淺談無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究

郝佳 郭建峰

(包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司,內(nèi)蒙古包頭 014080)

淺談無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究

郝佳 郭建峰

(包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司,內(nèi)蒙古包頭 014080)

隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展,機(jī)電設(shè)備越來(lái)越趨向大型化、自動(dòng)化、復(fù)雜化、生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化,由機(jī)電設(shè)備群體組成的系統(tǒng)一旦失效,就會(huì)對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量造成極大的威脅。特別是在特大型企業(yè),大型同步電動(dòng)機(jī)擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)的重任,其一旦停機(jī)或故障,將嚴(yán)重影響連續(xù)生產(chǎn),特別嚴(yán)重的電機(jī)設(shè)備事故將導(dǎo)致停產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng),造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的嚴(yán)重?fù)p失,而長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)生同步電動(dòng)機(jī)及其勵(lì)磁裝置損壞事故卻屢見(jiàn)不鮮。

同步電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁裝置

我廠主廠房有12臺(tái)球磨機(jī)分四個(gè)系列，每個(gè)系列由一二三段共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)磨礦過(guò)程，其中一二段磨機(jī)由TMW2600-30/2860型同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)磨機(jī)筒體運(yùn)轉(zhuǎn)，三段磨機(jī)由TMW1750-30/2860型同步機(jī)帶動(dòng)磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)由于其具有一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、單機(jī)容量大、能向電網(wǎng)發(fā)送無(wú)功功率，支持電網(wǎng)電壓，在我廠應(yīng)用較好。同步電動(dòng)機(jī)在其負(fù)載過(guò)重時(shí)易造成失步，本文還介紹了同步電動(dòng)機(jī)失步的危害及其保護(hù)。

1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

我廠因?yàn)樨?fù)荷較大，轉(zhuǎn)子要求有較大的飛輪矩，以防止電動(dòng)機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高，所以轉(zhuǎn)速不宜過(guò)大，故采用了凸極式同步電機(jī)。凸極式同步電機(jī)因其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子呈扁平的盤(pán)裝，故適應(yīng)于低速運(yùn)轉(zhuǎn)。

三相同步電動(dòng)機(jī)定子與異步機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，而轉(zhuǎn)子主要由主磁極、勵(lì)磁繞組、磁軛、集電環(huán)、轉(zhuǎn)軸、電刷等裝置組成，所以也適用于異步啟動(dòng)。我廠同步機(jī)就采用異步起動(dòng)法啟動(dòng)，起動(dòng)時(shí)在其對(duì)稱(chēng)的三相定子繞組通入對(duì)稱(chēng)三相正弦交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電產(chǎn)生與定子極數(shù)相同的恒定磁場(chǎng)。同步電機(jī)就是靠定轉(zhuǎn)子之間的異性磁極的吸引力由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在理想空載的情況下，定轉(zhuǎn)子磁極軸線重合。帶上負(fù)載時(shí)，氣隙間的磁感線被拉長(zhǎng)，使定子磁極超前轉(zhuǎn)子磁極一個(gè)Q角，這個(gè)角稱(chēng)為功角。在一定范圍內(nèi)，Q角越大，磁感線拉的越長(zhǎng)，電磁轉(zhuǎn)矩就越大。

圖1 功角特性圖

2 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制方式

我廠球磨機(jī)只能有10kv電源直接驅(qū)動(dòng)點(diǎn)機(jī)恒速運(yùn)行。對(duì)恒速運(yùn)行，通過(guò)PLC控制柜，也可通過(guò)DCS，甚至在緊急情況下手動(dòng)操作斷路器，電機(jī)將在10kV母線上直接起動(dòng)。當(dāng)直接起動(dòng)斷路器閉合后，AC/AC勵(lì)磁控制器將在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)施加勵(lì)磁，將電機(jī)牽入同步。電機(jī)達(dá)到同步后，通過(guò)嚙合離合器來(lái)起動(dòng)磨機(jī)。通過(guò)斷開(kāi)離合器來(lái)使磨機(jī)停止，但電機(jī)將繼續(xù)運(yùn)行以備磨機(jī)下次被起動(dòng)。通過(guò)斷開(kāi)恒速斷路器，使電機(jī)單獨(dú)停轉(zhuǎn)。通過(guò)同時(shí)立即斷開(kāi)恒速斷路器和打開(kāi)離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)緊急停車(chē)。磨機(jī)將在沒(méi)有電機(jī)慣性下較快停止(如果保持離合器斷開(kāi))，電機(jī)將由于摩擦力慢慢停止。

