同步電機勵磁的方式有哪些 同步電動機勵磁裝置的工作原理

　　有關(guān)同步電機的四種勵磁方式，包括直流發(fā)電機勵磁，交流發(fā)電機勵磁，晶閘管勵磁與三次諧波勵磁，同步電機不同勵磁方式的特點說明。

　　同步電機勵磁的方式

　　1、直流發(fā)電機勵磁

　　一臺較小的直流并勵發(fā)電機和同步電機裝在同一軸上，直流發(fā)電機發(fā)出的電供同步電機勵磁。

　　2、交流發(fā)電機勵磁

　　一臺較小的交流發(fā)電機和同步電機同軸，為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，發(fā)出的交流電經(jīng)整流后供給同步電機勵磁。

　　因整流裝置與電樞同軸，故勵磁電流可直接送到同步電機的勵磁繞組，從而省去集電環(huán)導(dǎo)電裝置，成為無刷勵磁。

　　3、晶閘管勵磁

　　將交流電用晶閘管整流后供同步電機勵磁。其輸出電壓調(diào)整方便。

　　4、三次諧波勵磁

　　在定子槽中，專門裝一套三次諧波繞組，切割氣隙滋場的三次諧波，產(chǎn)生3倍基頻的電動勢，整流后供同步電機勵磁。

　　利用三次諧波磁通，節(jié)約了能量，使效率提高，而且有自動穩(wěn)壓作用。

　　什么是電機勵磁方式

　　旋轉(zhuǎn)電機中產(chǎn)生磁場的方式。

　　現(xiàn)代電機大都以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，在電機中都需要有磁場。這個磁場可以由永久磁鐵產(chǎn)生，也可以利用電磁鐵在線圈中通電流來產(chǎn)生。

　　電機中專門為產(chǎn)生磁場而設(shè)置的線圈組稱為勵磁繞組。

　　由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁鐵建立的磁場比較弱，它主要用于小容量電機。

　　隨著新型永磁材料的出現(xiàn)，特別是高磁能積的稀土材料如稀土鈷、釹鐵硼的出現(xiàn)，容量達百千瓦級的永磁電機已開始研制。

　　同步電動機的勵磁方式

　　同步電動機的直流勵磁電流需要從外部提供，供給其勵磁電流的裝置稱為勵磁系統(tǒng)。獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。

　　按照所采用的整流裝置，勵磁系統(tǒng)可分為以下幾類。

　　1、直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

　　這是傳統(tǒng)的勵磁系統(tǒng)，由裝在同步電動機轉(zhuǎn)軸上的小型直流發(fā)電機供電。這種專供勵磁的直流發(fā)電機稱為勵磁機。

　　2、靜止整流器勵磁系統(tǒng)

　　這種勵磁方式是將同軸的交流勵磁機（小容量同步發(fā)電機）或者主發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)過靜止的整流裝置變換成直流電后，由集電環(huán)引入主發(fā)電機勵磁繞組供給所需的直流勵磁。

　　3、旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)

　　這種勵磁方式將同軸交流勵磁機做成旋轉(zhuǎn)電樞式，并將整流器裝置固定在此電樞上一起旋轉(zhuǎn)，組成了旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，將交流勵磁發(fā)電機輸出的交流電整流之后，直接供電給勵磁繞組。這樣可以完全省去集電環(huán)、電刷等滑動接觸裝置，成為無刷勵磁系統(tǒng)，該勵磁系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大容量發(fā)電機中。

　　同步電動機勵磁裝置的工作原理

　　1．滅磁電路

　　同步電動機啟動時勵磁繞組既不能開路，也不能短路。

　　開路將使勵磁繞組感應(yīng)過電壓．從而破壞其絕緣：短路將使勵磁繞組流過較大的電流。

　　為避免勵磁繞組在啟動時遭受較高電壓或較大電流的侵害，應(yīng)在啟動時使勵磁繞組串聯(lián)適當(dāng)阻值的滅磁電阻并形成閉合回路，這個閉合回路可使勵磁繞組的摩應(yīng)電壓不至于過高，流過的電流不至于過大。

