同步电动机晶闸管励磁系统实例

1、同步电动机晶闸管励磁系统实例第一节概述1.1 同步电机及其控制1.1.1 同步电机的结构与基本类型1.1.2 功率因数调节1.1.3 同步电动机的启动1.2 晶闸管励磁系统的特点及其性能第二节 励磁系统的组成及各主要环节的工作原理2.1 系统装置主电路2.1.1 励磁系统主电路的组成及工作原理2.1.2 过电压和过电流保护2.2灭磁环节2.3 触发电路、移相给定和自动投励环节2.3.1 触发电路2.3.2投励环节2.3.3 电压反馈与移相给定环节2.4 逆变环节2.5 恒定励磁和突加强励磁环节2.6 投全压环节第三节 同步电动机晶闸管励磁系统的安装调试及试运行3.1 同步电动机晶闸管励磁系统的

2、安装调试3.1.1 安装调试3.1.2 现场调试3.2 系统试运行步骤思考题1. 同步电动机和异步电动机的工作原理有何不同？2. 同步电动机为何不能自启动？异步启动时，励磁绕组为什么不能开路和短路？最好选择在什么条件下加励磁？3. 试分析励磁系统主电路中三相全控桥式整流电路所带负载的性质，并分析其移相范围是多少。为什么？4. 励磁系统主电路中VT1VT6的额定电压应如何选择？5. 试分析励磁系统中灭磁环节的工作原理，并说明应如何调整。6. 投励环节的作用是什么？试分析其电路并说明其工作原理。7. 触发电路有哪几部分组成？它在什么情况下投入工作？试分析触发电路的工作原理，并画出触发电路各点工作波

3、形8. 逆变环节的作用是什么？试分析逆变环节有关电路及其工作原理同步电动机晶闸管励磁系统实例第一节概述励磁系统是同步电动机中最核心、最主要的组成部分之一。同步电动机的励磁装置主要有三方面的作用：一是完成同步机的异步启动并牵人同步运行；二是在牵人同步以后励磁电流的调节控制；三是监控系统故障。确保同步机安全运行。1.1 同步电机及其控制1.1.1 同步电机的结构与基本类型1.1.2 功率因数调节1.1.3 同步电动机的启动1.2 晶闸管励磁系统的特点及其性能第二节 励磁系统的组成及各主要环节的工作原理2.1 系统装置主电路2.1.1 励磁系统主电路的组成及工作原理2.1.2 过电压和过电流保护2.

4、2灭磁环节2.3 触发电路、移相给定和自动投励环节2.3.1 触发电路2.3.2投励环节2.3.3 电压反馈与移相给定环节2.4 逆变环节2.5 恒定励磁和突加强励磁环节2.6 投全压环节第三节 同步电动机晶闸管励磁系统的安装调试及试运行3.1 同步电动机晶闸管励磁系统的安装调试3.1.1 安装调试3.1.2 现场调试3.2 系统试运行步骤思考题1. 同步电动机和异步电动机的工作原理有何不同？2. 同步电动机为何不能自启动？异步启动时，励磁绕组为什么不能开路和短路？最好选择在什么条件下加励磁？3. 试分析励磁系统主电路中三相全控桥式整流电路所带负载的性质，并分析其移相范围是多少。为什么？4.

5、励磁系统主电路中VT1VT6的额定电压应如何选择？5. 试分析励磁系统中灭磁环节的工作原理，并说明应如何调整。6. 投励环节的作用是什么？试分析其电路并说明其工作原理。7. 触发电路有哪几部分组成？它在什么情况下投入工作？试分析触发电路的工作原理，并画出触发电路各点工作波形8. 逆变环节的作用是什么？试分析逆变环节有关电路及其工作原理工矿企业中为什么要采用同步电动机？同步电动机是一种电能转换成机械能的定、转子双边励磁的交流电动机。与异步电动机比较，同步电动机的优点是：1) 功率因数高。同步电动机不但本身具有良好的功率因数，还可以通过调节转子励磁电流，在超前的功率因数下运行，向电网馈送容性无功功

6、率，从而有利于提高电网的功率因数。异步电动机的功率因数总是滞后，且轻载时功率因数很低。2) 运行稳定性高。同步电动机在超前功率因数下运行时，其过载能力比相应的异步电动机大。如果同步电动机的励磁电流不受电网电压影响，其转矩与电网电压成正比，而异步电动机的转矩与电网电压的平方成正比。当电网电压下降到额定值的80%或85%时，同步电动机的励磁系统一般能自动调节实行强励磁，以保证运行的稳定性。3) 运行效率高。异步电动机因功率因数低，因此效率也低。而同容量或同极数的同步电动机则效率较高，尤其是低速同步电动机，这一有点更为突出。4) 转速不随负载变化。同步电动机在正常运行过程中，只要定子电源频率一定，其

7、转速是不随负载的大小而改变的。负载的变动只使其功角（定、转子磁场轴线夹角）发生变化。异步电动机的转速是随负载的大小而变化的。 同步电动机的缺点是：1) 启动过程比较复杂；2) 需要两种电源；3) 结构复杂，造价较高；4) 维护技术要求较高。同步电动机的这些优、缺点，都是由于它采用双边励磁（定子施加交流电，转子施加直流电）所决定的。由于同步电动机和异步电动机各有自己优缺点，因此，在选用时要综合分析负载所要求的特性和电动机的特性、可靠性、维护保养的难易程度、设备费、运行费及负载条件等，然后决定采用异步电动机还是同步电动机。一般来说，在拖动低速大功率的恒速负载时，采用同步电动机更为合适。这是因为大功