此同步電動(dòng)機(jī)采用WKLF-400系列微機(jī)控制同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其核心控制單元為Excitrol-400型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該系列的標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品型號(hào)為WKLF-402，配置雙套Excitrol-400勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，具有雙套調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤和故障自動(dòng)切換的功能。在我廠使用過(guò)程中選配的是雙套功率單元，主通道功率單元故障能自動(dòng)切換至備用通道。勵(lì)磁機(jī)采用準(zhǔn)角投勵(lì)，所謂準(zhǔn)角投勵(lì)，指電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入臨界滑差(即所謂的“亞同步”)，按照電機(jī)投勵(lì)瞬間在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相吸引力最大。在準(zhǔn)角時(shí)投入強(qiáng)勵(lì)，使吸力加大，這樣電機(jī)進(jìn)入同步輕松、快速、平滑、無(wú)沖擊。

圖2 功角特性

同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)重要的功能就是無(wú)功補(bǔ)償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。當(dāng)直流勵(lì)磁電流大于正常勵(lì)磁電流時(shí)，電流勵(lì)磁過(guò)剩，在交流方面不僅無(wú)需電源供電，而且還可以向電網(wǎng)發(fā)出點(diǎn)感性電流與電感性無(wú)功功率，正好補(bǔ)償了電網(wǎng)附近電感性負(fù)載的需要.使整個(gè)電網(wǎng)的功率因數(shù)提高，為此我廠的功率因數(shù)均設(shè)置在0.9以上。

3 同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置的常見(jiàn)失步的危害

3.1 失勵(lì)失步

由于勵(lì)磁系統(tǒng)的種種原因失去勵(lì)磁或嚴(yán)重欠勵(lì)磁，使同步電動(dòng)機(jī)失去靜態(tài)穩(wěn)定，滑出同步，稱(chēng)為失勵(lì)失步。(如圖1)

失勵(lì)失步的現(xiàn)象：

(1)電機(jī)丟轉(zhuǎn)不明顯，電機(jī)無(wú)異常聲音；

(2)定子過(guò)流不大；

(3)表計(jì)顯示很大的電流值；

(4)滅磁電阻會(huì)燒紅；

(5)產(chǎn)生高壓，造成勵(lì)磁裝置主回路元件損壞；

失勵(lì)失步造成的后果是：不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的處于失勵(lì)失步的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致啟動(dòng)繞組過(guò)熱，變形，開(kāi)焊；甚至波及到定子繞組端部，并進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大成為電機(jī)內(nèi)部短路故障而燒壞電機(jī)；還有可能引起勵(lì)磁裝置中的滅磁電阻過(guò)熱燒斷，造成轉(zhuǎn)子開(kāi)路，由過(guò)電壓打壞轉(zhuǎn)子絕緣，燒壞電機(jī)。

3.2 帶勵(lì)失步

電機(jī)帶有正?；蚪咏５闹绷鲃?lì)磁，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)卻不同步的異步運(yùn)行狀態(tài)，稱(chēng)為帶勵(lì)失步。

導(dǎo)致帶勵(lì)失步的原因是：

(1)相鄰母線短路，引起母線電壓大幅度降低；近處大型機(jī)組或機(jī)組群瞬間啟動(dòng)引起母線電壓長(zhǎng)時(shí)間，較大幅度的降低見(jiàn)功角特性圖；

(2)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)早投勵(lì)，即電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中滑差沒(méi)有進(jìn)入臨界時(shí)就投入勵(lì)磁，此時(shí)由定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)還不足以拉動(dòng)轉(zhuǎn)子磁極，反而會(huì)產(chǎn)生失步。

