全数字同步电动机励磁装置介绍

1、KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置全数字同步电动机励磁装置技术手册技术手册资料版本V1.1归档时间2014-9-3武汉科大电控设备有限公司版权所有，保留一切权利。内容如有改动，恕不另行通知。武汉科大电控设备有限公司地址：武汉市青山区建设一路邮编：430081电话真市场部术部址：E-mail：目目 录录第一章 产品概述.11.1 产品特点简介.11.2 产品型号说明.21.3 产品执行标准.21.4 产品工作环境.31.5 产品供电电源要求.3第二章 同步电动机的基本知识.42.1

2、概述.42.2 同步电动机的基本结构及基本工作原理.42.3 同步电动机的 V 形曲线.10第三章 KGLF-3S 全数字励磁装置主要技术性能.123.1 励磁系统基本术语.123.2 励磁系统基本性能要求.123.3 KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置的主要性能.14第四章 KGLF-3S 励磁装置主要单元介绍.154.1 励磁系统构成.154.2 主回路功率系统组成和功能.154.3 控制系统组成和功能.18第五章 KGLF-3S 励磁装置参数设置指导.235.1 人机界面操作方法.235.2 触摸屏主要参数设定值及描述.325.3 网络通讯.33第六章 操作规程.356.1 操作顺

3、序.356.2 常规检查.356.3 “调试”位置检查.356.4 “工作”位置检查.356.5 运行中电流给定参数调节.356.6 停机待命.36第七章 典型设计方案.37KGLF-3S 全数字励磁装置柜体结构图（单柜-变压器内置）.38KGLF-3S 全数字励磁装置柜体结构图（单柜-变压器外置）.39KGLF-3S 全数字励磁装置柜体结构图（双柜-励磁柜+变压器/灭磁电阻柜）.40KGLF-3S 全数字励磁装置电气原理图.41KGLF-3S 全数字励磁装置对外接线图.42KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Emai

4、l: 1第一章第一章 产品概述产品概述本章介绍了 KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置的特点、型号说明、生产标准及产品适用条件等。1.1 产品特点产品特点简介简介KGLF-3SKGLF-3S全数字同步电动机励磁装置全数字同步电动机励磁装置，系武汉科技大学开发研制的高性能全数字化工控产品。本装置由可控硅功率单元+灭磁单元+可编程控制器+人机界面+励磁控制器等部分构成。系统具有完善的励磁控制、系统保护、故障报警及显示功能。本装置可广泛适用于风机、水泵、压缩机、球磨机、粉碎机、轧钢机等负载类型的有刷同步电动机励磁系统。可控硅功率单元采用 6 套 KP5001000A 风冷组件，构成三相全控桥整流

5、电路；功率单元采用独立的模块化抽屉式结构，散热方式为强迫风冷，上下双层风机抽屉式结构，每个风机抽屉内装3 只高品质轴流风机，可带电拔插。该功率单元功率余量大，抗电压电流过载能力强，通用互换性好，维修拆卸方便。灭磁单元由 2 套 KP5001000A 可控硅风冷组件+1 套 ZP5001000A 整流管风冷组件+灭磁电阻构成电子式无触点灭磁开关电路。灭磁控制采用安全可靠的双路或门灭磁方式，即 PLC 低压灭磁和高压感应灭磁，具有手动灭磁检测和自动灭磁功能，由 PLC 实时控制起动电阻的投入和切除，以满足同步电机起动的固有特性。灭磁电阻选用 ZX15 系列电阻箱，具有连线端接触牢固，承受冲击电流能

6、力大，在任何情况下都不会烧断的优点，安全可靠。可编程控制器选用西门子 S7-200 系列 PLC，系统具有良好的自诊断功能，能够实时与触摸屏通讯，可在线修改和显示当前运行的各种参数，进行运行参数及故障管理。当触摸屏参数设定完成后，所有参数即存储于 PLC 中，在开车状态下可带电拔插触摸屏，仍能保证励磁装置正常运行。人机界面选用施耐德 7 吋彩色触摸屏，在触摸屏上进行操作设定，可方便地选择“恒角” 、“恒励磁电流” 、 “恒功率因数”等控制方式，全部操作中文显示，方便直观；可在线修改和显示当前运行的各种参数、数据和波形曲线，并可实时循环记录运行参数报表及 200 个以上故障信息。励磁控制器由超大

7、规模集成电路智能芯片和高速模数转换器等芯片构成，主要用于完成同步电动机起动过程中的转差率检测、可控硅脉冲触发等功能。该控制器具有输入电源无相序要求、工作电压范围宽、波形对称度好、控制精度高、触发功率大、抗干扰能力强、工作稳定可靠等显著特点，且采用 PLC 机箱、35mm 标准卡轨、菲尼克斯可拔插接线端子式结构设计，维修拆卸极为方便。系统选用两套完全独立的励磁控制器及电源模块，构成 A/B 双通道励磁调节系统，A/B 通道互为热备，可手动选择或自动切换 A 通道或 B 通道工作；系统运行当中若出现故障，可由工作通道自动无缝隙切换到备用通道工作，以减少故障停车几率。系统具有转差率检测投励和定时投励