8、率同步电动机与同容量异步电动机相比其功率因数较高，在运行时，不仅不会使电网的功率因数降低，相反地，还可提高电网的功率因数。这一点是异步电动机做不到的。其次，大功率低速的同步电动机比异步电动机的体积小、效率高。因此，在工矿企业中同步电动机主要用于拖动空气压缩机、鼓风机、水泵、球磨机及连续式轧钢机等大型恒速运转的机械，其功率多在200KW以上，转速为1001500r/min。随着我国工业的迅速发展，工矿企业中大量使用异步电动机，致使整个电网的功率因数降低，线路损耗增加，电厂的发电设备能力不能充分发挥。因此，电力部门加强了对工厂用电的管理，规定了工厂的功率因数不得低于0.850.9。用同步电动机代替

9、异步电动机，除了作为生产机械的拖动设备外，还可以向电网输送无功功率，改善工厂和电网的功率因数，提高电能地利用率。1.1.1同步电动机的分类按作用原理来说，同步电动机可以分为励磁式、永磁式、磁阻式及磁滞式等四种。前两种输出功率范围放宽，后两种输出功率小。各种同步电机的结构均是与交流电动机样的，包括定子和转子四个主要部分。四种同步电动机的转子差别较大，励磁式同步电动机转子结构较复杂，除转于绕组之外还带有集电环。转子绕组的直流电流是由定子L电刷经集电环流进来的。永磁式、磁阻式及磁滞式同步电动机的转子结构十分简单它们不需直流电源励磁、而用不同磁性材料制成的磁极产生恒定磁场的极性。同步电功机的定子结构是

10、要适应定于旋转磁场的要求，通常制成对称多相体系。对单相电源供电的同步电动机，定子采用双绕组，互相正交的形式。对三相电源的同步电动机，定于采用三相绕组中间对称排列。1.1.2同步电动机的基本结构同步电功机也是由定子和转子组成的，其定子和异步电功机的定子结构基本相同，都是内定子铁心、三相对称的绕组以及固定铁心用的机座和端盖等部件组成。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三柏电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速为 同步电动机的转子按其磁极形状可分为隐极式和凸极式两种结构型式，如图下所示：凸极式转子有明显的磁极，气隙不均匀、造成直铀磁阻小，与之垂盲的交轴磁阻大，因此两轴的电感不等。 a)凸极

11、式 b)隐极式 图2-1旋转磁极式同步电动机结构示意图同步电动机的转子由磁极铁心和励磁绕组等组成。磁极铁心内钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈N与S交替排列。另外，励磁绕组也可由交流励磁机经过随转子起旋转的整流器供电，组成无刷励磁系统，这些都是针对一般大、中型同步电动机而言。小容量同步电动机转子常用永久磁铁励磁，其磁场可视为恒定。 凸极转子的磁极极靴上一般装有阻尼绕组。同步电动机在恒频下运行时，阻尼绕组主要用作起动和抑制重载时容易发生的振荡。当同步电动机在转速

12、闭环下变频调速运行时，对于变频器供电的同步电动机无须用阻尼绕组进行起动，此时，阻尼绕组主要用于抑制变频器引起的谐波和负序分量。此外，阻尼绕组还能减少同步电动机的暂态电抗，加速换相过程和加快动态响应。同步电动机的基本工作原理同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。异

13、步电动机的转动原理定子绕组通入三相交流电流 旋转磁场 切割转子绕组 转子绕组产生感应电势 转子中产生感应电流 转子电流与磁场作用 产生电磁转矩 运转同步电动机的功率因数调节:l 电枢电流i1超前于电枢电压u1，即功率因数cos为超前时，所需的励磁电流称为“过励”电流；电枢电流i1滞后于电枢电压u1 、即功率因数cos为滞后时，所需的励磁电流称为“欠励”电流。可见，调节励磁电流If，可以使同步电动机的功率因数改变。当励磁电流值比“正常励磁”电流值大时，同步电动机在“过励”状态下运行，从电网吸收容性的无功功率，具有既能带负载、又能提高功率因数的可贵特性。同步电动机的V形曲线怎样调节转子励磁电流，来

14、改善工厂和电网的功率因数？工矿企业中采用同步电动机作为生产机械的动力，其最大优点是能够改善工厂和电网的功率因数，节约电能。但是，若同步电动机的转子励磁电流调整不当，不仅起不到改善功率因数的作用，相反地，还可能使其恶化。合理的调节励磁电流，应根据工厂的是及负荷情况和全国供用电规则中规定的用电功率因数范围（0.850.9以上）进行。当工厂用电的感性负载较小，功率因数高达0.850.9以上时，调节励磁电流的着眼点，应主要考虑电动机本身是否运行在最佳状态。通过V形曲线可知，调节转子励磁电流使其为正常励磁时，电机本身的功率因数cos=1,定子电流最小，铜耗及温升都低。当整个工厂用电的感性负载较大，功率因

15、数较低（在0.850.9以下）时，则应增大励磁电流，使同步电动机工作在过励状态，向电网送出感性无功功率，补偿其它感性负载从电网吸收的无功功率，使工厂功率因数控制在0.850.9以上。但是，过励太多，定、转子电流增大，电机损耗增大，温升提高，效率降低。在调节同步电动机转子励磁电流时，必须注意以下两点：1) 一般情况下，把励磁电流调整在欠励状态是不合理的，这可以从下述几个方面来理解。在欠励状态下运行，虽然转子励磁电流较小，但是定子电流增加，造成电机铜耗增大，温升增高。在欠励状态下运行，电动机2将从电网吸取感性无功功率，使工厂和电网的功率因数下降。当严重欠励使工厂功率因数低于0.850.9以下时，供

