大型直流無刷勵磁同步電動機

倪 鋒

（林德工程＜杭州＞有限公司工程中心電氣組，浙江 杭州 310000）

1 同步機的工作原理簡述

同步電動機屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。正由于這樣，同步電動機的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機是一個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)的。

當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內(nèi)就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動機旋轉(zhuǎn)起來。電動機旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 （如98%），此時轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)由直流電源激勵，使轉(zhuǎn)子上形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步為止。

2 同步機的結(jié)構(gòu)

同步電動機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無刷勵磁同步電動機結(jié)構(gòu)示意圖

圖1清楚的顯示了無刷勵磁部分與主機的轉(zhuǎn)子是同軸連接的。此電機采用封閉空氣內(nèi)循環(huán)加水冷的冷卻方式：在主機的兩側(cè)各有一個同軸風扇，當同步機轉(zhuǎn)動時，機殼內(nèi)兩端的較冷空氣會向電樞中心運動，吸收電樞的熱量并把熱量帶給電機頂部的水冷卻器。同步機的主體很傳統(tǒng)，是六極凸極式繞線電機。兩端的軸承采用滑動軸瓦。這也是大型電動機常規(guī)的設(shè)計。

這種電動機特別的設(shè)計在于它的同軸旋轉(zhuǎn)勵磁子系統(tǒng)。這個子系統(tǒng)包括了一臺直流發(fā)電機，發(fā)電機的定子上有勵磁繞組，而轉(zhuǎn)子上是電樞繞組。當轉(zhuǎn)子隨同步主機一起旋轉(zhuǎn)時就感生出交流電。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組直接與整流回路相接。整流回路與轉(zhuǎn)子同軸固定，即與轉(zhuǎn)子相對靜止。如圖2所示，整流元件及其散熱片等由高強度螺栓牢固固定在轉(zhuǎn)子上。

3 勵磁—整流回路的工作原理

直流勵磁發(fā)電機的電路示意圖如圖3所示，它的結(jié)構(gòu)很簡單。其定子上是勵磁回路，由外置的直流電源供電。轉(zhuǎn)子是電樞部分。由圖4可見，其電樞分為6相，依次相差60°；并分為兩組，每組由相差120°的電樞繞組構(gòu)成。

圖2 整流器支架輪

圖3 直流勵磁發(fā)電機電路示意圖

圖4 勵磁發(fā)電機的電樞繞組相序圖

當同步機旋轉(zhuǎn)時，這個勵磁發(fā)電機電樞可以產(chǎn)生如上所述的六路交流電流，在理想情況下，波形是正弦的。把這樣的交流正弦波轉(zhuǎn)換為同步機所需的直流勵磁電流則由旋轉(zhuǎn)整流裝置實現(xiàn)。

這個裝置的第一部分是由12個大功率二極管和阻容回路構(gòu)成的整流部分，如圖5所示。

圖5 雙橋式阻容整流電路

圖6 旋轉(zhuǎn)整流裝置的“點火回路”

第二部分是所謂的“點火回路”。這部分回路是針對同步機特殊的起動方式而設(shè)計的，如圖6所示，包括起動限流電阻Rz和在點火模塊A1控制下的兩組晶閘管，電流經(jīng)過這部分電路就流入同步機的轉(zhuǎn)子，所以同步機的轉(zhuǎn)子也串連在這部分回路里。

4 同步機的空載起動

同步機空載起動時，首先是在沒有勵磁電流的狀態(tài)下異步起動。這段時間內(nèi)，同步機的定子通上50Hz交流電，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流，通過T1、T2和Rz構(gòu)成一個正向回路。通過Rz和二極管構(gòu)成一個反向回路。Rz的作用是增加起動時的轉(zhuǎn)子電阻，相當于大型異步機中的起動籠。

當同步機轉(zhuǎn)速增加到接近同步速，而起動電流也減小到某個設(shè)定值之下后，開始投勵過程。投勵的目的是將異步運行的同步機強行牽入同步，并保持其同步運行，這時需要的勵磁電流比較大。在確認投勵成功后可以把勵磁電流減小到合適的水平。投勵的具體過程是：外置的直流電源啟動，向直流勵磁發(fā)電機提供勵磁電流。此時發(fā)電機的轉(zhuǎn)子已經(jīng)隨同步機高速運行，立即感生出交流電動勢。這個電動勢被點火模塊A1探測到后，會立即停止導(dǎo)通T1、T2（即不再給出T1、T2的觸發(fā)信號，但T1、T2上仍有電流流過，仍然保持導(dǎo)通狀態(tài)），而給T3.1、T3.2以導(dǎo)通信號。在六相交流系統(tǒng)中，任一時刻總由某兩相可以通過整流橋輸出電流。此時輸出的電流經(jīng)過二極管和T1、T2串連回路形成閉合回路。在發(fā)電機的一個周波內(nèi)，當2W相為相對最大正半波時，T1會承受一個反向電壓而截止。電流經(jīng)T2回到整流橋負側(cè)橋臂上。再過1/6周期，1U相會取代2W相成為相對最大正半波，此時電流就不能再通過T1、T2，而只能通過同步機轉(zhuǎn)子和T3.1、T3.2并聯(lián)回路回到整流橋上。這時電流的方向不再由轉(zhuǎn)子的感生電勢來決定，而是固定的依照從（＋）到（－）的方向。T2上不再有電流流過，也截止。而晶閘管對T3.1，T3.2則一直導(dǎo)通。它們的作用是將起動電阻Rz從勵磁回路中切除。從這時起，同步機轉(zhuǎn)子上就有了直流勵磁電流。

投勵之后，電機被牽入同步速運行。其功率因數(shù)也會從起動時的感性變?yōu)槿菪浴?/p>

5 總結(jié)

本文介紹了從國外引進的一種大型無刷勵磁同步電動機，描述了電機結(jié)構(gòu)和無刷勵磁回路，特別詳細分析了旋轉(zhuǎn)整流裝置的工作原理和同步機空載起動的過程。這樣的電動機由于取消了電刷和滑環(huán)，大大減輕了維護的工作量。與采用機外整流箱的無刷電動機相比，其結(jié)構(gòu)更加簡單可靠，非常值得國內(nèi)電機廠家借鑒。