8、两种顺极性投励方式，确保每次投励成功。投励全过程KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 2可在触摸屏上实时监控及显示。系统具有空载电机起动强励及带载整步强励功能，以保证空载电机起动和带载时电机能顺利牵入同步；同时系统还具有低电压强励功能，当电网电压降低至额定值的 80%时，系统可自动强励，以保证当电网电压瞬低时电机不失步。起动强励及低电压强励的倍数及时间可根据电机及负载要求在触摸屏上设定。电机起动方式可满足直接或降压起动要求。采用直接起动方式时，当测频电路检测到电机达到亚同步转速时自动顺极性投励；且保证投励时

9、电机无振颤。当采用降压起动方式时，电机通过软起动柜（固态软起或液阻）降压起动时即开通测频电路，当软起动柜投全压时将全压合信号送至励磁系统，当测频电路检测到电机达到亚同步转速时且全压合信号闭合两个条件都满足时自动顺极性投励。具有完善可靠的电源缺相、快熔熔断、欠励、过励、可控硅超温、整流变压器超温、失步等故障报警及故障跳闸等综合保护功能，对外输出为无源接点信号。具有高压失电保护功能。当电机停车时，在正常情况下高压柜开车信号也应断开，同时励磁输出即刻停止；若因故障原因高压柜开车信号仍保持闭合状态，此时励磁系统检测到电机定子电流为零后延时 30 秒自动停止励磁输出，以避免在停车状态下因转子长时间通励磁

10、电流而对电机造成损伤。系统可对外提供 RS-485 串行通讯接口，通讯协议为 Profibus-DP 或 Modbus-RTU（亦可提供工业以太网通讯端口） ，与上位机监控系统联机通讯,可对励磁系统实现遥测及遥调功能。励磁装置柜体结构前门为大视野玻璃外门及上下双仪表内门、后门为双对开门，柜型美观大方，各部件可互换通用,柜体具有足够强度和钢度,保证在吊装时，柜体和内部元器件不会变形扭曲。1.2 产品型号说明产品型号说明图 1.1 产品型号说明1.3 产品执行标准产品执行标准 GB10585-89 中小型同步电机励磁系统基本技术要求 GB12667-90 同步电动机半导体励磁装置总技术条件 GB3

11、859-83 半导体电力变流器 GB3797-83 电控设备第二部分：装有电子器件的电控设备K G L F - - / kW可控硅整流励磁强迫风冷适配同步电动机额定功率产品类型：G-出口产品 D-单通道产品 S -双通道产品设计序号：3-第三代海拔高度：G3-适用于海拔最高为3000米 G4-适用于海拔最高为4000米 G5-适用于海拔最高为5000米 注：海拔高度低于2000米不标定KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 3 GB3797-2005 电气控制设备 GB/T10223-2005 低压成套开关设

12、备和电控设备基本试验方法1.4 产品产品工作环境工作环境海拔高度： 不超过 2000 米周围介质温度： -20+40 ；周围介质相对湿度： 不超过 85%（相当于温度 205） ；使用环境： 没有导电及易爆尘埃，没有腐蚀气体。注：使用环境海拔高度超过注：使用环境海拔高度超过 2000 米需特殊订货米需特殊订货1.5 产品供电电源要求产品供电电源要求进线电源额定电压： AC380V（三相四线制；+10%，-20%）进线电源额定频率： 50Hz(10%)控制电源额定电压： AC220V注：出口产品若电源条件与上述要求不符，需特殊订货。注：出口产品若电源条件与上述要求不符，需特殊订货。KGLF-3S

13、 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 4第二章第二章 同步电动机的基本知识同步电动机的基本知识2.1 概述概述交流电机分为异步电机和同步电机两大类。同步电机是一种特殊的三相交流电机，它既可以作为发电机用来发电，又可以作为电动机用来带动机械负载。同步电动机根据转子结构的不同分为有刷同步电动机和无刷同步电动机两大类产品。2.1.1 同步电动机和异步电动机的区别及优点同步电动机和异步电动机的区别及优点同步电动机和异步电动机比较，最大的区别是，它的转速恒定不变，和负载的大小没有关系，并且它的功率因数可以调节。同步电动机主要用来拖

14、动一些容量大而且不需要调速的机械负载，其功率可以达到几千或者几万千瓦。使用同步电动机比用同容量的异步电动机具有更多的优点。首先，同步电动机的功率因数较高，在运行中可以调节励磁电流，使它的功率因数越前，从而改善整个电网的功率因数，这是异步电动机做不到的。其次，同步电动机的体积比同容量的异步电动机要小，因为电机的主要尺寸是根据视在功率决定的。在输出相同功率的情况下，由于异步电动机的功率因数低，所以它的视在功率大，从而增大了它的体积。此外，同步电动机的气隙较大，便于制造和安装，并且具有效率高、过载能力大等优点。2.1.2 有刷同步电动机有刷同步电动机有刷同步电动机需在定子线圈端接入三相交流电源，在转

15、子线圈端接入相应功率的直流励磁电流，才能保证电机正常运行。因励磁电流是通过碳刷与滑环接触引入转子线圈端的，且转子线圈接入励磁电流的大小是通过直接调节励磁装置的直流输出给定来实现的，故称为有刷同步电动机。有刷同步电动机结构简单，维修方便，因此广泛应用于冶金、矿山等行业的球磨机、粉碎机、风机、压缩机、水泵、轧钢机等设备。因电机在运行时，碳刷与滑环接触可能产生火花，故要求电机使用环境中无易燃易爆等危险气体。2.1.3 无刷同步电动机无刷同步电动机无刷同步电动机与有刷同步电动机的工作原理相同，也需要在定子线圈端接入三相交流电源，在转子线圈端接入相应功率的直流励磁电流，才能保证电机正常运行。所不同的是，

