可控硅触发极温升加剧。BG1 基极

52、输出到可控硅触发极的电流波形图 2-15六路触发脉冲从300单元26#31#端子输出，至脉冲输出板单元。通常从300单元端子可以大致判断六路触发脉冲是否正常，可选择示波器探头地端接33#端子(+24功，信号端任取2631#中的一个，测得波形如图2-16示图 2-162.1.4 操作回路WKLF 11型励磁装置的操作回路包括：(1)控制开关KK；为三位置开关，分调试位、工作位和 零位。在调试位和工作位分别有一付接点引入通道板，以给主机提供控制开关的状态。在工作位还有一付接点外引至定子油 开关的合闸回路，以联锁定子回路的合闸操作。(2)手动投励和手动灭磁按钮。用于装置静态或动态调试 时进行手动试验

53、。(3)手动增减磁按钮。用于手动调节励磁，在功率因数闭 环退出运行时，可通过它们增减励磁电流，在双闭环运行时， 可通过它们改变功率因数的设定值。(4)开/闭环转换开关。用于手动设置励磁装置是单一电 流环运行还是双闭环运行。(5)手动切换按钮。用于对 A、B通道进行手动切换，在 两个通道均完全正常时，通过它可任意指定一个通道为主机， 另一个通道即变为备机，若出现两通道一个或两个都发生故障 时，手动切换不起作用，A B通道的主/备机状态由自动切换 信号控制。(6) A、B通道更换旋钮。用于在 A (B)通道故障时更换 A (B)通道所有的三个插件(CPU I/O、MF板)。若A (B)为 正常主机

54、运行，B (A)为正常备机运行，将 A (B)的更换开 关置更换位置时，A (B)通道会自动切换到 B (A)而转入备 机运行，原为备机的B (A)转入主机运行。切换过程无抖动。(7)定子油开关状态，它引自定子高压开关的辅助接点。(8)主桥启动回路开通监视继电器 JQJ的输出接点。(9)风机开关，位于风机箱面板上；合位时装置上电后风 机一直投入，分位时风机投入受控于励磁状态， 即投励后风机 自动投入。(10)空气开关，用于控制励磁变压器投入，并充当过流保 护。在以上的操作量中，除(6) (9) ( 10)外，其余各项都通 过I/O板上的接点量输入口送入主机，由CPU断地对各状态 进行巡检。2.

55、1.5 保护回路由于WKLF11型励磁装置采用了微处理器芯片，它除了 完成双闭环励磁调节功能外，还具有很强的保护功能，在下一 章软件原理中将作详细介绍，因此，继电保护回路实际上只承 担动作出口、跳闸、报警及其复归等功能。另外，还有一小部 分常规保护设有引入主机箱控制器中， 它们通过出口跳闸继电 器直接输出，如：a、空气开关过流保护；b、励磁变压器二次侧的快速熔断保护；还有一些只动作于报警的监测环节设有送入主控制器中， 而是直接引至报警继电器，如：c、风机监视；d、A B套+ 24V电源监视，位于交、直流开关电源内部；e、交流电源监视；f、直流电源监视。所有动作于跳闸出口的保护都会动作报警， 在

56、报警回路中 设有音响报警和灯光报警，并设有音响报警复归按钮，而灯光 报警信号只有在故障消失后才撤除。2.1.6 工作电源本装置电源系统包括一个交流220V输入和一个直流220V 输入的两个开关电源，两套电源具有相同的四路直流（+5V、±15V, +24V）输出，且 + 5V、±15V、+ 24V 均相互隔离。 电源采用特殊设计，使得士 15V、+24V两套并联运行，且每 套的设计容量都足以提供励磁装置的全部份额，因此当一套电源发生故障时，负载电流全部转移到另一套上。+ 5V两套电 源相对独立，分别给主机箱中 A、B两套控制插件供电，这样 的电源配置使得整机运行可靠性大大提高。不论交流输入还是直流输入其工作原理大体相同， 但由于 设计的工作点不同，二者不能互换，特别是若将直流电源插入 交流电源插位将会导致输入过压而烧坏。开关电源的各路输出，都有严格的电压范