(3)運(yùn)行中，電機(jī)短時(shí)間欠勵(lì)磁或失勵(lì)磁(如接插件接觸不良)引起失勵(lì)失步，從失勵(lì)失步過(guò)渡到帶勵(lì)失步；

(4)以及由于供電線路遭受雷擊，避雷器動(dòng)作；負(fù)載突增(如壓縮機(jī)憋壓，軋鋼機(jī)咬冷鋼)等原因所引起。(如圖2)

當(dāng)U大幅度降低或負(fù)載突增，造成電機(jī)失步。

帶勵(lì)失步對(duì)電機(jī)的損傷主要表現(xiàn)在：

(1)定子：脈震會(huì)使定子繞組導(dǎo)線崩斷，導(dǎo)線變酥，線圈表面絕緣層被振傷(線圈里面呈不均勻的鋸齒狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因絕緣損壞而造成定子鐵芯擊穿而新線圈表面是平的)，并逐步由過(guò)熱而烤焦、燒壞，甚至發(fā)展成短路；定子鐵芯松動(dòng)，運(yùn)行中噪音增大；

(2)轉(zhuǎn)子：還會(huì)使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接頭處產(chǎn)生裂紋、開(kāi)焊、局部過(guò)熱烤焦絕緣，轉(zhuǎn)子磁級(jí)的燕尾鍥松動(dòng)、退出；轉(zhuǎn)子線圈絕緣損傷；電刷滑環(huán)松動(dòng)；風(fēng)葉斷裂。

3.3 斷電失步

供電系統(tǒng)故障，引起供電線路自動(dòng)重合閘ZCH裝置或備用電源投入BZT裝置動(dòng)作，以及人工切換電源等，使同步電動(dòng)機(jī)的供電電源短暫中斷而導(dǎo)致失步稱(chēng)為斷電失步。(如圖3)

同步電動(dòng)機(jī)通常是超前運(yùn)行的，在電源突然中斷后的短時(shí)間內(nèi)，母線電壓是成螺旋型變化的；電網(wǎng)電壓的頻率隨同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的下降而逐漸降低。可控硅的開(kāi)通角度也相應(yīng)增大，從而使勵(lì)磁電壓提高，也因而母線電壓幅值進(jìn)一步提高。

新型勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有完善可靠的帶勵(lì)失步、失勵(lì)失步保護(hù)系統(tǒng)，保證電機(jī)在發(fā)生帶勵(lì)失步和失勵(lì)失步時(shí)，快速動(dòng)作，保護(hù)電機(jī)，使電機(jī)免受損傷。在電機(jī)失步后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況選擇跳閘停機(jī)或不停機(jī)帶載自動(dòng)再整步。當(dāng)采用不停機(jī)帶載自動(dòng)再整步方式時(shí)，整個(gè)過(guò)程平滑、快速、(僅需數(shù)秒鐘)，不損傷電機(jī)，不必減負(fù)載，并設(shè)有后備保護(hù)環(huán)節(jié)，以保證電機(jī)的安全運(yùn)行。

[1]同步電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)的應(yīng)用.

[2]王明群.勵(lì)磁裝置在無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2011年15期.

As the development of modern production, mechanical and electrical equipment are becoming more and more large-scale,automation,complication, continuous production process,a system of mechanical and electrical equipment group once the failure,can to enterprise's safety production and product quality caused great threat.Especially in super large enterprises,large synchronous motor shoulders on the responsibility of the production, once the outage or failure,will seriously affect the continuous production,special equipment accident will lead to a serious motor shutdown time,causing serious losses,the economic benefits of the enterprises and for a long time and its excitation device of synchronous motor damage accidents are not uncommon.

synchronous motor excitation device

郝佳(1987—),女,內(nèi)蒙古巴彥淖爾市,助理工程師,學(xué)士學(xué)位(本科),主要從事電氣技術(shù)管理。郭建峰(1986—),男,內(nèi)蒙古包頭市,技術(shù)員,專(zhuān)科,主要從事電氣自動(dòng)化點(diǎn)檢。