16、电管理部门要根据“按功率因数调整电费的办法”对工厂进行罚款。励磁电流减小，降低了同步电动机的过载能力和运行稳定性，严重情况下还可能发生失步事故。因此，认为“欠励运行时励磁电流小，电机温升低，运行安全，尤其是使用晶闸管励磁装置时，为了防止烧坏晶闸管，尽量减小励磁电流”的观点是错误的。对于晶闸管励磁装置运行时，出现晶闸管烧毁的问题，应仔细检查找原因，对症处理，不应盲目地减小励磁电流，以免失去选用同步电动机的意义。2) 为了改善工厂和电网功率因数，把励磁电流调节到超过额定值是允许的。因为这样做会使转子励磁绕组过热而受损，甚至在较重负载下引起定子绕组电流过大而烧毁。总起来说，调节转子励磁电流的原则是，

17、应保证同步电动机的定、转子电流在额定值以下，最大限度的提高工厂和电网的功能功率因数。1.1.3 同步电动机的启动同步电动机本身是没有启动转矩的。其原因可以这样理解，因为启动前转子是静止不动的，但定子三相绕组与电网接通时，三相电流就产生旋转磁场，因为电源频率是50HZ，磁场旋转一周的时间是:T0.02s。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力，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，旋转磁场已经转过1800电角度，转子又受到与旋转磁场转向相反的排斥力矩。每当定子电流变化一个周期，结果使转子受到的平均转矩为零。因此，同步电动机不能自行启动。

18、同步电动机如何启动？启动方法有几种？ P28（1）辅助电动机启动法 （2）调频同步启动法 （3）异步启动法1、异步启动法同步电动机异步启动时，可以全压启动，也可用降压启动。异步启动方法：1）全压启动， 2）电抗器降压启动， 3）自耦变压器降压异步启动。选择启动方法必须从电网容量、电动机特性以及负载机械特性三方面来考虑。在条件允许的情况下，应优先考虑采用全压启动。同步电动机作异步启动时，必须在转子磁极装上笼形导体，作为启动绕组。这里的启动绕组常用黄铜或青铜材料做成，以增加启动绕组的电阻，提高同步电动机的启动转矩的。启动绕组的另一个作用是在同步电动机的功角角发生周期性变化时，它可抑制角的变化。所以

19、，有时也把启动绕组称为阻尼绕组，对稳定运行起到作用。值得注意：在同步电动机发生三相突然短路时，阻尼绕组的“屏蔽作用”将是定子短路电流变得更大，产生很大的电磁冲击力。2、异步启动时，励磁绕组既不能开路，也不能短路必须指出，异步启动时，励磁绕组不能开路，否则，启动时励磁绕组内将感应出很高的危险电压、击穿绕组、击穿集电环、刷架等，引起人身事故。但是，励磁绕组也不能直接短路。如果直接短路，则会在励磁绕组中产生较大的感应电流，励磁绕组（此时相当于一个单相绕组）中感应电流，与定子三相旋转磁场相互作用，将产生较大的单轴转矩。单轴转矩的特点是，在转差率s0.5的附近产生一个负的转矩。由于单轴转矩的影响，使得电

20、动机的合成转矩在s0.5附近明显减小，出现最小转矩。如果启动时电机所拖动的负载较重，超过这个最小转矩，则电动机会在一半同步转速附近被“卡住”，而不能继续升速。3、 投励条件同步电动机的运行规程规定，异步启动后投励牵入同步的条件是，在转子通入励磁电流时，转子转速不应低于同步转速的95，即应使转差率s < 0.05。这个条件是在正常情况下规定的，若出现以下几个方面的问题，同步电动机启动后将难于牵入同步运行。1）交流电网电压降落过大，使牵入转矩不够，特别是带负载启动时，牵入同步更困难。如果是由于同一供电线路中其他大机组的启动引起的电压降落，应尽量躲过大机组的启动时间；若是由于自身启动引起的电压

21、降落，应采用降压启动或增大供电变压器的容量。2）投入励磁电流太小，使嵌入转矩过小，也不能顺利牵入同步。此时应检查励磁装置有无故障。若励磁装置工作正常，应检查励磁主回路的电阻是否过大（如电刷与集电环之间及励磁引线接触不良），并进行处理。为避免投励过小，应在启动同步电动机之前，通过调节励磁电位器（见图 RP6）将励磁电流调整在正常值。3） 励磁装置投励环节调整不当，投励过早，此时转子转速与同步转速相差较大，不能产生足够的牵入转距使同步电动机牵入同步。应重新调整投励环节的投励时间。4） 负载太大。牵入转距不能克服负载转距时，同步电动机便不能牵入同步。应适当减轻负载或空载启动。4、投励方式电机起动后，

22、按照“准角强励整步”的原则当转子转速达到电机额定转速95%时，自动投励。为保证同步电动机投励准确、可靠，系统有三种投励途径：1） 同步电动机在起动过程中，当转子的转速达到电机额定转速的95%时，立即投励磁。2） 按转子感应电压的最小幅值投励，同步电动机在起动后，随着转速的升高转子感应电压的幅值会愈来愈低，当此值降至相当于50Hz交流电压810伏有效值时自动投励。3）投全压后，延时投励，延时时间可调。以上功能均由微机监控自动完成。目前使用是第一种投励方式。同步电机的运行状态电动机把电能转换为机械能补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率发电机把机械能转换为电能 1.2 晶闸管励磁系统的特

