甘信偉

引言：

目前我們公司用的是凸極臥式同步電動機，額定電壓10KV 、額定功率2.1MW、額定電流1264A、同步轉(zhuǎn)速200r/min、轉(zhuǎn)向（DE）UVW→、功率因數(shù)0.98、絕緣等級F、安裝方式IM7115、冷卻方式IC81W7、防爆級別Ⅱ2GExpxⅡBT4（歐洲標示法）、機身重153000Kg等其它技術(shù)數(shù)據(jù)。保護配置有縱聯(lián)差動保護、差速保護、電動機的堵轉(zhuǎn)保護、啟動超長保護、過負荷保護、同步電動機的失磁保護、同步電動機的失步保護（低電流閉鎖）、單相接地保護、低電壓保護等。根據(jù)當?shù)氐墓╇娤到y(tǒng)實際情況和設(shè)計論證分析，電動機采用的是直接啟動方式;實測母線壓降情況為，電機側(cè)區(qū)域變電所10KV母線壓降在14%左右，公司總變所35KV母線電壓壓降在6%、220KV母線壓降在2%，既沒有對本區(qū)域變電所其它用電設(shè)備產(chǎn)生影響，也沒有對其它裝置供配電設(shè)備、用電設(shè)備構(gòu)成任何影響。在多年的運行觀察和比較分析后，現(xiàn)對同步電動機及勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和緊密相關(guān)聯(lián)鎖聯(lián)動作粗淺分析，以便技術(shù)交流中以饗讀者。

一、同步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理

同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機基本相同，定子也是由基機座、鐵芯、定子繞組和端蓋等部件組成;轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子勵磁繞組、阻尼繞組、旋轉(zhuǎn)整流部分、直流勵磁交流發(fā)電機和轉(zhuǎn)軸等部件組成。阻尼繞組與感應(yīng)電機的籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)相似，在同步電動機啟動時建立異步狀態(tài);在轉(zhuǎn)入同步運行狀態(tài)時，會起到抑制轉(zhuǎn)速振蕩的作用。

同步電動機的工作原理是指對稱的三相定子繞組通入對稱三相正弦交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流電產(chǎn)生與定子極數(shù)相同的恒定磁場。同步電動機就是靠定、轉(zhuǎn)子異性磁極的吸引力由旋轉(zhuǎn)磁場帶動磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的;同步電動機的特點是，穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負載的大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速，且其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)。因此在恒速負載及需要改善功率因數(shù)的場合，常常優(yōu)先選用同步電動機。

二、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)及工作基本特性

我們公司的同步電動機及勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有主電機、電機轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流、靜態(tài)勵磁等四部分構(gòu)成。靜態(tài)勵磁即勵磁柜是采用Siemens AG，是勵磁系統(tǒng)的核心部件，關(guān)系到同步電動機的安全穩(wěn)定運行。我們知道同步電動機的運行特性包括工作特性和V形曲線，為了使同步電動機的工作特性體現(xiàn)出“硬”的機械特性，電機空載時，電樞電流較小，隨著負載的增加輸出功率也再增加，電磁轉(zhuǎn)矩將正比增大，電樞電流也隨之增大。當同步電動機對外呈現(xiàn)“阻性”時，電動機的功率因數(shù)等于1，該勵磁就稱為“正常勵磁”;不同勵磁下的同步電動機的功率因數(shù)是不同的，若保持勵磁電流不變，隨著負載的增加，功率因數(shù)將從1逐步下降而變?yōu)闇?，若輕載時功率因數(shù)將變成超前。同理可見，在負載不變的前提下改變勵磁電流，總可使電動機在任一特定負載下的功率因數(shù)達到1，甚至變?yōu)槌?，增加勵磁也可以提高最大電磁功率，從而提高過載能力。我們知道，同步電動機的功率因數(shù)等于1時，該勵磁就稱為正勵，此時的電樞電流全部為有功電流，其值為最小;若增大勵磁，電機反應(yīng)的激磁電動勢將增加，電機便處于過勵狀態(tài)，此時電樞電流將成為超前，向系統(tǒng)輸出感性無功即+Q（可在一定的功率因數(shù)值下設(shè)為超前狀態(tài)下的定值），其值較正常勵磁時大;反之，在正勵狀態(tài)下若減小勵磁，將會使激磁電動勢減小，電機便處于欠勵狀態(tài)，此時的電樞電流將成為滯后，吸收系統(tǒng)感性無功-Q（可設(shè)為滯后狀態(tài)下的定值，超過設(shè)定時應(yīng)啟動失步保護），其值也比正常勵磁大，這樣經(jīng)過數(shù)學處理，可畫出電磁功率為不同值下的多簇線，此曲線如V字，通常稱為V形曲線，在V字溝的左側(cè)是滯后狀態(tài)，此時電樞電流隨著勵磁電流增加而降低，而在在V字溝的右側(cè)是超前狀態(tài)，此時電樞電流隨著勵磁電流增加而升高，從而說明它能夠形象的放應(yīng)出電樞電流與勵磁電流的關(guān)系。