16、励磁电流是通过安装在电机同轴上的交流发电机及旋转盘上的旋转整流器整流变成直流电源后直接接入转子线圈端的。转子线圈接入励磁电流的大小是通过调节静态励磁装置的给定来改变交流发电机电压的大小来实现的。因励磁电压不需要通过碳刷与滑环接触引入转子线圈端，故称为无刷同步电动机。无刷同步电动机结构复杂，维修不易，且造价相对较高，因此主要应用于石油、化工等行业且使用环境中有易燃易爆等危险气体的特定场合。2.2 同步电动机的基本结构及基本工作原理同步电动机的基本结构及基本工作原理2.2.1 同步电动机的基本结构同步电动机的基本结构KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel

17、:Email: 5同步电动机由静止的定子和转动转子两个基本部分组成。定子定子同步电动机的定子与异步电动机一样起着吸收电能，产生旋转磁场之用。同步电动机的定子也是由导磁的定子铁芯和导电的三相绕组，以及固定铁芯用的机座和端盖等部件组成。其结构型式与异步电动机基本一样。转子转子同步电动机的转子有两种结构型式，一种是有明显磁极的称为凸极式，如图 2.1a 所示；另一种是转子为一个圆柱体，并无明显磁极，则称为隐极式，如图 2.1b 所示。一般同步电动机都做成凸极式。NSNSNSa)凸极式 b)隐极式图 2.1 旋转磁极式同步电动机结构示意图磁极铁芯由钢板冲成冲片后，叠压而成，

18、磁极上套有励磁绕组，励磁绕组用绝缘的铜线绕成，励磁绕组两出线端接到两个滑环上，通过与滑环相接触的静止的电刷向外引出。当励磁绕组中通过励磁电流后，转子磁极产生恒定的 N 与 S 极，励磁用的直流电流由同步电动机励磁装置来供给。另外，在转子磁极表面上还装有笼型绕组，和鼠笼式异步电动机的转子绕组相似，这种笼型绕组也称起动绕组，如图 2.2 所示。利用起动绕组就可使同步电动机实现异步起动法。NSNSNS起动绕组励磁绕组图 2.2 同步电动机的起动绕组和鼠笼式异步电动机的转子绕组类似2.2.2 同步电动机的起动及基本工作原理同步电动机的起动及基本工作原理KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武

19、汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 6同步电动机通常采用所谓异步起动法，就是利用装在转子磁极上的起动绕组，让同步电动机象异步电动机那样先起动起来。同步电动机异步起动法的接线示意图如图 2.3 所示。异步起动时转子尚未接通励磁，图 2.3 中的双投开关 K 在“1”的位置。S0N012ABCNSK图 2.3 同步电动机异步起动法的示意图在异步起动的过程中，转子励磁绕组不允许开路，也不允许短路。由于励磁绕组匝数很多，若开路，起动时定子的旋转磁场将在励磁绕组中感应很高的电势，可能破坏绝缘；若短路，可能感应电流过大，烧坏绕组。因此在异步起动过程中必须串入一定数值

20、的电阻，该电阻一般称为灭磁电阻。 当转子转速达到亚同步速度，即=95%时，将开关 K 合在“2”的位置上，直流电流便送n0n入励磁绕组，转子接入励磁。根据磁极异性相吸，同性相斥的基本物理特性，依靠磁拉力，旋转磁场就紧紧地牵引着转子磁极一起转动，将转子的转速强行拖入同步。之后，转子转速与旋转磁场的转速便保持相等（同步） ，即： ，这就是同步电动机名称的由来。pfnn1060当电源频率一定时，同步电动机的转速是1fn恒定的，不随负载而变。所以它的机械特性曲线=（M）是一条横轴平行的直线，如图 2.4 所示。nf这是同步电动机的基本特性。正由于此，同步电动机的转速是不能调节的。 图 2.4 同步电动

21、机的机械特性 2.2.3 同步电动机的励磁控制同步电动机的励磁控制凸极式同步电动机电磁功率表达式为：0nMKGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 7201122mmmdqdUEUPPPmSINmSINXXX相应的电磁转矩表达式为：20001122dqdUEUMMMmSINmSINXXX由此可见凸极式同步电动机的电磁功率（电磁转矩 M）由两部分组成，一部分为基本分量mP，另一部分为附加分量。凸极式同步电动机的附加分量与励磁的状态无关，而mPMmPM隐极式同步电动机，附加分量，因此后面的分析不考虑附加分量，因此q

22、dXX0P 0M同步电动机的电磁功率和转矩的表达式简化为0mdUEPmSINX00dUEMmSINX电动机空载时：机械负载转矩，空载损耗，则空载转矩20M00P 00M电磁转矩则200MMM00dUEMmSINX0SIN0表明转子磁极轴线与定子等效磁极轴线几乎重合，此时电机过载能力最强，最不易失步。0电动机加负载时：加载时两组磁极系统的轴线被拉开，就有一定数值，负载愈大， 愈大，电磁转矩最大。当时时，max21SIN0max0dUEMmX负载超极限：当到达以后，如负载再加大，此时两组磁极轴线进一步拉开，当 时，及maxmaxmP不但不增加，反而出现的现象，电动机便减速，以致 更增大，减速愈甚，

