某廠高壓同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)淺析

摘 ? ?要：勵(lì)磁系統(tǒng)是高壓同步機(jī)的核心組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)性能的好壞直接影響到電機(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。本文主要分析高壓同步機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及運(yùn)行維護(hù)相關(guān)事宜。

關(guān)鍵詞：高壓同步機(jī);勵(lì)磁系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM341 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1004-7344（2019）03-0068-02

1 ?同步機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

（1）同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度是一致的，所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：過載能力強(qiáng)、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)速恒定以及轉(zhuǎn)矩受電源電壓影響小等。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁極對(duì)數(shù)、電源頻率之間滿足n=60f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率，所以當(dāng)電源頻率一定時(shí)，其轉(zhuǎn)速不變，是個(gè)恒定值，且與負(fù)載無關(guān)。

（2）勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)的核心組成部分。同步電機(jī)勵(lì)磁電源是指采用三相不可控整流橋?qū)⒔祲汉蟮慕涣麟娮優(yōu)槊}動(dòng)的直流，然后用濾波電容將其濾波為較平滑的直流電壓，根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的輸出電壓的變化，將所采集的反饋量與相應(yīng)的給定值比較后，執(zhí)行數(shù)字PID算法單片控制的通斷實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的脈沖電壓的一種電源。

（3）無刷勵(lì)磁是目前石油石化行業(yè)廣泛采用的勵(lì)磁技術(shù)，因取消了碳刷和滑環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)，杜絕了因碳刷和滑環(huán)接觸不良，碳刷長(zhǎng)期磨損而出現(xiàn)的各類故障，使得無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)維護(hù)量大大減小，像石油、化工、煤礦等行業(yè)應(yīng)用日趨廣泛，是同步電機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

2 ?無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)由靜態(tài)勵(lì)磁裝置和旋轉(zhuǎn)整流器兩部分組成。

（2）靜態(tài)勵(lì)磁裝置一般設(shè)置在變電所，為勵(lì)磁機(jī)提供直流勵(lì)磁電源，同時(shí)也對(duì)同步電機(jī)提供相應(yīng)的保護(hù)。完成勵(lì)磁系統(tǒng)的增減磁控制和報(bào)警功能。該勵(lì)磁系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制技術(shù)，具有遠(yuǎn)方通訊功能，以適應(yīng)無人值守的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。

（3）旋轉(zhuǎn)整流器由盤體、控制模塊、整流功率模塊、啟動(dòng)功率模塊和啟動(dòng)電阻構(gòu)成（圖1）。安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上?？刂颇K是整流器的核心部件，它來完成電機(jī)的啟動(dòng)。整流功率模塊屬于整流器件之一，包含于整流器當(dāng)中，整流交流電，從而將勵(lì)磁電源提供給轉(zhuǎn)子繞組。在對(duì)功率模塊啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)過程中要將啟動(dòng)電阻投入進(jìn)去，從而對(duì)電機(jī)中的異步驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行有效完善，確保電機(jī)啟動(dòng)的穩(wěn)定性。

3 ?勵(lì)磁系統(tǒng)的原理

3.1 ?無刷勵(lì)磁的原理

勵(lì)磁機(jī)的定子由靜態(tài)勵(lì)磁裝置供電，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸。旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出三相交流電，該三相交流電經(jīng)整流后供給同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生勵(lì)磁電流。調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)的定子的勵(lì)磁電流，就可改變同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流。這種由勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)電，整流器在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行整流供給同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的方式，即為無刷勵(lì)磁。

3.2 ?旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

（1）旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)由主回路和控制回路組成。

（2）主回路主要包括兩種電路，分別為啟動(dòng)回路和三相半控橋式電路，具體如圖3所示，其中整流電路主要由整流模塊構(gòu)成，數(shù)量為三個(gè)，具體如圖2所示，其主要涉及以下幾種工作模式，首先是截止?fàn)顟B(tài)，主要是電機(jī)在啟動(dòng)和異步再整步時(shí)出現(xiàn)，其次是投勵(lì)后變?yōu)檎鳡顩r，回路啟動(dòng)時(shí)由于啟動(dòng)誤開，導(dǎo)致啟動(dòng)回路出現(xiàn)關(guān)斷情況，以上幾種狀態(tài)模式能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的切換。

