淺談無刷勵磁同步電動機在選礦廠應用分析

胡志祥

（云南華聯鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

社會經濟在不斷發展與進步，根據同步電機的勵磁方式不同，將其分為有刷同步電機與無刷同步電機。無刷勵磁的優點是：結構緊湊，運行可靠等。當前大型的進口同步電機勵磁和調節控制系統都比較復雜。國內工礦企業多選擇無刷勵磁控制系統，當前同步電機的運用廣泛，已成為國內大型軟啟動廠家的助攻方向。云南華聯鋅銦股份有限公司新田選礦車間共有4臺球磨機分別應用在四個工段，每個工段由一臺球磨機來實現礦物的解離，其中一段磨機（半自磨機）由TMW2600-30/2860型同步電動機帶動磨機筒體運轉，二段磨機（溢流磨機）TMW3500-30/2860型同步電動機帶動磨機筒體旋轉。三段磨機（中礦磨）由TDMK630-30同步電機帶動磨機筒體運轉，四段磨（次精礦磨機）采用YRKK500-6型異步10kV電機拖動。同步電機在重負荷低轉速要求的選礦廠應用較好。

1 同步電動機的簡介與工作原理

常用的交流電機分為感應電機和同步電機，其特點是：當同步電機處于穩態運行時，n=ns=60f/p是轉子的轉速和電網頻率之間存在的關系式，同步轉速表示為ns。如果電網的頻率不改變，則當同步電機處于穩態運行時，同步電機的轉速恒為常數，并且與負載的大小無關，同步電機又被分為兩類：同步電動機與同步發電機[1，2]。

三相同步電動機定子與異步機定子結構基本相同，而轉子主要由主磁極、勵磁繞組、磁軛、集電環、轉軸等裝置組成，所以也適用于異步啟動。凸極式同步電機因其轉子上有明顯突出的磁極，氣隙不均勻，極弧下氣隙小，極間部分氣隙大，轉子呈扁平的盤裝，故適應于低速運轉[3-5]。

2 同步電動機的運行控制方式

正常情況下同步電機的主要運行方式分為三種：作為補償機、發電機和電動機運行，現在新田車間球磨機是10kV電源直接驅動點機恒速運行的電動機運行方式。對恒速運行，通過PLC控制柜，也可通過DCS（車間規定：一、二段磨由中控室操作員用DCS系統啟、停操作），甚至在緊急情況下手動操作斷路器，電機將在10kV母線上直接起動。當直接起動斷路器閉合后，勵磁控制裝置將在預先設定的時間內自動施加勵磁，將電機牽入同步。電機達到同步后，通過嚙合離合器來起動磨機。通過斷開離合器來使磨機停止，但電機將繼續運行以備磨機下次被起動。通過斷開恒速斷路器，使電機單獨停轉。通過同時立即斷開恒速斷路器和打開離合器來實現緊急停車，磨機將在沒有電機慣性下較快停止。如果保持離合器斷開，電機將由于摩擦力慢慢停止。

車間同步電動機采用WKLF-400系列微機控制同步電動機勵磁系統，Excitrol-400型勵磁調節器是同步電動機的核心控制單元，WKLF-402被視為該系列的標準型產品型號，將給該系統配置雙套Excitrol-400勵磁調節器，這樣一來，就具有雙套調節器自動跟蹤功能，還有故障自動切換的功能。在新田使用過程中選配的是雙套功率單元，主通道功率單元故障能自動切換至備用通道。

同步電動機還有一個重要的功能就是無功補償，提高電網的功率因數。所以，當正常勵磁電流小于直流勵磁電流時，電流勵磁過剩，在交流方面不需要電源去供電，向電網發出點感性電流，同時發出電感性無功功率，補償了電網附近電感性負載的需要。這就使整個電網的功率因數有所提高，為此新田車間的10kV級補償功率因數均保持在0.9以上。

圖1 功率特性圖

3 同步電動機勵磁裝置常見失步的危害

3.1 同步電機的失勵失步

由于勵磁系統的種種原因失去勵磁或嚴重欠勵磁，使同步電動機失去靜態穩定，滑出同步，稱為失勵失步。（如圖）

同步電機失勵失步的現象：

（1）同步電機丟轉不明顯，沒有異常聲音。其定子過流較小。

（2）同步電機有時表計顯示很大的電流值 。

（3）同步電機產生高壓，并且造成勵磁裝置主回路元件的損壞。

同步電機失勵失步造成的后果不容易及時的被發現，因未得到及時處理成為電機內部短路故障，從而燒毀電機，并且還能夠引起勵磁裝置中的滅磁電阻過熱而燒斷，致使轉子開路，過電壓打壞轉子絕緣燒毀電機等。

3.2 同步電機的帶勵失步

電機帶有正常或接近正常的直流勵磁，而轉子磁場卻不同步的開步運行狀態；稱為帶勵失步。引起因素;

（1）相鄰母線短路引起母線電壓大幅度降低，近處大型機組或機組群瞬間啟動引起母線電壓長時間大幅度的降低。

（2）在電機的啟動過程中，如果勵磁系統過早投入勵磁，即：電機在啟動過程中滑差沒有進入臨界時就投入勵磁，此時由定子產生的磁場還不足以拉動轉子磁極，反而會產生失步。

（3）在電機的運行中電機短時間內欠勵磁或失勵磁都將會引起失勵失步，又會從失勵失步過度到帶勵失步。

（4）當供電線路遭受雷擊避雷器動作、負載突曾等。

帶勵失步對電機的傷害主要有：定子脈震會導致定子繞組的導線崩斷，導線崩斷使繞組表面絕緣層被震傷，因為過熱造成烤焦、燒壞、短路、定子鐵芯松動，因此運行中的噪音不斷增大。另外還會使轉子勵磁繞組接頭處產生裂紋、開焊、局部過熱烤焦絕緣，轉子磁極的燕尾鑲松動退出。轉子線圈絕緣損傷，風葉斷裂。

3.3 斷電失步

供電系統出現故障，將會引起供電線路自動重合閘ZCH裝置，或者備用電源投入BZT裝置動作，人工切換電源等，導致同步電機的供電電源短暫中斷，從而造成失步現象。這種現象被稱為：斷電失步。

同步電機一般都是超前運行的模式，電源突然中斷，在短時間里，母線的電壓成螺旋型變化，電網內的電壓頻率，隨著同步電機的轉速下降逐漸降低，可控硅的開通角度隨之增大，導致了勵磁電壓的提高，因此母線電壓幅值相應提高。

4 結語

新田車間三臺同步電機采用WKLF-400系列微機控制同步電動機勵磁系統，具有完善可靠的帶勵失步、失勵失步保護裝置，保證電機在發生帶勵失步時，快速動作，保護電動機。使電機免受損傷，在電機失步后，可根據現場工況選擇跳閘停機，或不停機帶載自動再整步，當采用不停機帶載自動再整步數秒鐘，不損傷電機，不必減負載，并設有備用保護環節，以保證電動的安全運行。同步電機運行三年來未產生失步故障，同步電機應用良好。