无刷同步机的原理与应用

1、交流无刷励磁同步电动机在焦炉气压缩机的应用安全生产部（甲醇） 赵金霜2011-11-3交流无刷励磁同步电动机在焦炉气压缩机的应用我公司在利用焦炉气生产甲醇的过程中，有三台焦炉气压缩机，压缩机的驱动电动机采用了电压等级为10KV型号为TAW2000-18/2600，功率为2000KW的增安型无刷励磁同步电动机，这三台同步机分别为1#、2#、3#，其中1#、2#置于甲醇开闭所10KV高压段，3#置于甲醇开闭所10KV高压段，这三台同步电动机在生产中不仅作为焦炉气压缩机的驱动电机，同时还为甲醇开闭所10KV供电系统提供无功功率，用于提高10KV供电系统的功率因数。同步电动机和异步电动机均属于交流电动

2、机，都是靠50周交流电网供电而转动，异步电动机是定子送入交流电，产生旋转磁场，而转子受感应产生磁场，这样两磁场作用，使得转子跟着定子的旋转磁场而转动，其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差，不同步所以称为异步电动机，又称感应电动机。同步电动机 无刷同步机的与原理同步电动机就是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足 n=60f/p 转速n决定于电源频率,所以电源频率一定时，转速不变并且与负载无关，同步电动机具有运行稳定性高，过载能力大的特点。无刷同步电动由于没有滑环、碳刷等可能产生火花的环节，在易燃易爆的场所特

3、别适用，此外由于去掉了碳刷等易损元件，大大提高了电动机的整体可靠性。无刷同步电动机的励磁系统结构如下图：其中励磁发电机电枢与同步电动机同轴转动，无刷励磁结构将励磁发电机 旋转整流器 及灭磁电阻等均安放在同步电机的转子同一轴上。旋转整流器是由一个控制模块、一个转换模块和三个功率整流模块构成，控制模块负责电机启动过程灭磁与投励逻辑，电机启动时控制模块令转换模块上的晶闸管导通，将灭磁电阻连接到无刷同步电动机的转子励磁绕组上，以提供较大的启动转矩，降低励磁绕组的端电压，此时功率模块上的晶闸管截止，当电机到达亚同步且达到准角条件时，控制模块触发功率模块上的晶闸管导通，将励磁发电机的电枢电压整流后加在同步

4、机的励磁绕组上，为同步机提供持续的励磁电流，同时转换模块上的晶闸管截止，续流二极管导通保护转换模块中的晶闸管不受反击电压。励磁电流可以直接供 给同步电动机的励磁绕组，不必通过滑环 碳刷等部件，这样使得励磁结构体积小，防爆性能可靠，运行稳定，维护方便。无刷同步电动机的工频稳态运行无刷同步电机在工频稳态运行时，静态励磁装置向励磁发电机的定子励磁绕组通以适当的励磁电流，在励磁发电机的转子电枢绕组端部感应出三相交流电压，由旋转整流器（等效于二极管整流器）整流成直流电压，施加在无刷同步电机的转子励磁绕组上，为其提供持续的励磁电流。无刷同步电机的工频启动投励磁过程如下图所示：励磁器状态旋转整流器状态判断亚

5、同步速准角判据，向同步电动机投入励磁电流同步电动机整步进入同步运行状态同步运行状态 高压断路器合闸向励磁发电机定子励磁绕组投入励磁电流同步电动机加速励磁发电机建立电枢电压同步电动机加速至亚同步速投入灭磁电阻旋转整流器控制电上电 电机状态 根据励磁发电机的物理特性，其输出的电枢电压近似与电机转速和励磁发电机励磁电流的乘积成正比，因此励磁器可以通过调节晶闸管的触发角，调节励磁发电机的励磁电流，达到调节无刷同步电动机的转子励磁电流的目的。工频启动时，首先高压断路器合闸，旋转整流器的灭磁部分电路根据同步机励磁绕组上的感应电压将灭磁电阻连接到同步电动机的励磁绕组上，同步电动机逐渐加速，同时励磁器触发触发

6、晶闸管，向励磁发电机的定子励磁绕组通以一定的励磁电流。随着电机转速的升高，励磁发电机的转子电枢绕组电压逐渐升高，当其高于旋转整流器的最低工作电压后，由其供电的旋转整流器控制器上电，旋转整流器监测同步电动机励磁绕组上的感应电压，当期周期大于预设值（表示同步电动机已到达亚同步速）且达到反向过零点时，触发整流晶闸管，关断灭磁晶闸管，将励磁发电机的转子电枢电压整流后加在同步机的励绕组上，完成投励，电机经过短暂的整步过程后进入稳定的同步运行状态，同步电动机启动过程完成。旋转整流器主回路原理图（见下页）无刷同步电机的工频停机过程 工频停机时，断开高压断路器，同时励磁器调节晶闸管的触发角至有源逆变区，将励磁

7、发电机的定子励磁电流迅速降至零，励磁发电机的转子电枢绕组电压迅速下降，当其小于旋转整流器的最低工作电压时，旋转整流器控制电掉电，其整流晶闸管截止，续流二极管将灭磁电阻连接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机的励磁电流迅速下降至零，同步电动机在负载和阻力转矩的作用下逐渐停稳。 同步电动机的V型曲线及功率因数调节 同步电动机的V型曲线指： 在保持电压U和负载T 不变的条件下，电枢电流 I1与励磁电流If 之间的关系曲线，即 I1=f（ If ）V型曲线经试验测得：从图中可见，不同的负载对应一条V型曲线，每条曲线电枢电流都有一最小值，曲线最低点的功率因数cos=1，是正常励磁点，以此点为界，左边是欠

8、励，右边是过励；V型曲线的左上半部分，其功率因数已超出对应于稳定极限的数值，所以是不稳定区。在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cos=P/S。 电力系统中负载有三种：阻性负载 容性负载 感性负载1. 阻性负载：和电源相比 负载电流 负载电压没有相位差时，负载为阻性。2. 容性负载：和电源相比，负载电流超前负载电压一个相位差，负载为容性。3. 感性负载：和电源相比负载电流滞后负载电压一个相位差，负载为感性。电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不

9、仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。减少了无功功率在电网中的流动，可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这种措施称作功率因数补偿。 由于功率因数提高的根本原因在于无功功率的减少，因此功率因数补偿通常称之为无功补偿。生产过程中，感性负载多，线路功率因数低，所以用同步机生产的同时给系统补偿了无功功率，提高了系统的功率因数，降低了电力线路上的无功消耗。同步机的励磁电流应当如何调节则要视电动机运行时电网的实际情况而定，若电网功率因数未达到要

10、求，需要同步机提供无功，电动机就应工作在过励状态（但应以电枢电流不超过额定值为极限），以提高电网的功率因数；若电网功率因数已达到要求，则同步电动机应工作在正常励磁状态，这是电动机的功率因数为1. 电枢电流I1 小 铜损最小，效率最高。 在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。 无刷同步电动机的应用期间出现的故障 我厂的无刷同步电动机经过一段时期的运行，比较严重的故障先后出现过两次，第一次是2009年11月份2#焦炉气压缩机电机出现定子电流在同负荷的情况下电流增大，电机噪音大，有明显的抖动现象，经判断后查出是旋转整流器上的功率模块有一个击穿；第二次是2010年5月，3#焦炉气压缩机电机启动后不切换，牵入不了同步，经拆盖测量后，原因是控制模块损坏。总而言之，我厂安装的三台无刷同步电机电机位于净化车间，属于高危 易燃易爆甲级防火场所，