三、靜態(tài)勵磁的作用及工作特點

那么調(diào)整同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁電流大小的工作是有外部靜態(tài)勵磁實現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子勵磁電流與靜態(tài)勵磁電流大小基本上成正比例關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)在（例如）恒定的功率因數(shù)下跟蹤電樞電流來調(diào)節(jié)靜態(tài)勵磁電流大小的功能就是由靜態(tài)勵磁柜來實現(xiàn)的。我們采用的靜態(tài)勵磁是Siemens AG，靜態(tài)勵磁的輸出額定電壓是104VDC、輸出額定電流8.5A，其它勵磁參數(shù)設(shè)置如下：

另外，靜態(tài)勵磁柜還有控制和保護功能，控制功能主要體現(xiàn)在：開機前勵磁系統(tǒng)的上電自檢，主要是檢查勵磁回路的完好性，電動機啟動和停止，主回路與勵磁調(diào)節(jié)的聯(lián)動，緊急勵磁的動作和人為復(fù)歸等，保護功能主要體現(xiàn)在：失步保護（失壓失步保護、失磁失步保護、失速保護）。靜態(tài)勵磁柜還起到連接DCS和MBL（中壓開關(guān)柜）信號的作用，收集DCS、MBL的信號參與靜態(tài)勵磁柜內(nèi)自身PLC邏輯，為電動機的啟動和安全穩(wěn)定運行服務(wù)，往來信號如下表：

另外，靜態(tài)勵磁柜還設(shè)有人機界面觸摸屏，擁有豐富的操作菜單，主要為，概覽：主接線、信號燈、勵磁控制方式、在線測量、日期時間、事件信息、菜單結(jié)構(gòu);統(tǒng)計數(shù)據(jù)（開機前和停機后均要檢查）：溫度報告、等待啟動時間、電機狀態(tài)、最后的啟動/停車用時、電量統(tǒng)計;控制（勵磁控制模式選擇）：勵磁電流控制、功率因數(shù)控制、無功功率控制。

四、主電機的轉(zhuǎn)子組成部分及工作運行過程

主電機從異步啟動到轉(zhuǎn)為同步運行的主要過程是，主電機CB（開關(guān)）合閘，開始步入異步啟動，8S（轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的98%及以上、啟動電流下降到120%及下）后，靜態(tài)勵磁柜開始投入勵磁，電動機轉(zhuǎn)入同步運行2s后開始接待負載，勵磁投入的方式為復(fù)合投勵，即計時投勵和滑差投勵的同時參與，起到互為補充的作用，從而滿足一次性投勵的成功。同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁電流是由直流勵磁交流發(fā)電機經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋來的，整流橋是由二極管堆構(gòu)成的三相橋式整流，絕緣澆筑在圓盤型旋轉(zhuǎn)體上，從直流母線沿電機大軸接引至電機的轉(zhuǎn)子繞組;電機剛啟動瞬間，此時的轉(zhuǎn)差率也很高，這樣在轉(zhuǎn)子勵磁繞組上將感應(yīng)較高的電壓，觸發(fā)直流母線間的可控硅導(dǎo)通，進而轉(zhuǎn)子勵磁繞組構(gòu)成回路為異步狀態(tài)構(gòu)成了穩(wěn)定過渡條件，隨著轉(zhuǎn)差率的下降，轉(zhuǎn)子勵磁繞組的感應(yīng)電壓也隨著下降，達到一定值時，在直流勵磁交流發(fā)電機產(chǎn)生電壓（靜態(tài)勵磁已投勵）的雙重作用下將會促使可控硅關(guān)斷，這樣同步電動機開始轉(zhuǎn)入同步運行。旋轉(zhuǎn)整流部分還設(shè)有轉(zhuǎn)子繞組滅磁、抗諧波干擾和轉(zhuǎn)子機械抖動的電子元件。

參考文獻：

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2.GB/T50062-2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》

3. 《現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用》第二版? 李基成編著