23、结果M20MMM导致转子不能与定子等效旋转磁极同步运行，电动机处于失步状态，被迫停转。这种电磁现象在物理模型中表现为表征磁拉力的弹簧被拉断，引起失步停转。所以为了保证同步电动机能十分安全而稳定运行，在额定工作下，一般使左右。30因为同步电动机的最大电磁转矩与成正比，又与励磁电流成正比，因此加大励磁M0E0ELI电流可以增大电磁转矩。如果电动机负载突然增加的同时增加其励磁，就能提高电动机的电磁LI力矩，增加系统的稳定性，从而避免失步。2.2.4 同步电动机恒定励磁拖动冲击负载的分析同步电动机恒定励磁拖动冲击负载的分析NsSNN0N0KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备

24、有限公司 Tel :Email: 8同步电动机恒定励磁拖动冲击负载运行，根据轻载，满载和超载，用磁势向量图所对应的电流向量来表示A轻载 B满载 C超载从图 A、B、C 可见，当施加于同步电动机的定子电压和励磁电流一定，这样合成磁势BULI（）就确定了。如果同步电动机负载增加时，其定子有功电流就增加，HfHIyI321yyyIII因为转子励磁电流不变，当负载增加时，励磁电流只沿着“轨迹图”移动向量，而绝对LILIMN值不变（即） ，故同步电动机和定子回路无功电流从容性变成了感性， （123LLLIIIWI均为容性，则为感性） 。因此同步电动机定子电流和分别超前定子电压

25、 UB的12WWII3WI1BI2BI角度为和，所有电动机的功率因数和超前，而定子电流落后121cos2cos12 3BI的角度为，所以功率因数滞后。BU33cos从上分析可知，恒定励磁拖动冲击负载时，随着负载的增加，功率因数角愈来愈小，最后从超前变至滞后；功率角 越来越大，当时，同步电动机无法维持静态平衡，因此要失步。90结论：1恒定励磁电流的同步电动机静态过载能力为：0max011230dNNNdE UPXE UPSINSINSINX2负载变化时，为避免失步，应保证功率因数超前运行。1cos 适用于稳定负载，如：球磨机、鼓风机、压缩机等。2.2.5 恒无功调节励磁电流恒无功调节励磁电流恒无

26、功调节励磁电流向量图如下图所示。对于冲击负载，为了使电动机稳定运行不失步，同时避免电网受到过大的电流冲击，可采用恒无功调节励磁电流。Miy3iW3UBiH3iL3N3.iHiB2iW2iy2MUB2iL2N2.1iL1iy1iW1iB1UBiHMN1.KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 912iB1iy1iL2iL1INiW1iB2iW2iy2UBNM12上图绘出了同步电动机空载运行及突加负载运行时各电量参数变化的关系，施加于同步电动机定子电压一定，转子励磁电流为，对应定子电流分解为一部分有功电流（空载损

27、耗） ，BU1LI1BI1yI一部分容性电流。此时定子电流超前定子电压为角，功率因数超前，此时同步1wI1BIBU11cos电动机输出无功电流。1wI当同步电动机负载突加时，有功电流增加至，通过无功闭环控制使增加至，保持1yI2yI1LI2LI同步电动机定子电流轨迹按“恒无功线”变化，使同步电动机输出的无功电流不变。MN21wwII此时同步电动机定子电流与夹角为，功率因数仍超前。卸载后，励磁电流回到，2BIBU222LI1LI系统又回到空载状态下运行。2.2.6 恒功率因数调节恒功率因数调节恒功率因数调节励磁电流的向量图如下图所示：设同步电动机在某一负载下运行，其定子电流为，有功电流，无功电流

28、，励磁电流，1BI1yI1wI1LI功率因数（超前） 。当负载变化时，通过功率因数调节器闭环控制，使定子电流沿1cos0.9 BI着“恒功率因数”轨迹线变化。即励磁电流，功率角，定子电流由增大MN12LLII121BI至，无功电流由增大至，从而维持功率因数角，从而确保功率因数不变，即2BI1wI2wI12 。12coscos NUBIW2IB2IB1IW112iL1iL2Iy1Iy21=3M.KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 10恒功率因数调节控制除了避免同步电动机不会因突加冲击负载而失步外，还可以向电

29、网提供足够数量的无功电流。2.3 同步电动机的同步电动机的 V 形曲线形曲线同步电动机的 V 形曲线是指电网电压和输出功率不变的情况下，描述定子电流与励磁U2PI电流之间变化关系的曲线，即的关系曲线。因该关系曲线形状象“V”，故称 V 形fI)(fIfI 曲线。2.3.1 励磁电流对同步电动机运行情况的影响励磁电流对同步电动机运行情况的影响aabbcosIsin0E2I3I1IU3212302E01E03ESXI j1SXIj2SXIj3图 2.14 改变对同步电动机定子电流和功率因数的影响fIIcos若在“正常励磁”基础上减小励磁电流，使，即为欠励磁12fffIII01020EEE时，这时，

