同步電動(dòng)機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)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(dòng)機(jī)，額定電壓10KV 、額定功率2.1MW、額定電流1264A、同步轉(zhuǎn)速200r/min、轉(zhuǎn)向（DE）UVW→、功率因數(shù)0.98、絕緣等級(jí)F、安裝方式IM7115、冷卻方式IC81W7、防爆級(jí)別Ⅱ2GExpxⅡBT4（歐洲標(biāo)示法）、機(jī)身重153000Kg等其它技術(shù)數(shù)據(jù)。保護(hù)配置有縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、差速保護(hù)、電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)、啟動(dòng)超長保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、同步電動(dòng)機(jī)的失磁保護(hù)、同步電動(dòng)機(jī)的失步保護(hù)（低電流閉鎖）、單相接地保護(hù)、低電壓保護(hù)等。根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓╇娤到y(tǒng)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)論證分析，電動(dòng)機(jī)采用的是直接啟動(dòng)方式;實(shí)測(cè)母線壓降情況為，電機(jī)側(cè)區(qū)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(duì)本區(qū)域變電所其它用電設(shè)備產(chǎn)生影響，也沒有對(duì)其它裝置供配電設(shè)備、用電設(shè)備構(gòu)成任何影響。在多年的運(yùn)行觀察和比較分析后，現(xiàn)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和緊密相關(guān)聯(lián)鎖聯(lián)動(dòng)作粗淺分析，以便技術(shù)交流中以饗讀者。

一、同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理

同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)基本相同，定子也是由基機(jī)座、鐵芯、定子繞組和端蓋等部件組成;轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組、阻尼繞組、旋轉(zhuǎn)整流部分、直流勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。阻尼繞組與感應(yīng)電機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)相似，在同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)建立異步狀態(tài);在轉(zhuǎn)入同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，會(huì)起到抑制轉(zhuǎn)速振蕩的作用。

同步電動(dòng)機(jī)的工作原理是指對(duì)稱的三相定子繞組通入對(duì)稱三相正弦交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流電產(chǎn)生與定子極數(shù)相同的恒定磁場(chǎng)。同步電動(dòng)機(jī)就是靠定、轉(zhuǎn)子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)的;同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負(fù)載的大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速，且其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)。因此在恒速負(fù)載及需要改善功率因數(shù)的場(chǎng)合，常常優(yōu)先選用同步電動(dòng)機(jī)。

二、勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)及工作基本特性

我們公司的同步電動(dòng)機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有主電機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流、靜態(tài)勵(lì)磁等四部分構(gòu)成。靜態(tài)勵(lì)磁即勵(lì)磁柜是采用Siemens AG，是勵(lì)磁系統(tǒng)的核心部件，關(guān)系到同步電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。我們知道同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特性和V形曲線，為了使同步電動(dòng)機(jī)的工作特性體現(xiàn)出“硬”的機(jī)械特性，電機(jī)空載時(shí)，電樞電流較小，隨著負(fù)載的增加輸出功率也再增加，電磁轉(zhuǎn)矩將正比增大，電樞電流也隨之增大。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)“阻性”時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)等于1，該勵(lì)磁就稱為“正常勵(lì)磁”;不同勵(lì)磁下的同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)是不同的，若保持勵(lì)磁電流不變，隨著負(fù)載的增加，功率因數(shù)將從1逐步下降而變?yōu)闇螅糨p載時(shí)功率因數(shù)將變成超前。同理可見，在負(fù)載不變的前提下改變勵(lì)磁電流，總可使電動(dòng)機(jī)在任一特定負(fù)載下的功率因數(shù)達(dá)到1，甚至變?yōu)槌?，增加?lì)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)等于1時(shí)，該勵(lì)磁就稱為正勵(lì)，此時(shí)的電樞電流全部為有功電流，其值為最小;若增大勵(lì)磁，電機(jī)反應(yīng)的激磁電動(dòng)勢(shì)將增加，電機(jī)便處于過勵(lì)狀態(tài)，此時(shí)電樞電流將成為超前，向系統(tǒng)輸出感性無功即+Q（可在一定的功率因數(shù)值下設(shè)為超前狀態(tài)下的定值），其值較正常勵(lì)磁時(shí)大;反之，在正勵(lì)狀態(tài)下若減小勵(lì)磁，將會(huì)使激磁電動(dòng)勢(shì)減小，電機(jī)便處于欠勵(lì)狀態(tài)，此時(shí)的電樞電流將成為滯后，吸收系統(tǒng)感性無功-Q（可設(shè)為滯后狀態(tài)下的定值，超過設(shè)定時(shí)應(yīng)啟動(dòng)失步保護(hù)），其值也比正常勵(lì)磁大，這樣經(jīng)過數(shù)學(xué)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(cè)是滯后狀態(tài)，此時(shí)電樞電流隨著勵(lì)磁電流增加而降低，而在在V字溝的右側(cè)是超前狀態(tài)，此時(shí)電樞電流隨著勵(lì)磁電流增加而升高，從而說明它能夠形象的放應(yīng)出電樞電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系。