　　同步電動機投入勵磁后．滅磁電阻自動退出．為了實現(xiàn)這一電路效果，在勵磁回路中加入了滅磁環(huán)節(jié)。具圖中v是勵磁電壓表，KP1和KP2是滅磁晶閘管（文字符號沿用勵磁裝置標注）。同步電動機通電啟動后至投入勵磁前的一段時間內(nèi)．勵磁裝置不向三相全控橋上的晶閘管發(fā)送觸發(fā)信號．三相全控橋的晶閘管處于阻斷狀態(tài)，無直流電輸出。

　　同步電動機啟動時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組感應(yīng)交變電壓，當(dāng)該感應(yīng)電壓在勵磁繞組B端為正的半個周期時，二極管D3導(dǎo)通，感應(yīng)電壓經(jīng)RF2、D3、RF1形成回路。

　　由于放電電阻RF1和RF2阻值較小，所以感應(yīng)電壓經(jīng)該回路放電后已經(jīng)很小，同樣由于放電電阻RF1和RF2的純在，勵磁繞組中的電流被限制在較安全的數(shù)值范圍以內(nèi)。當(dāng)感應(yīng)電壓在勵磁繞組A端為正（見下圖）的半個周期時，二極管D3截止。該半個周期剛開始時感應(yīng)電壓幅值較小，達不到晶閘管KPI和KP2的導(dǎo)通電壓，感應(yīng)電流通過電阻RF1、R1、R2、電位器RP1和電阻R3、R4、電位器RP2、電阻RF2等元件形成回路。

　　由于該回路電阻值較大，是轉(zhuǎn)子勵磁繞組直流電阻的數(shù)干倍，所以相當(dāng)于在開路狀態(tài)啟動，感應(yīng)電壓急劇上升．當(dāng)感應(yīng)電壓達到一定值后，穩(wěn)壓管DW1和DW2擊穿導(dǎo)通（擊穿DWl的是電位器RP1上的電壓降，之后經(jīng)二極管D1向晶閘管KP2提供觸發(fā)電流，晶閘管KP2隨之導(dǎo)通：穩(wěn)壓管DW2擊穿與晶閘管KP1導(dǎo)通的機理與此類似）．晶閘管KP2與KPI導(dǎo)通，勵磁繞組的感應(yīng)電壓經(jīng)過晶閘管KP2和KP1．與放電電阻RF1和RF2構(gòu)成一個阻值較小的放電回路放電。直到這半個周期結(jié)束時．晶閘管KP1和KP2由于電壓過零而自行關(guān)斷。

　　調(diào)整電位器RP1和RP2的阻值．實際上調(diào)整的就是勵磁繞組感應(yīng)電壓達到多大數(shù)值時讓晶閘管KP2和KPI導(dǎo)通。

　　注意調(diào)整時應(yīng)使兩只晶閘管盡可能同步導(dǎo)通。

　　下圖中的按鈕SB可用來檢測滅磁電路正常與否。檢測時，使勵磁裝置處在調(diào)試狀態(tài)．勵磁電壓、勵磁電流均應(yīng)為設(shè)定值，這時操作按鈕SB使其觸點閉合，電阻R5與R1、R2并聯(lián)．R6與R3。

　　R4并聯(lián)，由于R5和R6阻值較小，這就相對增加了電位器RP1和RP2上的電壓降，滅磁晶閘管更容易導(dǎo)通。所以此時勵磁電壓表指示回零：松開按鈕使之復(fù)位后，電壓表恢復(fù)正常值。

　　同步電動機在啟動過程中，轉(zhuǎn)子勵磁繞組經(jīng)滅磁后的電壓波形幅度已經(jīng)大幅度減小，并被限制在安全數(shù)值范圍內(nèi)。

　　穩(wěn)壓管DWI、DW2對晶閘管KP2和KP1起開關(guān)控制的作用，投入勵磁后，直流勵磁電壓在電位器RP1、RP2上的壓降低于穩(wěn)壓管DWI、DW2的擊穿電壓，穩(wěn)壓管不能導(dǎo)通，晶閘管KP2和KPI處于關(guān)閉狀態(tài)。

