供稿|羅學(xué)鋼，羅曄 / LUO Xue-gang, LUO Ye

同步電動機是一種交流電動機，與異步電動機的結(jié)構(gòu)基本相同，都由產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的定子和被旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的磁力矩拖動的轉(zhuǎn)子組成。有所不同的是：同步電動機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度 n 與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度 n0相同，即 n=n0；異步電動機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度 n 與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度 n0存在轉(zhuǎn)差，即 n＜n0。因此，同步電動機比異步電動機多了一套勵磁裝置。這套勵磁裝置在勵磁電源的驅(qū)動下，使得同步電動機始終存在一個激勵磁場，激勵磁場產(chǎn)生的磁力矩迫使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動速度相同，這就是同步電動機的轉(zhuǎn)速同步。

本體調(diào)試

啟動方法

同步電動機的啟動方法有三種：變頻啟動法、異步啟動法和輔助啟動法。

變頻啟動法常用于特大型功率同步電動機 (兆瓦級以上)。啟動時，先在轉(zhuǎn)子線圈中通入直流勵磁電流，借助變頻器逐步升高加在定子上的電源頻率，使轉(zhuǎn)子磁極在開始啟動時就與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場建立起穩(wěn)定的磁拉力而同步旋轉(zhuǎn)并在啟動過程中同步增速，一直增速到額定轉(zhuǎn)速值。由于采用變頻啟動法可以實現(xiàn)平滑起動，所以變頻啟動法的應(yīng)用越來越廣泛。

異步啟動法應(yīng)用較多，供電等級有 3、6、10 kV 等。同步電動機的異步啟動法分兩個階段：異步啟動和牽入同步。啟動時，先將同步電動機加速到接近同步轉(zhuǎn)速；然后再通入勵磁電流，依靠同步電動機的定子和轉(zhuǎn)子磁場的磁拉力而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，把轉(zhuǎn)子牽入同步。

輔助電動機啟動法，是借助一臺與待啟動的同步電動機同磁極數(shù)的異步電動機來啟動同步電動機。

單元檢查

根據(jù)設(shè)計原理圖，對同步電動機系統(tǒng)的一、二次線路和設(shè)備進行校對和檢查，無誤后，開始進行單元調(diào)試和試驗。電動機單元檢查試驗包括：絕緣測試、組別檢查。試驗項目中要注意檢查同步電動機勵磁裝置各磁極分布電壓，要求各磁極上的分布電壓接近一致。常采用“交流法”進行檢查。

模擬操作

按同步電動機“啟動—勵磁—運行—停車”過程，以模擬操作的方式給出運行和保護動作信號，對操作和控制環(huán)節(jié)進行校驗；以模擬操作的方式給出故障信號對相應(yīng)的保護連鎖動作進行校驗。控制和保護環(huán)節(jié)調(diào)試、試驗，控制回路模擬操作啟動、停車。

勵磁裝置調(diào)試

某制氧站氧氣和氮氣壓縮機使用同步電動機驅(qū)動，其勵磁裝置 (型號) 是 KGLF-11 系列可控硅勵磁裝置。以此為例介紹其調(diào)試步驟。如圖1 所示，同步電動機轉(zhuǎn)子回路采用三相全控整流橋固接勵磁線路，保持了同步電動機的固有啟動特性；同步電動機當(dāng)其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到亞同步轉(zhuǎn)速時，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差為 4%～5% 時，勵磁裝置投入勵磁；同步電動機啟動或停車時，自動滅磁，并當(dāng)同步電動機異步運行時 (啟動或失步過程) 具有滅磁保護，避免同步電動機及整流勵磁裝置因感應(yīng)過電壓而擊穿；手動調(diào)節(jié)勵磁電壓電流，可以從零至額定值連續(xù)調(diào)節(jié)。

勵磁裝置工作原理

同步電動機可控硅勵磁裝置恒定勵磁系統(tǒng)示意圖，如圖2 所示。

當(dāng)同步電動機起動時滅磁環(huán)節(jié)工作，使轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電流兩個半波都通過電阻保證電動機的正常啟動，啟動過程中整流電路可控硅無脈沖，處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)電機啟動運行至亞同步轉(zhuǎn)速時 (即達到額定轉(zhuǎn)速的 90%)，投勵環(huán)節(jié)自動發(fā)出投勵脈沖，使移相給定電壓加到脈沖環(huán)節(jié)，脈沖環(huán)節(jié)發(fā)出脈沖觸發(fā)可控硅，使裝置立即向同步電動機轉(zhuǎn)子投勵磁，同步電動機拖入同步運行。

圖1 KGLF 11 型可控硅勵磁裝置簡圖

圖2 系統(tǒng)框圖

電壓負反饋環(huán)節(jié)的電源則是引入電源電壓作為負反饋信號反極性與給定電壓信號綜合，保證當(dāng)電源電壓降低時，使得裝置整流輸出的勵磁電壓保持不變，當(dāng)供電電壓降至某一百分值——如 80%時，強勵磁接點閉合，實現(xiàn)對同步電動機強勵磁。網(wǎng)絡(luò)電壓回升后，則自動解除強勵磁，恢復(fù)原恒定勵磁。電源電壓升高時，也能使得同步電動機轉(zhuǎn)子繞組得到穩(wěn)定電流。

JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“公路規(guī)范”）、CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“城市道路規(guī)范”）和美國的《公路與城市道路幾何設(shè)計》2001版（以下簡稱“綠皮書”）對干線公路和城市快速路的設(shè)計速度有不同的規(guī)定。

逆變環(huán)節(jié)的作用是當(dāng)電動機正常停車時，給脈沖環(huán)節(jié)施加入一個控制信號，使勵磁裝置可控硅從整流狀態(tài)立即轉(zhuǎn)入逆變狀態(tài)，以保證同步電動機轉(zhuǎn)子的順利滅磁。

調(diào)試的主要內(nèi)容

勵磁裝置調(diào)試的主要內(nèi)容為：

(1) 勵磁系統(tǒng)內(nèi)各電氣設(shè)備的單元檢查、試驗和預(yù)整定；

(2) 線路校核。特別要注意同步電動機的直流勵磁機直流勵磁裝置勵磁繞組勵磁線圈與電樞間的相對極性。正確的接線應(yīng)能，保證直流勵磁機直流勵磁裝置在同步電動機啟動運行時能能可靠地自激勵并建立勵磁電壓；

(3) 程序試驗。檢查確認勵磁控制裝置繼電接觸器的動作程序與保護連鎖動作程序的正確性；

(4) 以模擬方式使同步電動機勵磁繞組或同步電動機直流勵磁機的勵磁線圈中，流過實際勵磁電流的調(diào)整和試驗。

采用晶閘管勵磁控制的系統(tǒng)調(diào)試，除以上項目外，還包括：

(1) 穩(wěn)壓電源輸出電壓的調(diào)整與波形檢查；

(3) 用直流充電法測定轉(zhuǎn)子滑差 (頻率) 控制自動投勵特性，測定采用轉(zhuǎn)子滑差控制自動短接電抗器使同步電動機作全壓加速的動作點，并按設(shè)計進行整定；

(4) 用工頻交流電壓整定投勵插件和全壓插件中的最小工作偏壓；

(5) 確定電壓負反饋靜態(tài)參數(shù)，調(diào)整電壓負反饋自動調(diào)節(jié)勵磁的特性；

(6) 調(diào)整有觸點控制的強勵特性；

(7) 調(diào)整同步電動機動力制動時所需的勵磁電壓值；

(8) 無功功率、功率因數(shù)、定子回路電壓等自動調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)調(diào)整。

調(diào)試方法

◆ 滅磁環(huán)節(jié)

調(diào)試接線如圖3 所示，調(diào)試線路接好無誤后，分別在滅磁可控硅 7 KGZ 和 8 KGZ 陽極與陰極間外加交流電壓，模擬同步電動機起動時的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓，使 7 KGZ 或 8 KGZ 導(dǎo)通開放，滅磁可控硅導(dǎo)通開放電壓的瞬時整定大于整流裝置額定勵磁電壓的2.5倍，即整流裝置勵磁額定電壓 75 V，可控硅 7-8KGZ 導(dǎo)通開放電壓瞬時值 187.5 V，工作有效值 133 V。

圖3 調(diào)試滅磁環(huán)調(diào)試節(jié)接線圖

圖4 7KGZ 陽極和硅整流器 GZ 陽極為“+”的波形

圖5 7-8KGZ、GZ 導(dǎo)通、阻斷波形

合開關(guān) K，調(diào)節(jié)調(diào)壓器 TB，使 TB 二次輸出電壓為 10 V 左右，示波器測出 7 KGZ 兩端波形為圖4 所示，即為正常。

然后緩慢上升 TB，使其輸出電壓至滅磁可控硅 7 KGZ 所需的整定導(dǎo)通開放電壓 133 V。調(diào)節(jié)電位器 1 W 的阻值，使示波器出現(xiàn)如圖5 所示的波形，即可控硅 7 KGZ 已被交流電壓峰值導(dǎo)通開放 (此種狀態(tài)不要持續(xù)過長時間)，然后微降調(diào)壓器 TB 輸出電壓，又出現(xiàn)圖4 的波形。此時，7 KGZ 是處于關(guān)斷狀態(tài)，將 TB 輸出電壓降至 7 KGZ 導(dǎo)通電壓的 50%，摁下按鈕 CA，波形恢復(fù)如圖4 所示，即為正常。

按該辦法對滅磁可控硅 8 KGZ 的導(dǎo)通開放電壓進行整定和調(diào)試，滅磁環(huán)節(jié)的調(diào)試工作完成。解除所有調(diào)試附加設(shè)備和調(diào)試用導(dǎo)線。

◆ 觸發(fā)環(huán)節(jié)調(diào)試

將電源變壓器插件推入箱內(nèi)，其余插件全部抽出，測量同步電源變壓器二次電壓，然后把六個脈沖插件和移相插件插入箱內(nèi)，調(diào)動移相插件中的 6 W，用示波器測整流輸出兩端，將同步電動機勵磁繞組斷開送勵磁交流電源，觀看示波器整流輸出波形是否不對稱，或整流輸出波形是否有波形缺失，如果沒有這兩種現(xiàn)象，則說明六個脈沖觸發(fā)插件正常工作，該環(huán)節(jié)調(diào)試完成。