23、点及其性能21 同步电动机有哪几种励磁方式？同步电动机的励磁方式，是指电机获得直流励磁电流的方法。同步电动机采用的励磁方式主要有直流电机励磁系统、晶闸管励磁系统及无刷励磁系统等。随着电子技术的发展，目前已广泛采用了晶闸管励磁系统。1) 直流电机励磁系统同步电动机由同轴得直流励磁机供给励磁，在合理的使用和维护的情况下，运行可靠，可满足一般运行要求。同步电动机的直流电机励磁系统原理接线如图 MS3KMRfdKMGWERC 图 直流电机励磁系统原理接线图同步电动机启动时，灭磁电阻Rfd通过灭磁控制点KM把励磁绕组短接；当电机启动到亚同步转速时，KM动作，断开灭磁电阻回路，接通直流励磁电源。调节可变电

24、阻RC就可以调节直流励磁机的输出电压，从而调节同步电动机的励磁电流If和电势E0,使同步电动机处于稳定运行。当停机时，KM释放，灭磁电阻Rfd回路接通进行灭磁，同时切断转子励磁电源。直流电机励磁系统的缺点是：机械整流不可靠、电刷磨损大、容易冒火花，而且随着电机容量增大，励磁机的结构尺寸也相应增大，机组长度增大，经济上很不合理。因此，现代同步电动机励磁都不用同轴的直流发电机作为励磁电源，而几乎都采用晶闸管整流电源供给直流励磁电流。（2）晶闸管励磁系统同步电动机晶闸管励磁系统是近年来出现的新型励磁方式，它是把交流电经过晶闸管整流元件整流为直流后，供给同步电动机作为励磁电源的。这种励磁方式反应速度快

25、、调节方便，并具有励磁功率大、体积小、重量轻、便于维护、具有较高的效率等优点。下图 示出了典型的同步电动机晶闸管励磁系统原理方框图。该励磁系统有以下性能和特点：1) 励磁电源 （与定子回路来自同一交流电网）与转子回路采用三相全控桥固接励磁接线，保持了同步电动机固有的异步启动转矩特性。2) 全压启动的电动机当转速达亚同步转速时，投励环节发出脉冲，使励磁环节接通，实现顺极性投入励磁。3) 采用降压启动的电动机，当转速达亚同步转速的90%左右时，由投全压环节自动切除启动电抗器DK，投入全压，使电动机加速到亚同步转速时自动投入励磁。4) 当交流电网电压波动时，电压负反馈环节使电动机励磁电流基本恒定；当

26、电网电压下降至80%85%额定值时，实现强励，强励倍数为1.41.8倍，强励时间一般不超过10s.5) 同步电动机启动或停机时，由灭磁环节限制转子绕组两端的过电压，保证转子绕组及励磁装置元件不被击穿。6) 可手动调节励磁电流、电压进行功率因数调整，励磁电压、电流的调节范围为额定值的10%125%。7) 电动机正常停机或事故停机时，由于逆变环节的作用，晶闸管整流器KGZ转为逆变状态，是转子顺利灭磁。8) 恒无功环节用于带冲击负载的电动机，其作用是在运行中当电动机负载突变时自动保持其无功电流恒定。第二节 励磁系统的组成及各主要环节的工作原理2.1 系统装置主电路2.1.1 励磁系统主电路的组成及工

27、作原理图 2 励磁主回路RD13: 快熔 18 KGZ:可控硅 GZ:整流二极管 R1R6:电阻器 R：制动电阻 Rfd1、Rfd2：灭磁电阻 W：电位器 C1：电容器MJ：低压灭磁继电器 CA:试验按钮 LH：直流电流传感器1LH：电流互感器 A：直流电流表 V：直流电压表 TD:同步电动机1DL3DL:高压开关 GK:高压隔离开关 QDK：起动电抗器15LH：自耦变压器 晶闸管励磁系统有哪些环节组成？下面以全国统一设计的KGLF11型晶闸管励磁装置为例，介绍晶闸管励磁系统的组成及其简要工作原理。KGLF11型晶闸管励磁装置的电气原理接线图如附图，它主要有励磁主回路、触发脉冲环节（六块脉冲插

28、件）、移相和电压负反馈环节（移相插件）、投励环节（投励插件）、投全压环节（全压插件）、灭磁环节（灭磁插件）、逆变环节（附加插件）以及同步电源变压器（三个同步电源插件）等组成。晶闸管励磁系统的工作原理如下：当同步电动机起步启动时，灭磁环节投入工作，是转子感应交流电流两半博都通过灭磁电阻Rfd1-2,保证电动机的正常启动。启动过程中，励磁主回路晶闸管V1V6无触发脉冲，处于阻断状态。采用降压异步启动时，当电动机启动至亚同步转速的90%，投全压环节发出脉冲，去出发附加插件中的小晶闸管V11,投全压继电器2ZJ动作，控制同步电动机定子侧的全压开关合闸，使电机在全压作用下继续加速器动。当同步电动机加速启

29、动到亚同步转速时，投励磁环节接收到频率为23HZ的转子感应电压顺极性（感应电流方向与励磁电流方向相同）信号，发出投励脉冲去触发移相插件中的小晶闸管V10,使移相环节投入工作。移相环节综合给定信号和“按三相交流电网电压负反馈”信号，输出直流控制电压ED加到触发脉冲环节。触发脉冲环节发出脉冲加到励磁主回路的晶闸管V1V6,使励磁装置立即向电动机投入励磁，同步电动机被牵入同步运行。在同步电动机运行过程中，电压负反馈环节降装置电源侧引入的电压负反馈信号反极性与给定信号综合，保证当电源电压波动时，使整流输出的励磁电压保持不变，以实现恒定励磁。手动调节励磁电位器RP6（安装在装置的面板上），可以改变移相环