　　下圖中KPI和KP2的公共端與三相全控整流橋的C相相連，這條連接線叫做熄滅線．當(dāng)投入勵磁后KPI和KP2必須關(guān)閉．否則勵磁電路要為滅磁電阻提供電流。投入勵磁后．C相上連接的兩只整流晶閘管將會先后導(dǎo)通，必將使與之等效并聯(lián)的晶閘管KPI、KP2在一個電源周期時間內(nèi)被短路而截止，滅磁電阻自動退出電路。

　　以上描述的雙重措施可以保證勵磁裝置對同步電動機投入勵磁后滅磁電路及時退出工作狀態(tài)。

　　2．投全壓及投勵

　　同步電動機在降壓啟動過程中．電動機轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的90%時．給定子繞組投入全壓，即IOO%額定電壓：電動機轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的95%時（無論全壓啟動還是降壓啟動）．給轉(zhuǎn)子繞組投入勵磁電流，將轉(zhuǎn)速拉人同步。

　　同步電動機啟動時，勵磁繞組兩端感應(yīng)一個頻率由50Hz向OHz逐漸降低的正弦波電壓，該電壓頻率值與滑差值相對應(yīng)，如下圖中的上部波形所示。勵磁裝置將轉(zhuǎn)子感應(yīng)的上述正弦波電壓轉(zhuǎn)化為方波信號（如下圖中的下部波形所示）送給相關(guān)控制電路．控制電路檢測方波信號的脈寬，并由此判斷脈寬對應(yīng)的頻率以及同步電動機的轉(zhuǎn)速。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)速達到預(yù)設(shè)的投全壓值時（轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的90%時）．相應(yīng)繼電器觸點動作，控制投入全電壓；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到預(yù)設(shè)的投勵值（轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的95%時）且在方波上升沿時（確保順極性投勵）．開始向三相全控橋發(fā)送觸發(fā)脈沖信號．三相全控整流橋開始有整流輸出電壓．向勵磁繞組投入勵磁電流。

　　當(dāng)按滑差投全壓及投勵在設(shè)定的時間內(nèi)無法完成，控制電路將會發(fā)出強制投全壓及投勵的信號，稱作定時投全壓與投勵。一般設(shè)定投全壓的時間為3s，定時投勵的時間為Ss。

　　3．觸發(fā)電路

　　觸發(fā)電路通過調(diào)整加到晶閘管上的觸發(fā)信號的移相角來控制晶閘管的導(dǎo)通程度，亦即控制三相全控橋的整流輸出電壓，達到調(diào)節(jié)勵磁電壓和勵磁電流的目的。

　　下列情況之一的條件出現(xiàn)時．觸發(fā)信號的移相角應(yīng)該而且必須改變。觸發(fā)電路根據(jù)這些控制信息，迅速及時準確控制晶閘管的導(dǎo)通角，保證同步電動機持續(xù)穩(wěn)定地運行。

　　（l）用電位器或其他適當(dāng)方式調(diào)整給定的勵磁電壓和勵磁電流時：（2）同步電動機在啟動過程中轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的95%投勵時：（3）同步電動機定子繞組和勵磁裝置電源電任波動，通過相關(guān)控制電路穩(wěn)定勵磁時：（4）同步電動機定子繞組和勵磁裝置電源電壓降低到額定電壓80%啟動強勵時：（5）同步電動機整步過程中。