30、=,，滞后于，电动机的功率因数为滞后，电动机运行于电感性状态，I2I22IU定子电流也比“正常励磁”时大。2I若在“正常励磁”基础上增大励磁电流，使，,即为过励磁时，13fffIII01030EEE这时，越前于，电动机的功率因数则为超前，电动机运行于电容性状态，定3 II33IU子电流也比“正常励磁”时大。3I2.3.2 同步电动机的同步电动机的 V 形曲线形曲线由上述可知，在同步电动机的电网电压、输出功率不变的情况下，同步电动机的定子电U2P流 I 和功率因数与励磁电流有关，它们的关系如图 2.15 的 V 形曲线所示。cosfI由 V 形曲线可见，正常励磁时，=1，电动机运行于电阻性状态，

31、定子电流 I 最小。欠cos励时，电动机功率因数滞后，电动机运行于电感性状态，定子电流相应增大。过励时，电动机的功KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 11率因数越前，电动机运行于电容性状态，定子电流亦相应增大。0滞后越前1coscosI正常励磁欠励过励fI)(0EI，cos图 2.15 同步电动机的 V 形曲线KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 12第三章第三章 KGLF-3S 全数字励磁装置主要技术性能全数字励磁装

32、置主要技术性能本章介绍了同步电动机励磁系统的基本术语、性能要求及 KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置的主要性能指标。3.1 励磁系统基本术语励磁系统基本术语励磁系统励磁系统 excitation system为同步电机提供励磁电流的设备，包括励磁机及所有的调节和控制元件，以及灭磁和保护装置。励磁控制系统励磁控制系统 excitation control system包括同步电机及其励磁系统的反馈控制系统。反馈控制系统反馈控制系统 feedback control system通过所选择的系统变量与给定值的差值去影响控制，以达到这些变量间预先规定关系的控制系统。额定励磁电流额定励磁电流 I

33、fN rated field current同步电机在额定电压、额定电流、额定功率因数和额定转速下运行时，励磁绕组中的直流电流。额定励磁电压额定励磁电压 UfN rated field voltage当冷却介质处于最高温度、电机励磁绕组处在额定负载和额定条件下对应的温度时，为了产生额定励磁电流而需要在电机励磁绕组端施加的直流电压。空载励磁电流空载励磁电流 IfO no-load field current当电机在空载和额定转速时，为了产生额定端电压而需要的直流电流。空载励磁电压空载励磁电压 UfO no-load field voltage当励磁绕组温度为 25时，为了产生空载励磁电流而需要在

34、励磁绕组端施加的直流电压。励磁系统顶值电流励磁系统顶值电流 IP excitation system ceiling current在规定的一段时间内，励磁系统所能提供的最大直流电流。励磁系统顶值电压励磁系统顶值电压 UP excitation system ceiling voltage在规定条件下，励磁系统所能提供的最大直流电压。顶值电压倍数（强励倍数）顶值电压倍数（强励倍数）KfP ceiling voltage tiems励磁系统顶值电压与额定励磁电压之比。3.2 励磁系统基本性能要求励磁系统基本性能要求励磁系统输出能力励磁系统输出能力励磁系统应保证在额定输出电压的 40100范围内，

35、能输出额定电流并连续运行。按转差率投全电压按转差率投全电压KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 13当同步发电机采用降压起动时，励磁系统应具有自动投全电压的控制环节，并在转差率为0.110.09 时投全电压。按转差率投励磁按转差率投励磁励磁系统应保证在转子转差率为 0.050.03 时，能实现顺极性主励投励，投励时应能输出顶值电压。注：顺极性主励投励是指励磁电流与电机磁场绕组中感应电流的方向一致时投励磁。恒流调节励磁偏差恒流调节励磁偏差当电网电压为额定值的 80110、磁场绕组热态电阻增加不大于额定电阻值的

36、 10时，应能保证恒流励磁调节偏差不大于5。输出电压可调范围输出电压可调范围励磁系统输出电压应能保证在额定值的 10125范围内平滑可调。过流和欠流保护整定范围过流和欠流保护整定范围励磁系统应具有过流和欠流保护。过流保护的可整定范围为额定值的 80170，欠流保护的可整定范围为额定值的 2050。控制电压偏差控制电压偏差当控制电压偏差不超过1015时，励磁系统应能可靠地工作。顶值电压倍数顶值电压倍数当电网电压为额定值的 80时，励磁系统应能保证顶值电压倍数不小于 1.4。允许强励时间允许强励时间允许强励时间为不超过 50 s。承受过电压能力承受过电压能力磁场绕组并联一不大于 10 倍转子电阻的

37、起动电阻时，励磁系统应能承受同步电动机起动及失步过程中产生的过电压。失步保护失步保护同步电动机产生失步时，励磁系统应能立即切除直流输出电压，并使同步电动机联锁停机。噪声噪声强迫冷却的励磁设备，单柜的噪声值（声功率级）应不大于 80dB（A） 。灭磁灭磁励磁系统应有灭磁装置，并保证能可靠地灭磁。KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 143.3 KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置的主要性能全数字同步电动机励磁装置的主要性能序号序号项目项目指标指标备注备注1输入电压AC 38010%（三相五线制）2励磁电流

38、额定值的 40%110%连续可调3励磁电压额定值的 10%125%连续可调4转差率检测范围0%100%可检测，检测精度 1%5恒流调节精度输入电压在 80%110%变化时，调节偏差不大于4%。6恒功率因数调节范围超前：0.70.99；滞后：0.990.907过流保护范围额定值的 8%200%连续可调8欠磁保护范围额定值的 0%80%连续可调9强励时间大于 50S10承受过电压能力额定值的 2 倍11故障保护快熔熔断、可控硅超温、变压器超温、过流、欠磁、失步、灭磁故障、风机故障、空开跳闸、切换故障、信号故障12噪声小于 70dB13灭磁功能同时具备低压灭磁功能和高压灭磁功能KGLF-3S 全数字