30、节输出的直流控制电压ED的大小，去控制触发脉冲环节发出脉冲的早晚，从而改变励磁主回路晶闸管V1V6的导通角，实现无级调节励磁，是同步电动机运行在最佳功率因数状态。当同步电动机正常停机时，逆变环节给脉冲环节加入一控制信号，使励磁主回路晶闸管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。23 如何选择励磁主回路的晶闸管元件？励磁主回路晶闸管元件质量的好坏，其额定参数选择得正确与否，整流桥臂各晶闸管元件参数是否一致，对保证励磁装置可靠运行有很大关系。在检修更换晶闸管元件时，一定要要注意正确选种元件参数和配组问题。（1）晶闸管额定电压的选择在使用晶闸管时，应了解它在阻断状态下能够承受多大的正向

31、与反相电压。晶闸管出厂试验时，在额定结温下，不论正向或反向都是加工频（50HZ）正弦半波电压。元件合格证上所标出的正向阻断电压和反向峰值电压，是测试时达到正向转折及反向击穿所对应的正弦半波电压的峰值各减去100V所取整数的数值。它们是晶闸管的额定电压，通用的术语和符号是重复正向阻断电压UDRM（可重复加于晶闸管元件的最大瞬时正向电压值）重复反向峰值电压URRM(可重复加于晶闸管元件的最大反向峰值电压)，二者在数值上一般是相等的。选择晶闸管时，应是元件的额定正向与反向电压为实际工作中所承受的正向与反向电压最大值的1.52倍以上。三相全控桥的三个同向并联桥臂上的晶闸管1、3、5KGZ是与4、KGZ

32、串联承受同步电动机启动过程中转子励磁绕组上所感应的峰值电压Usm ，当灭磁电阻Rfd1Rfd2等于励磁绕组直流电阻的10倍时，按经验取Usm为同步电动机额定励磁电压UfN的10倍。所以，励磁主回路桥臂上的晶闸管的正、反向峰值电压为式中 K1- 三相全控桥晶闸管整流器串联时的均压系数，取0.9; K2-晶闸管正、反向峰值电压的安全系数，取1.7.（2） 晶闸管额定电流的选择晶闸管的额定正向平均电流IF,是指在规定环境温度和散热条件下，可连续通过的工频正弦半波电流的平均值。经验证明，晶闸管工作时结点温度越低，使用寿命也就越长。因此，对于晶闸管励磁这类可靠性要求较高的装置，应适当降低晶闸管元件的额定

33、电流使用。这就是说，所选择的晶闸管元件的“额定正向平均电流”IF要大于实际负载下桥臂的平均电流，即即应取一定的电流裕量。励磁装置整流桥的负载条件，除考虑额定运行工况外，还要考虑交流电网电压降落或负载突增时的强励情况。因为强励虽然不是经常发生，但是属于励磁装置的一种运行工况。强励是不应使过流保护动作，晶闸管的额定正向平均电流应该大于强励时实际可能通过元件的电流，结温不应超过允许值。在额定工况时，整流桥直流侧电流为IfN，桥臂平均电流为。考虑强励时，整流桥直流侧电流为，桥臂平均电流为。因此，桥臂上晶闸管元件的额定正向平均电流应为式中 KC 强励倍数，一般取1.41.8;Ki强励工况下的电流裕度系数

34、，一般取2以上。（3） 晶闸管的配组问题在选择励磁主回路桥臂晶闸管时，除了使元件的额定正、反向峰值电压和额定正向平均电流两个主要参数一致外，还应筛选管压降、触发电压及触发电流等参数相近的晶闸管配组。这样才能保证整流桥臂上各晶闸管元件的负担基本平衡，三相整流桥输出波形能调试出较好的对称度。2.1.2 过电压和过电流保护同步电机可控硅励磁系统过电压保护可控硅励磁系统具有很多优点，但是这种系统中的可控硅元件承受过电压的能力较差，即使很短时间的过电压也可能导致元件损坏，而且可控硅承受正向电压上升率的能力也有一定限度，超过这个限度也可能导致元件损坏，或者造成励磁系统不能正常工作。因此，笔者分析了可控硅元

35、件所在电路中产生过电压的原因。并提出了几种相应的保护措施，以便将过电压和电压上升率限制在可控硅元件所允许的范围之内，以保证其安全可靠地工作。41：三级自动负荷开关 OL1, OL2 ：直流电流检测元件RW1 ：电位器 R ：灭磁电阻ASR ：亚同步转速检测继电器D ：整流二极管C1, C2 ：电容器FL ：直流分流器FIELD：励磁绕组1、主回路组成主回路如图2所示，它采用三相全控桥式整流电路，短路、过压保护，分别采用快熔和阻容保护。两级灭磁单元为独立单元，自动适应同步电机起动特性。另外，还有部分用于保护和仪表指示的检测元器件。图 励磁主回路RD13: 快熔 18 KGZ:可控硅 GZ:整流二

