同步電動機及勵磁調節系統的運行解析

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、同步轉速200r/min、轉向（DE）UVW→、功率因數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等其它技術數據。保護配置有縱聯差動保護、差速保護、電動機的堵轉保護、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。根據當地的供電系統實際情況和設計論證分析，電動機采用的是直接啟動方式;實測母線壓降情況為，電機側區域變電所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%，既沒有對本區域變電所其它用電設備產生影響，也沒有對其它裝置供配電設備、用電設備構成任何影響。在多年的運行觀察和比較分析后，現對同步電動機及勵磁調節系統和緊密相關聯鎖聯動作粗淺分析，以便技術交流中以饗讀者。

一、同步電動機的結構、工作原理

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

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生旋轉磁場。轉子勵磁繞組通入直流電產生與定子極數相同的恒定磁場。同步電動機就是靠定、轉子異性磁極的吸引力由旋轉磁場帶動磁性轉子旋轉的;同步電動機的特點是，穩態運行時轉子轉速與負載的大小無關而始終保持為同步轉速，且其功率因數可以調節。因此在恒速負載及需要改善功率因數的場合，常常優先選用同步電動機。

二、勵磁調節系統及工作基本特性

我們公司的同步電動機及勵磁調節系統主要有主電機、電機轉子、旋轉整流、靜態勵磁等四部分構成。靜態勵磁即勵磁柜是采用Siemens AG，是勵磁系統的核心部件，關系到同步電動機的安全穩定運行。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“阻性”時，電動機的功率因數等于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是不同的，若保持勵磁電流不變，隨著負載的增加，功率因數將從1逐步下降而變為滯后，若輕載時功率因數將變成超前。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達到1，甚至變為超前，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，電機反應的激磁電動勢將增加，電機便處于過勵狀態，此時電樞電流將成為超前，向系統輸出感性無功即+Q（可在一定的功率因數值下設為超前狀態下的定值），其值較正常勵磁時大;反之，在正勵狀態下若減小勵磁，將會使激磁電動勢減小，電機便處于欠勵狀態，此時的電樞電流將成為滯后，吸收系統感性無功-Q（可設為滯后狀態下的定值，超過設定時應啟動失步保護），其值也比正常勵磁大，這樣經過數學處理，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字溝的左側是滯后狀態，此時電樞電流隨著勵磁電流增加而降低，而在在V字溝的右側是超前狀態，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出電樞電流與勵磁電流的關系。

三、靜態勵磁的作用及工作特點

那么調整同步電動機轉子勵磁電流大小的工作是有外部靜態勵磁實現的，轉子勵磁電流與靜態勵磁電流大小基本上成正比例關系，能夠實現在（例如）恒定的功率因數下跟蹤電樞電流來調節靜態勵磁電流大小的功能就是由靜態勵磁柜來實現的。我們采用的靜態勵磁是Siemens AG，靜態勵磁的輸出額定電壓是104VDC、輸出額定電流8.5A，其它勵磁參數設置如下：

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

另外，靜態勵磁柜還設有人機界面觸摸屏，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、菜單結構;統計數據（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、最后的啟動/停車用時、電量統計;控制（勵磁控制模式選擇）：勵磁電流控制、功率因數控制、無功功率控制。

四、主電機的轉子組成部分及工作運行過程

主電機從異步啟動到轉為同步運行的主要過程是，主電機CB（開關）合閘，開始步入異步啟動，8S（轉速達到同步轉速的98%及以上、啟動電流下降到120%及下）后，靜態勵磁柜開始投入勵磁，電動機轉入同步運行2s后開始接待負載，勵磁投入的方式為復合投勵，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。同步電動機轉子勵磁電流是由直流勵磁交流發電機經旋轉整流橋來的，整流橋是由二極管堆構成的三相橋式整流，絕緣澆筑在圓盤型旋轉體上，從直流母線沿電機大軸接引至電機的轉子繞組;電機剛啟動瞬間，此時的轉差率也很高，這樣在轉子勵磁繞組上將感應較高的電壓，觸發直流母線間的可控硅導通，進而轉子勵磁繞組構成回路為異步狀態構成了穩定過渡條件，隨著轉差率的下降，轉子勵磁繞組的感應電壓也隨著下降，達到一定值時，在直流勵磁交流發電機產生電壓（靜態勵磁已投勵）的雙重作用下將會促使可控硅關斷，這樣同步電動機開始轉入同步運行。旋轉整流部分還設有轉子繞組滅磁、抗諧波干擾和轉子機械抖動的電子元件。

參考文獻：

1.《電機學》第4版? 湯蘊璆編著

2.GB/T50062-2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》

3. 《現代同步發電機勵磁系統設計及應用》第二版? 李基成編著