39、同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 15第四章第四章 KGLF-3S 励磁装置主要单元介绍励磁装置主要单元介绍本章主要介绍了 KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置的系统构成和主要单元功能。4.1 励磁系统构成励磁系统构成KGLF-3S 励磁装置主要有主回路功率系统和控制系统两大部分组成。其中主回路功率系统包括整流变压器单元和三相全控可控硅整流桥单元及双级灭磁保护单元相关部分，控制系统包括有SZK-13/LC 数字调节器组成的双通道调节单元、西门子 S7-200 系列 PLC 及相关测量传感器组成的控制单元、故障保护单元以及

40、施耐德 Schneider HMIGX03502 工业级触摸屏组成的人机交互单元。图 4.1 KGLF-3S 励磁装置系统结构示意图4.2 主回路功率系统组成和功能主回路功率系统组成和功能主回路功率系统包括整流变压器单元、三相可控硅全控整流桥单元和双级灭磁保护单元。4.2.1 整流变压器单元的选配整流变压器单元的选配三相整流变压器一般采用/Y-11 接线方式，一次侧线电压设计为 AC380V，二次侧电压及容量大小根据同步电动机额定励磁电压、额定励磁电流选配。整流变压器视在功率：kVA32221103IUpppKGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :

41Email: 16整流变压器二次线电压：LLkL2（1.31.5）Ucos301.350.8U 1.4)(1.2cos1.350.8 KcUU整流变压器二次线电流：LLLdIIIdII816.03234212123/42上式中： KC： 1.21.4 强励倍数 0.8：电网电压波动系数 UL： 满载励磁电压 IL： 满载励磁电流 K： 2530 最小控制角（即 限制） N： 满载时控制角，一般在 60左右说明：当电网下降为额定值的 80%时，励磁系统保证顶值电压倍数不小于 1.4。强励电流允许 1.4 倍，时间不得超过 50s。此时整流变压器为过载运行。4.2.2 三

42、相全控可控硅整流单元三相全控可控硅整流单元三相全控桥可控硅整流单元主要功能是给同步电动机转子绕组提供直流励磁电流。三相桥式全控整流电路实际上是由一个三相半波共阴极电路和一个三相半波共阳极电路串联演变而成的，其电路原理图如图 4.2 所示。图中，习惯上将阴极连接在一起的三个可控硅、1T3T称为共阴极组，将、称为共阳极组。六个可控硅的习惯编号顺序如图 4.2 所示，三相5T4T6T2T电源上分别接有共阴极组、，共阳极组、。六个可控硅的导通顺序cb、a1T3T5T4T6T2T以及送脉冲的顺序就是先，后，再依次顺推至，然后再循环。1T2T3T6T三相桥式全控整流电路带负载时的波形如图 4.3 所示。L

43、R o60diduaubucuABCnRaibici1T3T5T4T6T2Tabc图 4.2 三相桥式全控整流电路原理图KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 17abutbcucaubauacucbuabubcuacucaubau00tttdi1Tiai00dulu2图 4.3 三相桥式全控整流电路带负载的波形（时）LR o604.2.2.1 三相全控整流桥的特点三相全控整流桥的特点对于感性负载，全控整流桥在 =90时输出电压为零，90以后，输出为负，当 发生改变时，全控桥的输出电压和输出电流的变化较快。当

44、触发脉冲移到自然换向点以前，不易发生跳相现象。全控整流桥能逆变，变压器利用率高。全控整流桥在停机后，触发脉冲完全封锁，不易发生输出失控现象。4.2.2.2 三相全控桥可控硅三相全控桥可控硅 16KGZ 的选择的选择可控硅 16KGZ 电流容量的选择可控硅整流器允许等效发热电流，即有效电流（导通角 180）式中可控硅正向平均电流1.57KGZIIKGZI实际线路中可控硅整流器的等效发热电流10.5783LLIII 考虑强励 1.4 倍1.40.5780.81LLIII 根据等效发热原则，可控硅 16KGZ 的正向平均电流0.810.5151.571.57LKGZLIIII式中转子最大负载时的励磁

45、电流LIKGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 18可控硅整流器 16KGZ 的正反向峰值电压的选择221110101.79.4222 0.9smLLKGZLUUUUKKUKK式中：可控硅串联时均压系数取 0.9。1K：可控硅正反向峰值电压的安全系数取 1.7。2K4.2.3 双级灭磁单元的选配双级灭磁单元的选配灭磁保护单元基本原理灭磁保护基本原理如图 4.4 所示。它是由 7KGZ、8KGZ 可控硅、GZ 整流二极管及控制电路构成一个大功率无触点电子开关，用于完成同步电动机在异步起动过程将 Rfd1、Rfd