（3）在回路啟動(dòng)過程中，主要由兩部分組成，一種是啟動(dòng)電阻RF，另外一種是KQg旋轉(zhuǎn)功率模塊，但是主要由控制模塊來實(shí)施控制。在異步再整步和電氣啟動(dòng)時(shí)，KQg模塊通常保持導(dǎo)通狀態(tài)，電阻啟動(dòng)會(huì)與電機(jī)轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行連接，從而確保主電機(jī)能夠穩(wěn)定啟動(dòng)，在電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過程中，KQg模塊中的可控硅會(huì)實(shí)現(xiàn)一種關(guān)斷狀態(tài)，導(dǎo)致啟動(dòng)電阻RF退出回路，從而防止其出現(xiàn)發(fā)熱和發(fā)電情況，如果轉(zhuǎn)子回路發(fā)生過電壓情況，則其峰值超過KQg導(dǎo)通高定值時(shí)，啟動(dòng)電阻重新接入電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，通過電阻吸收過電壓。在旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)中，啟動(dòng)電阻、整流功率模塊及啟動(dòng)模塊均安裝于旋轉(zhuǎn)整流盤上，便于維護(hù)檢修?？刂颇K控制三相半控整流電路的工作狀況，在電機(jī)啟動(dòng)和再整步過程中迅速、準(zhǔn)確捕捉到滑差，把握時(shí)機(jī)進(jìn)行投勵(lì)，使沖擊減到最小。

3.3 ?勵(lì)磁裝置工作原理

（1）主機(jī)系統(tǒng)：包括A＼B兩套微機(jī)系統(tǒng)，互為備用，可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。每套系統(tǒng)都有控制處理器，CPU主機(jī)板是勵(lì)磁系統(tǒng)的控制中心，它接受從電機(jī)定子側(cè)傳送過來的信息，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算及邏輯處理，產(chǎn)生結(jié)果控制勵(lì)磁電流輸出。

（2）勵(lì)磁系統(tǒng)的投勵(lì)控制：由靜態(tài)勵(lì)磁裝置和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)共同配合完成。靜態(tài)勵(lì)磁裝置投用后，主電機(jī)這時(shí)還未投勵(lì)。交流勵(lì)磁裝置投勵(lì)為旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制模塊提供了工作電源，旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)的滑差檢測(cè)和啟動(dòng)控制電路即投入工作。隨著主電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，滑差越來越小，當(dāng)滑差小于控制模塊的整定值（轉(zhuǎn)速不小于95%額定值）即到亞同步狀態(tài)時(shí)，控制模塊輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制回路可控硅導(dǎo)通，給主電機(jī)投入勵(lì)磁電流。

（3）同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)滅磁功能：在啟動(dòng)同步電機(jī)時(shí)，主要采用異步啟動(dòng)方式，其中存在的定子繞組會(huì)以旋轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生磁場(chǎng)，而旋轉(zhuǎn)場(chǎng)會(huì)切割轉(zhuǎn)子，使得交變電壓在轉(zhuǎn)子繞組中出現(xiàn)感應(yīng)，一旦回路放掉沒有進(jìn)行有效操作，則會(huì)導(dǎo)致人身安全和轉(zhuǎn)子繞組受到不同程度的傷害，所以，要積極應(yīng)用自動(dòng)滅磁，從而防止轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)被擊穿情況。

4 ?某廠勵(lì)磁裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 ?主要優(yōu)點(diǎn)

（1）供電可靠性較高：勵(lì)磁裝置主電源采用雙回路電源，雙電源來自不同變壓器所帶的母線段。雙路電源互為備用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，切換時(shí)間小于80ms。勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用交直流電源雙路供電，當(dāng)任一路電源消失時(shí)，另一路電源仍可保證本裝置正常工作。