36、极管 R1R6:电阻器R：制动电阻 Rfd1、Rfd2：灭磁电阻 W：电位器 C1：电容器MJ：低压灭磁继电器 CA:试验按钮 LH：直流电流传感器 1LH：电流互感器A：直流电流表 V：直流电压表 TD:同步电动机 1DL3DL:高压开关GK:高压隔离开关 QDK：起动电抗器 15LH：自耦变压器2 产生过电压的原因可控硅励磁系统中出现的过电压现象，其原因主要有两个： 由雷击等原因引起的大气过电压； 整流系统所在电路中的跳闸、合闸和可控硅元件关断等电磁暂态过程所引起的操作过电压和换向过电压。21 大气过电压当可控硅励磁系统的交流电源采用由输电线路供电的降压变压器，线路遭受雷击或静电感应这种从

37、电网偶然浸入的浪涌电压时，必然要在变压器的副边绕组感生过电压。22 操作过电压和换向过电压图 在电源电压过零瞬间断开空载变压器产生的过电压产生操作过电压和换向过电压的主要原因有：(1)由高压电源供电的整流变压器，其原边绕组和副边绕组间存在分布电容C 当变压器高压侧开关合闸时，原边绕组高压 将经过C12耦合到副边绕组。合闸瞬间副边绕组感受到的电压近似为：C12/( C12 + C20 )(其中C20为副边绕组对变压器铁心间的分布电容)。如果C12C20，则0.5,显然副边绕组感应的过电压值将随变压器变比的增加而增大。(2)在电源变压器空载情况下，如果在电源电压过零时突然断开电源，则会产生严重的瞬

38、变过电压。变压器空载时，原边绕组中只有励磁电流，它在相位上滞后于电源电压近900，过零时，达到最大值。相应的磁通也达到最大值。如此时突然切断变压器，使由最大值变到零，则相应的ddt和ddt都很大，结果在副边绕组中感应出很高的瞬时过电压。如图2所示。产生过电压的倍数最高可达正常反向峰值电压的810倍，一般情况下也有45倍。(3)变压器原边绕组的漏抗与副边绕组的分布电容所形成的振荡电路，在变压器合闸(相当于突然加上一个阶跃电压)时，将引起瞬变过程而产生过电压。在严重情况下，这个瞬变电压的峰值可达正常反向峰值电压的2倍，通常情况下，亦可达到16倍左右。(4)可控硅整流电路直流侧开关断开时，由于电流突

39、变，将在交流回路的电感上产生过电压。(5)可控硅元件关断时产生的关断过电压(又叫换相过电压)。以三相全控桥整流电路为例。如图3所示。如果导通的可控硅元件为V1、V2，则整流桥输出电压为线电压。当V1元件导通至1200图3(b)中的t1时，由于元件V3被触发导通，故输出电压变为线电压，则时V1因承受反向电压而准备关断。当V1中的电流降至零时，其内部尚存的载流子，将在反向电压作用下产生反向恢复电流- 对应于图3(b)中的t2 t3。反向电流被迅速切断时，元件V1立即阻断图3(b)中的t3时刻，此时在变压器漏抗上产生的过电压将作用在关断的元件V1上。过电压的数值可达正常峰值电压的56倍。如在可控硅元

40、件的两端并联阻容保护，则可使通过RC支路续流，从而抑制其过电压。(6)发电机运行中如发生突然短路，失步或非同期合闸等故障，则在转子绕组中会产生很高的感应过电压，危及可控硅励磁系统整流电路的安全运行。3 过电压保护方法通常可能采用的各种过电压保护，如图4所示。对于每一套可控硅励磁系统视具体情况选择其中几项，以构成合理的保护，使其既简单可靠，吸收暂态能量大，限制过电压的能力强，又不影响正常运行，且寿命长，功耗低。为抑制大气过电压，保护变压器，通常在变压器原边绕组上装设避雷器(图4中A)为抑制投入变压器时由于绕组间存在分布电容而引起副边绕组过电压，可在变压器中设置屏蔽层，或在变压器Y形中点和地之间装

41、设接地电容C1，或在副边出线与地之间合理接人抑制电容C2(图4中B、C)。可将副边过电压抑制到较低的数值。为抑制切除空载变压器励磁系统电流而引起的过电压，可采用电容器、硒堆或压敏电阻等这类贮能或耗能元件，以吸收变压器中贮存的能量(图表中的D、E、F、G)。同样可以采用上述的阻容、硒堆、压敏电阻等保护器件，抑制直流侧过电压。此外，工程上还采用可控硅开关自动投入电阻的方法，以抑制转子过电压(图4中的I)。下面笔者对这些保护措施作出近一步分析。31 阻容保护阻容保护装置接线方法，如图5所示：图5中电容用于吸收瞬时浪涌能量，以抑制过电压；电阻为耗能元件，用于限制可控硅元件导通时电容器放电电流所引起的电

42、流上升率，同时可防止回路中的LC元件形成谐振。图5中电容C在可控硅元件将放电，从而增加了可控硅元件导通时的didt值，即增加了元件损坏的潜在因素；对于大容量的可控硅励磁系统来说，三相阻容保护显得过于庞大，为此可采用图6所示的整流阻断式接线。整流桥直流侧的阻容保护，可吸收交流侧的浪涌电压，对可控硅整流桥实施过电压保护。此外，阻容保护的放电电流因整流桥的反向阻断作用而自成回路，故不会增加可控硅元件导通时的电流上升率。为了防止可控硅关断过程引起的过电压，可在每只元件的两端分 联阻容保护如图5(d)所示。此外，亦可接入单相整流阻断式阻容保护。阻容保护装置简单可靠，应用广泛。其缺点是正常运行时电阻消耗功