46、2 灭磁电阻串入电机转子回路，当起动结束后自动切除灭磁电阻，从而保证同步电动机在异步起动过程中，转子励磁绕组既不开路也不短路，避免励磁绕组承受过电压和过电流。图 4.4 灭磁回路原理图双路或门灭磁方式为提高设备的安全性，本系统设计为双路或门灭磁方式。 ，即 PLC 低压灭磁和高压感应灭磁。同步电机在异步起动过程中，低电压灭磁电路先投入工作，灭磁电阻的投入和切除由 PLC 来控制，由于电阻投入瞬间电压较低，一般仅为额定励磁电压的 0.10.2 倍，从而同时也抑制了转子感应的过电压，保证转子绝缘不受损坏，使电机具有良好的异步驱动特性。投励后低电压灭磁电路退出，高电压灭磁电路接替低电压灭磁电路工作，

47、保证若转子绕组一旦产生高压，灭磁可及时开通，起到保护系统的作用。灭磁电阻的选配Rfd1、Rfd2 灭磁电阻选用 1 台或 2 台 ZX15 系列电阻箱构成，该电阻箱具有连线端接触牢固，承受冲击电流能力大，在任何情况下都不会烧断的优点，安全可靠。Rfd1、Rfd2 灭磁电阻的阻值，通常是按照电机转子（75）内阻阻值的 510 倍选择。4.3 控制系统组成和功能控制系统组成和功能KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 19控制系统包括有 SZK-13/LC 数字调节器组成的双通道调节单元、西门子 S7-200 系

48、列 PLC 及相关测量传感器组成的控制保护单元以及施耐德 Schneider HMIGX03502 工业级触摸屏组成的人机交互单元。控制系统单元主要由西门子 S7-200PLC、施耐德 7 寸彩色触摸屏及 SZK-13 型数字调节器三部分组成。4.3.1 双通道调节单元双通道调节单元冗余控制系统通常分为主动并列运行系统和备用转换运行系统两种方式。备用转换运行系统指的是在正常情况下，单通道工作，出现故障后停机切换到备份机工作，而主动并列运行系统是指在正常情况下，两个通道同时工作，当工作使用中的通道出现故障时，可自动停止该故障通道，使系统自动进入单通道工作方式，主动并列运行系统比备用转换运行系统在

49、提高系统连续运行时间上更具有优势。因此 KGLF-3S 全数字励磁装置的双通道调节单元采用了主动并列运行系统方式构建。4.3.1.1 SZK-13/LC 数字调节器数字调节器SZK-13 数字调节器由超大规模集成电路的智能芯片和高速模数转换器组成，元件布局合理，有效的提高了脉冲的控制精度。模块化的组件设计可快速拆卸，使得日常维护工作变的更加简单。数字调节器主要完成频率测量、脉冲形成、投励及处理的相关功能，借助于高效的运算速度让系统快速响应相关指令。图 4.5 数字调节器面板图4.3.1.2 转子感应电压频率的测量转子感应电压频率的测量同步电动机起动时, 转子感应电压的频率随着转速的上升逐渐下降

50、，同步电动机一旦起动，SZK 数字调节器同时检测转子两端感应电压的频率和极性，在启动时将感应电压频率及极性传送至PLC，PLC 接收到所测量的频率后与基准频率进行比较，随后 PLC 检测到同步机最大亚同步转速后等待 SZK 数字调节器发送极性检测信号，当 PLC 接收到 SZK 数字调节器检测转子感应电压的极性与待开放的整流桥极性为顺极性后迅速进入整流程序, 输出脉冲, 装置投入励磁, 同时接通投励KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 20工作指示, 关掉低压灭磁并开放失磁保护和失步保护等起动保护功能。4.

51、3.1.3 实时脉冲形成实时脉冲形成SZK 数字调节器实时测量 A/B/C 三相同步电压信号，励磁装置接收到开车信号后 PLC 将 SZK数字调节器的“FS”端接通，SZK 数字调节器接收到“FS”端的工作信号立即发出第一组脉冲去触发1# 可控硅，同时给 6#可控硅补一个脉冲。以后每间隔 60发下一组脉冲, 触发相应的可控硅,直至一个周期六组脉冲发完, 再等待下一次中断。改变 SZK 数字调节器的“010V”控制端的电压大小就改变了控制角的大小，从而达到控制励磁电流大小的目的。4.3.1.4 双通道调节单元双通道调节单元双通道调节单元采用双机热备的主动并列运行系统，两个数字调节器同时运行，主调

52、节器运行时备用调节器处于等待状态。PLC 实时检测两个调节器的状态，当主调节器出故障时，PLC 将自动无扰动的切换到备用调节器，励磁装置将继续运行。用户在出现故障后可在线更换出现故障的调节器，有效地提高了设备可靠性。图 4.6 双通道调节单元结构图4.3.2 控制单元控制单元西门子 S7-200PLC 结构紧凑小巧, 杰出的实时响应使得其在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性，具有极其快速和精确的操作顺序和过程控制的特点，主要完成继电回路逻辑控制、工作方式切换、PI 调节以及对外通讯等功能。KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 T

53、el :Email: 21图 4.7 控制单元结构图4.3.2.1 投励方式投励方式本励磁系统具有“转差率投励”和“定时投励”两种投励方式。当同步电机异步起动后系统即开通测频电路，当系统检测到同步电机达到 90%额定转速时，根据达到 90%额定转速所需的时间来判断负载是重载、中载、轻载；当同步电机转速继续上升且达到最高转速时，系统按顺极性投励磁。 “转差率投励方式”系统默认为优先级投励方式。当系统检测不到同步电机转速的情况下，系统达到“定时投励设定”时间后，立即顺极性投励磁。 “定时投励方式”系统设定为后备投励方式。4.3.2.2 控制方式控制方式本励磁系统具有“恒