（2）電路采用全數(shù)字化雙微機(jī)系統(tǒng)，一套工作，一套熱備用。故障時(shí)可自動(dòng)無擾動(dòng)切換至備用系統(tǒng)，也可手動(dòng)切換。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用漢化觸摸屏人機(jī)界面，觀察直觀，操作方便。可隨時(shí)查看及修改相關(guān)參數(shù)，事件記錄中記載先關(guān)故障信息，便于分析解決問題。

（3）生產(chǎn)使用過程中維護(hù)方便。因取消了滑環(huán)碳刷相關(guān)結(jié)構(gòu)部件，杜絕了碳刷打火、磨損等現(xiàn)象的出現(xiàn)，維護(hù)量大大減少?？刂苹芈凡捎萌喟肟貥蚴秸麟娐?，能滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行要求。微機(jī)插件故障時(shí)可在不停機(jī)，不減載的情況下更換故障部件，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

（4）勵(lì)磁系統(tǒng)具有旋轉(zhuǎn)整流器故障檢測(cè)功能，有較完善的保護(hù)功能。

（5）欠勵(lì)、過勵(lì)時(shí)報(bào)警并自動(dòng)調(diào)節(jié)至正常功能。

4.2 ?缺 點(diǎn)

（1）同步電機(jī)在應(yīng)用時(shí)，難以進(jìn)行直接性的滅磁，因此需要利用回路方式實(shí)施滅磁，但是周期比較長(zhǎng)。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓與電流在測(cè)量過程中不能直接實(shí)施。

（3）旋轉(zhuǎn)電器元件安裝在轉(zhuǎn)子上，要能承受較大的離心力。

（4）故障檢測(cè)及報(bào)警技術(shù)有待在生產(chǎn)實(shí)踐中考量。

5 ?勵(lì)磁系統(tǒng)的維護(hù)

勵(lì)磁系統(tǒng)的維護(hù)分靜態(tài)勵(lì)磁柜和旋轉(zhuǎn)整流部分兩部分進(jìn)行，均需結(jié)合機(jī)組的大中修進(jìn)行必要的檢查和處理。

（1）靜態(tài)勵(lì)磁裝置的維護(hù)：由于采用全數(shù)字控制技術(shù)，維護(hù)工作相對(duì)簡(jiǎn)單，一般結(jié)合機(jī)組的檢修進(jìn)行相應(yīng)的檢查和處理。主要內(nèi)容包括：清掃勵(lì)磁柜內(nèi)部元器件灰塵，對(duì)電氣接線端子、連接處進(jìn)行緊固，重點(diǎn)檢查繼電器、接觸器及CPU控制板有無明顯的腐蝕銹蝕現(xiàn)象，及時(shí)處理或更換。

（2）旋轉(zhuǎn)整流器的維護(hù)：對(duì)快速熔斷器、啟動(dòng)電阻、各功率模塊進(jìn)行檢查測(cè)試，檢查傳感器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否正常。電器元器件進(jìn)行除塵和清掃，各接線端子進(jìn)行緊固。啟動(dòng)電阻應(yīng)根據(jù)廠方技術(shù)要求定期進(jìn)行更換，保證其正常工作。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

以上簡(jiǎn)單分析了某廠微機(jī)勵(lì)磁裝置的相關(guān)知識(shí)。同步電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，不可避免的會(huì)受到各種干擾，可能造成同步機(jī)失去同步或者設(shè)備不同程度的受損。勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能正確識(shí)別故障類型，進(jìn)行相應(yīng)地報(bào)警或者跳閘處理。電動(dòng)機(jī)在短暫失步的情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能可靠再整步，以保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行。勵(lì)磁系統(tǒng)的事故處理能力以及再整步的性能是否可靠，能否滿足生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際需求，有待在后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行考證，也是我們?cè)谝院蠊ぷ髦行桕P(guān)注的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]《無刷同步電動(dòng)機(jī)智能全數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)的研究》.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程研究院.

收稿日期：2018-12-13

作者簡(jiǎn)介：邢小彥，維修保運(yùn)部，電氣工程師。