43、率，发热厉害；对于非整流阻断式保护，增大了可控硅元件开通时的didt值；容易造成波形畸变；作为大容量整流装置时显得体积过大；而且，当有过高的浪涌电压侵入时，过电压数值可能突破允许值。32 硒堆保护硒堆由硒整流片串联后对接而成，利用其反向伏安特性来抑制过电压。硒堆保护的接线，如图7所示。图8为硒堆的反向伏安特性。正常工作时，承受反向电压的硒堆工作在伏安特性的A点，漏电流很小。随着反向电压的增大，硒堆的反向电流迅速增加，因此可以抑制电压的上升。B点对应的电压，为其所抑制的操作过电压的峰值。当出现异常浪涌电压时，工作点升至C点，硒片被击穿，如同电源经硒堆作短时短路一样，吸收浪涌能量，抑制过电压。击穿

44、后的硒片表面出现焦点，浪涌电压过去后仍可恢复反向阻断能力，可继续起保护作用。由于Y形接法所用的硒片较少，故工程上多采用此种接法。硒堆保护的优点是吸收的浪涌能量较大，正常运行时功耗小，发热少，使用灵活。缺点是体积较大，且长期不用之后性能变差，即正向电阻变大，反向电阻降低，因而失去效用。若要再使用，须经“化成”处理，性能才能恢复。33 压敏电阻浪涌吸收器压敏电阻具有正反向相同的很陡的优安特性(见图9)。它具有残压低、通流和耐受能量的能力及抑制过电压能力强、漏电流及损耗小、对浪涌电压反应快、寿命长、运行可靠及价廉等优点，是一种较好的过电压保护元件。缺点是持续功率较小。压敏电阻用作过电压保护的接线，如

45、图10所示。形接法主要用于防止操作过电压，Y形接法则可防止雷电侵入波引起的过电压。对于要求残压更低的小容量装置，可串接稳压阻抗Z(电抗或电阻)，如图10(e)所示。压敏电阻的残压比较大。当可控硅元件的电压安全系数较小时，不宜采用压敏电阻作过电压保护。此外，压敏电阻虽能抑制过电压数值，却不能抑制dudt，因此，在dudt较大的场合仍需装设RC保护。2.2灭磁环节二、灭磁插件工作原理在同步电动机异步起动或运行失步过程中，三相全控桥的晶闸管V1V6没有控制极触发脉冲，电动机处于固接起动的灭磁工作状态。灭磁插件原理图如图21所示。1 工作原理同步电动机定子绕组通电后，转子励磁绕组感应出交变电压，开始瞬

46、间感应的交变电压未达到晶闸管V7、V8的导通电压，感应电压正半波就通过RF1、R1、R3、RP1、R2、R4、RP2、RF2回路，总电阻为转子绕组电阻值的3 000倍以上，波形图见图22，相当于开路起动。随着转子转速增加，感应电压急剧上升至V7、V8整定的导通电压。此时，电位器RP1、RP2上的电压降分别大于稳压管VS1、VS2的稳压值，二极管VD 1、VD2正向压降，V7、V8导通工作，使同步电动机转子绕组正半周相当于开路起动变为接人灭磁电阻RF1、RF2的固接起动，此时感应电压幅值大为减弱。负半波则通过RF1、二极管VD、RF2构成的回路。这样，在同步电动机起动至亚同步转速投入励磁电压、电

47、流前，一个周期内正负半波都通过RF1、RF2固接起动的接线方式，形成较好的起动转矩。当转子转速n达到同步转速ns的95时，由投励插件检测到转差率s=0.05，发出投励触发脉冲，使移相给定插件小晶闸管触发导通，输出移相控制电源，使+A、-C、+B、-A、+C、-B 6相触发脉冲触发相应的桥臂晶闸管V1V6，输出直流励磁电压UE和电流IE。在拖人同步运行的一个周期内，灭磁晶闸管V7、V8导通的电流，换相时小于维持电流，则V7、V8自动关闭，转子很快加速牵人同步转速，正常运行。2 灭磁电压的整定灭磁晶闸管V7或V8整定导通电压计算公式如下(北京、西安、上海整流器厂有±5 设计规范) ：UK

48、=1.22×U21.732U2式中：UK V7或V8整定导通电压瞬时值U2 整流变压器TC(自耦变压器)的二次侧线电压UV1.78UNE式中：UV V7或V8整定导通电压有效值UNE 励磁装置额定励磁电压灭磁环节参数整定值见表21。通过调节TC(有效值高时可通过外接升压变压器)获得整定电压。在整定V7时，将V8阳、阴极用导线短接升压。此时，在V7阳极与阴极间用示波器观察到单相半波整流电压波形如图23所示。调整电位器RP1，使参数对应要求的瞬时值或有效值。晶闸管V7、V8导通时的电压波形如图24所示。单相半波可控整流相位控制角=900；整定V8时拆除短接线，改成V7短接，升压、调整电位

49、器RP2使数值与V7相同，需几次由升压(调电位器)、降压、再升压，核准晶闸管导通的参数。然后用油漆将电位器调节的轴封死，以防止机柜风机振动引起数值变化。图21中按钮sB供检测灭磁环节能否正常工作。按下SB后，电阻Rl、R3与R5，R2、R4与R6并联，由于选用的R5、R6阻值较小，相当于增加RP1、RP2的电压降；检测时，调节装置电压在50V左右(通过电压表PV1确定)，灭磁晶闸管V7、V8即可导通(PV1指示为零)。这样，可认为电路工作正常。2.3 触发电路、移相给定和自动投励环节2.3.1 触发电路一、脉冲触发插件工作原理脉冲插件+A、-C、+B、-A、+C、-B分别控制三相全控整流桥的晶