54、角” 、 “恒励磁电流” 、 “恒功率因数”三种工作方式。恒角控制方式三相可控硅整流桥的整流大小由可控硅的导通角 决定，系统通过计算恒定控制可控硅的导通角 ，从而能恒定控制励磁电流。恒励磁电流控制方式系统建立 PID 闭环控制系统，以实际电流测量值作为负反馈比较值，PLC 快速的进行实时计算调整励磁控制器的给定输出，能良好的控制励磁输出电流的精度。恒功率因数控制方式系统根据用户设定的目标电机功率因数值，运用与之相对应的 PID 闭环控制系统，实时调整励磁电流大小，有效地控制电机在设定的功率因数值下稳定运行。4.3.3 故障保护单元故障保护单元失步保护失步保护同步电动机在使用过程中由于受到来自电

55、网、负载及电机本身的各种扰动不断的破坏电机轴上的转矩平衡关系，导致同步电动机发生所谓的失步现象。同步电动机突然的失磁失步故障会使得定子电流增大，引起转子绕组过热、开焊甚至烧坏等问题。因此失步对系统的正常运行、同步电动机KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 22本身均会产生不利影响和损害，采取有效地保护措施很有必要。同步电动机正常运行时，转子励磁回路中仅有直流励磁电流，而当同步电动机失步后，励磁回路中出现交流分量。系统采用高速交流电流互感器测量励磁回路中交流分量，同步电动机一旦失步，励磁绕组中的直流电流必然叠

56、加着较大的交流分量，PLC 实时监控其检测信号，通过运算后判断出电机运行状态，如同步电动机处于失步状态，系统将快速发出故障信号，交流分量的峰值达到失步保护设定值并持续一定时间，系统确认失步，同步电动机联锁停机，使高压柜切断高压电源，达到保护同步电动机的目的。欠磁、过流保护欠磁、过流保护保护单元还具有磁场欠磁、磁场过流、进线电源空开跳闸、电源掉相、快熔熔断、起动超时等多重保护，PLC 通过传感器实时测量励磁电流、励磁电压的实际值，当励磁电流、励磁电压的实际值高于或低于 PLC 中的参数设定值时，PLC 进行快速计算判别，一旦确认故障发生，PLC 迅速作出相应的故障处理，系统发出故障显示和声响信号

57、，接通高压断路器分闸回路，同步电动机紧急停车。同时系统推 逆变运行，将励磁绕组储存的能量回馈电网，延时 56s 后封锁脉冲。故障发生后由 PLC 记录故障原因，在励磁柜触摸屏上显示故障名称，以便查询处理。4.3.4 人机交互单元人机交互单元人机交互单元由施耐德 Schneider HMIGX03502 工业级触摸屏构成，设备运行时，触摸屏与控制单元的 PLC 实时通讯，用户可通过屏幕显示了解系统参数设置和运行状态，还可以实时观察到运行时故障、工作时间、设定运行参数、信息查询、励磁电流和励磁电压录波曲线等信息。相关具体操作界面和使用方法参考相关章节。图 4.8 触摸屏示意图KGLF-3S 全数字

58、同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 23第五章第五章 KGLF-3S 励磁装置参数设置指导励磁装置参数设置指导本章介绍了基于 Schneider HMIGX03502 工业级触摸屏制作的人机界面的相关操作界面及使用方法。Schneider HMIGX03502 工业级触摸屏作为一种新型的人机界面，具有功能强大、性能稳定、简单易用、全中文显示等优点。该触摸屏屏幕尺寸为 7.0 吋，多级灰度颜色，800480 分辨率。它符合工业环境的 CE 标准。5.1 人机界面操作方法人机界面操作方法通过该触摸屏可以对 KGLF-3S 励磁装置

59、的运行参数、工作方式、故障事件和累计工作时间进行监视或调节。5.1.1 当励磁装置通电后，触摸屏首先显示欢迎界面(如图 1)。图 15.1.2 点击触摸屏屏幕左下角的“菜单选择”菜单，在界面左边将弹出“主页”、 “设定”、 “给定”、 “故障”、“时间”、 “厂商信息”选择菜单（如图 2） 。分别点击不同的菜单可进入相应的界面。图 25.2.3 点击“主页”菜单，将显示主画面界面（如图 3） 。KGLF-3S 全数字同步电动机励磁装置技术手册武汉科大电控设备有限公司 Tel :Email: 24图 3在此界面下可显示励磁系统运行的基本参数。界面上部坐标格内可记录励磁

60、电流及励磁电压的运行曲线（绿色为电压曲线、红色为电流曲线） 。界面中部为运行参数显示，可直接显示系统运行时的励磁电压、励磁电流、控制方式（恒角、恒流、恒功率因数） 、功率因数（状态、功率因数值） 、异步时间、失步检测保护、工作方式（恒角、恒流、恒功率因数） 、状态显示（系统正常、故障报警） 、可控硅温度、变压器温度等重要信息。5.1.4 在“菜单选择”菜单下点击“设定”菜单，将进入“工作方式选择”、 “运行参数设定”、 “出厂参数恢复”、 “自动开通恒功率因数”界面（如图 4） 。图 45.1.5 在“设定”菜单下中分别点击“工作方式选择”、 “运行参数设定”、 “出厂参数恢复”、 “自动开通