◆ 移相環(huán)節(jié)調(diào)試

移相環(huán)節(jié)由“移相給定”和“按三項交流電網(wǎng)電壓負反饋”環(huán)節(jié)兩部分組成。

“移相給定”環(huán)節(jié)來自同步電源小變壓器，插件的單相交流電壓經(jīng)二極管全波整流穩(wěn)壓送到電位器 6 W。電位器 6 W 的滑動頭輸出一個可調(diào)的穩(wěn)定電壓，作為六個觸發(fā)脈沖插件移相控制的主要電源。

“按三項交流電網(wǎng)電壓負反饋”環(huán)節(jié)的來自同步電源小變壓器的三項交流電壓首先經(jīng)二極管全波整流。當(dāng)小變壓器一次側(cè)交流電源線電壓為 380 V 時，反饋電壓不足以使其穩(wěn)壓工作；當(dāng)電網(wǎng)電壓低于 UL 的 80% 且時間較長，這時強勵磁環(huán)節(jié)工作；當(dāng)電網(wǎng)交流電壓上升到 390 V 時，穩(wěn)壓才起作用。負反饋原理如圖6 所示。

圖6 負反饋原理

◆ 投勵環(huán)節(jié)調(diào)試

同步電動機啟動時是異步起動，待同步電動機起動到亞同步速度時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電壓的頻率已衰減至 2～3 Hz，在轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電壓為“經(jīng)放電電阻 Rfd1-2，硅整流 GZ”啟動半波，電容 C5就有足夠的時間充電，這半周內(nèi) C5兩端電壓可充電制單結(jié)晶體管 4 BG 發(fā)射極，第一基極和脈沖變壓器 2 MB 原邊繞組迅速放電，致使 2 MB 付邊繞組輸出兩個陡尖脈沖，一個脈沖去觸發(fā)移相插件的小可控硅 10 KGZ，接通“給定電壓”的電源，脈沖插件就有脈沖輸出，觸發(fā)勵磁回路三相整流橋的可控硅 1～6KGZ 導(dǎo)通工作，給同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁繞組投入勵磁，同步電動機轉(zhuǎn)子拖入同步運行。

在調(diào)試投勵插件時，用 50 Hz 交流電源調(diào)定投勵磁插件三極管 3 BG 的最小工作電壓和投勵插件的投勵磁時間 τ=R26C5，電容 C5一定，則決定了R26，R26是對電容 C5充電的電阻。在調(diào)試時，投勵磁時間過短則將 R26阻值減小，增加對電容 C5的充電電流，縮短充電時間。通過這樣的步驟調(diào)試反復(fù)試驗，將充電電阻 R26調(diào)節(jié)到合適阻值。確定了 R26值，投勵時間就準確了。另外，調(diào)節(jié)投勵插件的 8 W，改變 3 BG 的基極電流，也可以達到調(diào)節(jié)電源對 C5的充電時間。

啟動過程調(diào)整

大容量同步電動機啟動運行前必須取得電網(wǎng)調(diào)度的認可，并切實保證通風(fēng)、潤滑、油膜軸承系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。同步電動機允許連續(xù)啟動次數(shù)一般控制在冷態(tài)兩次、熱態(tài)一次。設(shè)有盤車裝置的大型高速同步電動機 (如高爐電動鼓風(fēng)機)，在試運前，最好能進行 24 h 以上的盤車，以免由于微小的軸撓度而引起振動。對于設(shè)有自動無功功率調(diào)整的裝置，啟動時可先將無功補償調(diào)節(jié)置于零位，待電機運行正常后，再按電動機輸出比較穩(wěn)定的無功電流的要求確定無功功率補償強度。

在啟動過程中測取接近同步轉(zhuǎn)速時的電機定子電流穩(wěn)定值，將啟動控制用電流繼電器的釋放值整定為略大于此穩(wěn)定值。根據(jù)同步電動機啟動勵磁牽入同步時主回路電流的變化，判斷該繼電器整定值是否合適。

同步電動機運行參數(shù)測定

主要有電動機定子電流、勵磁電流的測定和變化勵磁電流時定子電流變化狀態(tài)的測定；電動機繞組與軸承溫升測定；電動機振動測定；軸電壓測定；負載變動時有關(guān)自動調(diào)節(jié)控制效果的檢查與被控對象 (如功率因數(shù)、無功功率輸出值等) 的測定。

通過多次試車和精調(diào)試，達到了設(shè)計和生產(chǎn)要求。

[1]劉忠源. 同步電機可控硅勵磁系統(tǒng). 北京:水利電力出版社, 1992

[2]楊成德. 同步電動機勵磁裝置的技術(shù)改進. 電工技術(shù)雜志,2001(4):44-46

[3]袁世鷹. 電機學(xué). 北京:煤炭工業(yè)出版社, 1993