50、闸管VlV6，6个脉冲插件内部的元件及线路连接都是一样的，只不过是其外部接线不一样，插件可以互换。现以A相脉冲为例分析脉冲插件工作原理，原理图见图11。电路由同步信号、脉冲发生、脉冲放大和脉冲输出四部分组成。1 同步信号电源+A、-A来自同步电源变压器TB1。+A相5OV作为产生脉冲的同步电源；-A相5OV作为脉冲放大的电容器C2充电用；-A比+A超前1800,+A经二极管VD4整流，再通过电阻R10、稳压管VS3、VS4削波稳压后，产生梯形波，供给单结晶体管振荡电路。当+A电源得电后，三极管VT1处于放大状态，电容器Cl就充电，+A与三相全控整流桥的晶闸管阳极电压相位相同，故称为同步触发信号

51、。2 脉冲发生该环节是一个同步锯齿波振荡电路。它由单结晶体管VT2、C1、VT1、电位器RP4及电阻R15等组成的充放电回路实现。由移相插件的直流控制电源的大小来改变VT1基极电流，使VT1集电极(C)和发射极(E)之间的电压UCE发生变化，在Cl的串联电路上起到可变电阻的作用，从而改变Cl的充放电时间常数。当C1的电压充到VT2的峰点电压时，利用单结晶体管的负阻特性使VT2导通，C1上的电压经VT2的发射极(E)、第一基极(B1)和电阻R15迅速放电，从而在R15上形成电压降，产生触发脉冲触发小晶闸管V9。当Cl放电至VT2谷点电压(约2 V左右)时，VT2截止，Cl重新充电，重复上述过程。

52、3 脉冲放大由C2、V9及脉冲变压器Tl组成。-A相5OV电压经二极管VD3半波整流，电阻R9降压，稳压管VS5、VS6削波稳压后形成梯形波，对C2充电，为产生放大的输出触发脉冲作准备。当脉冲发生环节在电阻R15上产生脉冲信号时，V9便触发导通，C2上电荷经V9及T1一次侧绕组迅速放电，从而在T1二次侧绕组形成陡尖而又放大的触发脉冲。4 脉冲输出通过Tl的二次侧绕组及二极管VD7VD14构成四组脉冲信号。为了保证装置的可靠性，按照定规律组成对三相全控桥VlV6的双脉冲控制触发，每只晶闸管用两组脉冲，称为补脉冲触发。其特点是触发功率小，通过Tl(一次侧、二次侧绕组匝数比是1：1)，起到主电路强电

53、与控制电路弱电的隔离。从+A脉冲插件的插接端子11、12和l3、l4发出的脉冲(插接端子2、8和9、10作备用脉冲或整流桥臂上晶闸管元件串、并联用)分别去控制触发三相全控整流桥上的Vl和V6，所发出脉冲时间对应于三相整流变压器TZL二次侧加于三相全控整流桥交流侧A、B相电源的相位。调整触发导通的Vl和V6控制角的大小，从而改变同步电动机励磁电压的高低。V3、V2、V5、V4同步触发依此类推。2.3.2投励环节1、投励方式电机起动后，按照“准角强励整步”的原则当转子转速达到电机额定转速95%时，自动投励。为保证同步电动机投励准确、可靠，系统有三种投励途径：1） 同步电动机在起动过程中，当转子的转

54、速达到电机额定转速的95%时，立即投励磁。2） 按转子感应电压的最小幅值投励，同步电动机在起动后，随着转速的升高转子感应电压的幅值会愈来愈低，当此值降至相当于50Hz交流电压810伏有效值时自动投励。3）投全压后，延时投励，延时时间可调。以上功能均由微机监控自动完成。目前使用是第一种投励方式。2、 投励环节工作原理同步电动机异步起动时，转子绕组中产生感应的交变电压，其频率是随转子转速的加速而降低的计算公式为：p/60p（-）/60s式中：p 电动机极对数 同步转速与转子转速差 同步转速 转子转速 s 转差率 电网电源频率当为95n 时称为亚同步转速，这时s=（-）0.05， s2.5Hz，周期

55、T21/0.4s。投励环节就是根据上述亚同步转速、转差率的要求，适时投入转子励磁电压UE和电流IE，加速牵人同步转速运行。投励环节电路原理见图51。图51中VD27、VD28组成的单相桥式整流电路经整流、C4滤波，R21、VS10、VS11稳压为DC 28V，供给单结晶体管VT4。控制信号是转子感应的电压在G1(8)、G2(14)两端。转子电压波形见图52。 由快到慢，开始f250Hz，随后逐渐减小到f22.5Hz时自动投入励磁，加速至正常运行，nnS。这时,f2=0Hz，感应电压的幅值从大到小。由图51可见，VT3在这里起开关作用，开关的频率由f2控制，所以VT3也叫频率继电器。3 投励触发

56、脉冲形成当VT3的基极电流, IB足够大时，饱和导通，C5被短路，充不上电，VT4不能导通，当VT3的IB=0时，VT3截止，C5充电，如果C5的充电时间足够(200s)，VT4导通，发出锯齿波振荡脉冲。VS12将转子感应来的正半周电压稳定在4 V左右，加在VT3的基极和发射极之问，使VT3饱和导通。由于正负半周电压交替加在VT3的基极上，故VT3正半周导通，负半周截止。交替时间受转子感应电压的控制，当感应电压的f22.5Hz即T21/0.4s时，正半周，VT3饱和导通，C5不能充电，VT4不导通；负半周，VT3截止、C5充电，VT4导通发出投励脉冲。负半周投励即为顺极性投励，此时使三相整流桥晶闸管导通，整流电压G1