三、靜態(tài)勵(lì)磁的作用及工作特點(diǎn)

那么調(diào)整同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流大小的工作是有外部靜態(tài)勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流與靜態(tài)勵(lì)磁電流大小基本上成正比例關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)在（例如）恒定的功率因數(shù)下跟蹤電樞電流來調(diào)節(jié)靜態(tài)勵(lì)磁電流大小的功能就是由靜態(tài)勵(lì)磁柜來實(shí)現(xiàn)的。我們采用的靜態(tài)勵(lì)磁是Siemens AG，靜態(tài)勵(lì)磁的輸出額定電壓是104VDC、輸出額定電流8.5A，其它勵(lì)磁參數(shù)設(shè)置如下：

另外，靜態(tài)勵(lì)磁柜還有控制和保護(hù)功能，控制功能主要體現(xiàn)在：開機(jī)前勵(lì)磁系統(tǒng)的上電自檢，主要是檢查勵(lì)磁回路的完好性，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止，主回路與勵(lì)磁調(diào)節(jié)的聯(lián)動(dòng)，緊急勵(lì)磁的動(dòng)作和人為復(fù)歸等，保護(hù)功能主要體現(xiàn)在：失步保護(hù)（失壓失步保護(hù)、失磁失步保護(hù)、失速保護(hù)）。靜態(tài)勵(lì)磁柜還起到連接DCS和MBL（中壓開關(guān)柜）信號(hào)的作用，收集DCS、MBL的信號(hào)參與靜態(tài)勵(lì)磁柜內(nèi)自身PLC邏輯，為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和安全穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)，往來信號(hào)如下表：

另外，靜態(tài)勵(lì)磁柜還設(shè)有人機(jī)界面觸摸屏，擁有豐富的操作菜單，主要為，概覽：主接線、信號(hào)燈、勵(lì)磁控制方式、在線測(cè)量、日期時(shí)間、事件信息、菜單結(jié)構(gòu);統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（開機(jī)前和停機(jī)后均要檢查）：溫度報(bào)告、等待啟動(dòng)時(shí)間、電機(jī)狀態(tài)、最后的啟動(dòng)/停車用時(shí)、電量統(tǒng)計(jì);控制（勵(lì)磁控制模式選擇）：勵(lì)磁電流控制、功率因數(shù)控制、無功功率控制。

四、主電機(jī)的轉(zhuǎn)子組成部分及工作運(yùn)行過程

主電機(jī)從異步啟動(dòng)到轉(zhuǎn)為同步運(yùn)行的主要過程是，主電機(jī)CB（開關(guān)）合閘，開始步入異步啟動(dòng)，8S（轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的98%及以上、啟動(dòng)電流下降到120%及下）后，靜態(tài)勵(lì)磁柜開始投入勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入同步運(yùn)行2s后開始接待負(fù)載，勵(lì)磁投入的方式為復(fù)合投勵(lì)，即計(jì)時(shí)投勵(lì)和滑差投勵(lì)的同時(shí)參與，起到互為補(bǔ)充的作用，從而滿足一次性投勵(lì)的成功。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流是由直流勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋來的，整流橋是由二極管堆構(gòu)成的三相橋式整流，絕緣澆筑在圓盤型旋轉(zhuǎn)體上，從直流母線沿電機(jī)大軸接引至電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組;電機(jī)剛啟動(dòng)瞬間，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率也很高，這樣在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上將感應(yīng)較高的電壓，觸發(fā)直流母線間的可控硅導(dǎo)通，進(jìn)而轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組構(gòu)成回路為異步狀態(tài)構(gòu)成了穩(wěn)定過渡條件，隨著轉(zhuǎn)差率的下降，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的感應(yīng)電壓也隨著下降，達(dá)到一定值時(shí)，在直流勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電壓（靜態(tài)勵(lì)磁已投勵(lì)）的雙重作用下將會(huì)促使可控硅關(guān)斷，這樣同步電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)入同步運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)整流部分還設(shè)有轉(zhuǎn)子繞組滅磁、抗諧波干擾和轉(zhuǎn)子機(jī)械抖動(dòng)的電子元件。

參考文獻(xiàn)：

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2.GB/T50062-2008《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》

3. 《現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用》第二版? 李基成編著