　　4．勵磁電流的給定、穩(wěn)定調(diào)節(jié)及強勵

　　勵磁電流的給定功能是調(diào)節(jié)控制勵磁電壓的高低和勵磁電流的大小。給定值是根據(jù)同步電動機的運行需求．預(yù)先設(shè)定的一個適當(dāng)?shù)膭畲烹娏髦?；穩(wěn)定調(diào)節(jié)是根據(jù)電源電壓的高低．利用負反饋電路控制與調(diào)節(jié)勵磁電流的大?。怪M可能接近或等于給定的勵磁電流；強勵功能是電源電壓下降到額定電壓的80%時，自動強制提高勵磁電壓和勵磁電流的一種技術(shù)措施，可以保證同步電動機在電壓降低時能夠穩(wěn)定持續(xù)運行。

　　給定電路使用一個電壓非常穩(wěn)定的直流電源，該電源的交流輸入電壓相對較高，經(jīng)過橋式整流和電容器濾波后的電壓幅值相應(yīng)也較高。之后用一個雪崩電壓較低的穩(wěn)壓二極管削波穩(wěn)壓后．得到電壓幅值較小但幾乎沒有任何紋波的穩(wěn)定直流電壓。用一個電位器對這個穩(wěn)定電壓調(diào)整分壓，取得給定電壓．用來調(diào)整勵磁電流。選用這樣的直流電源，就是為了讓給定電壓信號非常穩(wěn)定．從而保證勵磁電流的穩(wěn)定。為了分析方便，我們將這個電壓稱作U1。

　　穩(wěn)定調(diào)節(jié)采用負反饋調(diào)節(jié)原理進行。負反饋調(diào)節(jié)信號電壓是隨交流電源電壓變化的一個直流電壓．也用一個電位器對這個電壓進行調(diào)整分壓，獲得一個隨電源電壓變化的負反饋信號電壓。

　　我們把這個電壓稱作U2。將上述電壓，UI和U2極性相反的串接起來取其差值U3．用電壓U3調(diào)整觸發(fā)電路的移相角，并最終控制三相全控整流橋中晶閘管的導(dǎo)通角，這就實現(xiàn)了對勵磁電流的自動控制過程，并保持勵磁電流的穩(wěn)定。

　　強勵電路則實時檢測電源電壓的變化，當(dāng)檢測到電源電壓降低到額定電壓80%或以下時，相關(guān)電路讓一個機械觸點由斷開變?yōu)殚]合．或者輸出一個類似功能的電子信號。這種電路狀態(tài)的變化通過后續(xù)電路抬高上述勵磁控制電壓U3的幅值，使勵磁裝置輸出的勵磁電壓、勵磁電流達到未強勵時勵磁電壓、勵磁電流的某一倍數(shù)，實現(xiàn)強勵磁。如果強勵磁達到一定時限，例如5秒鐘，或者10秒鐘，而交流電源電壓仍未回升．則勵磁裝置將退出強勵狀態(tài)。

　　5．失步保護電路

　　同步電動機在運行中可能會由于某種原因出現(xiàn)脫離同步的現(xiàn)象，這種運行狀態(tài)稱為失步。同步電動機失步將會引起嚴重的電流、電壓、功率及轉(zhuǎn)速的振蕩，對電網(wǎng)和電動機產(chǎn)生很大沖擊。同步電動機的失步原因很多．

　　主要有以下3種：一是電網(wǎng)電壓由于某種原因．如附近其他較大負載投入等．引起電網(wǎng)電壓暫時跌落，而導(dǎo)致同步電動機失步，叫作帶勵失步。二是勵磁裝置本身故障致使失去勵磁引起的失磁失步。三是電網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)生跳閘保護動作之后又重新合閘，從而導(dǎo)致同步電動機失步，即斷電失步。

　　當(dāng)主控單元檢測并確定電機失步后，立即封鎖投勵信號．使電機進入異步驅(qū)動狀態(tài)，然后電機轉(zhuǎn)速將上升．待進入臨界滑差后．裝置自動控制勵磁系統(tǒng)．按準確強勵對電機實施整步，使電機恢復(fù)到同步狀態(tài)。如整步失敗，仍存在失步信號，則裝置發(fā)出眺閘信號動作于跳閘回路。

　　編輯：黃飛