同步电动机及励磁调节系统的运行解析

甘信伟

引言：

目前我们公司用的是凸极卧式同步电动机，额定电压10KV 、额定功率2.1MW、额定电流1264A、同步转速200r/min、转向（DE）UVW→、功率因数0.98、绝缘等级F、安装方式IM7115、冷却方式IC81W7、防爆级别Ⅱ2GExpxⅡBT4（欧洲标示法）、机身重153000Kg等其它技术数据。保护配置有纵联差动保护、差速保护、电动机的堵转保护、启动超长保护、过负荷保护、同步电动机的失磁保护、同步电动机的失步保护（低电流闭锁）、单相接地保护、低电压保护等。根据当地的供电系统实际情况和设计论证分析，电动机采用的是直接启动方式;实测母线压降情况为，电机侧区域变电所10KV母线压降在14%左右，公司总变所35KV母线电压压降在6%、220KV母线压降在2%，既没有对本区域变电所其它用电设备产生影响，也没有对其它装置供配电设备、用电设备构成任何影响。在多年的运行观察和比较分析后，现对同步电动机及励磁调节系统和紧密相关联锁联动作粗浅分析，以便技术交流中以飨读者。

一、同步电动机的结构、工作原理

同步电动机的定子结构与感应电机基本相同，定子也是由基机座、铁芯、定子绕组和端盖等部件组成;转子则由主磁极、磁轭、转子励磁绕组、阻尼绕组、旋转整流部分、直流励磁交流发电机和转轴等部件组成。阻尼绕组与感应电机的笼型转子绕组结构相似，在同步電动机启动时建立异步状态;在转入同步运行状态时，会起到抑制转速振荡的作用。

同步电动机的工作原理是指对称的三相定子绕组通入对称三相正弦交流电产生旋转磁场。转子励磁绕组通入直流电产生与定子极数相同的恒定磁场。同步电动机就是靠定、转子异性磁极的吸引力由旋转磁场带动磁性转子旋转的;同步电动机的特点是，稳态运行时转子转速与负载的大小无关而始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节。因此在恒速负载及需要改善功率因数的场合，常常优先选用同步电动机。

二、励磁调节系统及工作基本特性

我们公司的同步电动机及励磁调节系统主要有主电机、电机转子、旋转整流、静态励磁等四部分构成。静态励磁即励磁柜是采用Siemens AG，是励磁系统的核心部件，关系到同步电动机的安全稳定运行。我们知道同步电动机的运行特性包括工作特性和V形曲线，为了使同步电动机的工作特性体现出“硬”的机械特性，电机空载时，电枢电流较小，随着负载的增加输出功率也再增加，电磁转矩将正比增大，电枢电流也随之增大。当同步电动机对外呈现“阻性”时，电动机的功率因数等于1，该励磁就称为“正常励磁”;不同励磁下的同步电动机的功率因数是不同的，若保持励磁电流不变，随着负载的增加，功率因数将从1逐步下降而变为滞后，若轻载时功率因数将变成超前。同理可见，在负载不变的前提下改变励磁电流，总可使电动机在任一特定负载下的功率因数达到1，甚至变为超前，增加励磁也可以提高最大电磁功率，从而提高过载能力。我们知道，同步电动机的功率因数等于1时，该励磁就称为正励，此时的电枢电流全部为有功电流，其值为最小;若增大励磁，电机反应的激磁电动势将增加，电机便处于过励状态，此时电枢电流将成为超前，向系统输出感性无功即+Q（可在一定的功率因数值下设为超前状态下的定值），其值较正常励磁时大;反之，在正励状态下若减小励磁，将会使激磁电动势减小，电机便处于欠励状态，此时的电枢电流将成为滞后，吸收系统感性无功-Q（可设为滞后状态下的定值，超过设定时应启动失步保护），其值也比正常励磁大，这样经过数学处理，可画出电磁功率为不同值下的多簇线，此曲线如V字，通常称为V形曲线，在V字沟的左侧是滞后状态，此时电枢电流随着励磁电流增加而降低，而在在V字沟的右侧是超前状态，此时电枢电流随着励磁电流增加而升高，从而说明它能够形象的放应出电枢电流与励磁电流的关系。

三、静态励磁的作用及工作特点

那么调整同步电动机转子励磁电流大小的工作是有外部静态励磁实现的，转子励磁电流与静态励磁电流大小基本上成正比例关系，能够实现在（例如）恒定的功率因数下跟踪电枢电流来调节静态励磁电流大小的功能就是由静态励磁柜来实现的。我们采用的静态励磁是Siemens AG，静态励磁的输出额定电压是104VDC、输出额定电流8.5A，其它励磁参数设置如下：

另外，静态励磁柜还有控制和保护功能，控制功能主要体现在：开机前励磁系统的上电自检，主要是检查励磁回路的完好性，电动机启动和停止，主回路与励磁调节的联动，紧急励磁的动作和人为复归等，保护功能主要体现在：失步保护（失压失步保护、失磁失步保护、失速保护）。静态励磁柜还起到连接DCS和MBL（中压开关柜）信号的作用，收集DCS、MBL的信号参与静态励磁柜内自身PLC逻辑，为电动机的启动和安全稳定运行服务，往来信号如下表：

另外，静态励磁柜还设有人机界面触摸屏，拥有丰富的操作菜单，主要为，概览：主接线、信号灯、励磁控制方式、在线测量、日期时间、事件信息、菜单结构;统计数据（开机前和停机后均要检查）：温度报告、等待启动时间、电机状态、最后的启动/停车用时、电量统计;控制（励磁控制模式选择）：励磁电流控制、功率因数控制、无功功率控制。

四、主电机的转子组成部分及工作运行过程

主电机从异步启动到转为同步运行的主要过程是，主电机CB（开关）合闸，开始步入异步启动，8S（转速达到同步转速的98%及以上、启动电流下降到120%及下）后，静态励磁柜开始投入励磁，电动机转入同步运行2s后开始接待负载，励磁投入的方式为复合投励，即计时投励和滑差投励的同时参与，起到互为补充的作用，从而满足一次性投励的成功。同步电动机转子励磁电流是由直流励磁交流发电机经旋转整流桥来的，整流桥是由二极管堆构成的三相桥式整流，绝缘浇筑在圆盘型旋转体上，从直流母线沿电机大轴接引至电机的转子绕组;电机刚启动瞬间，此时的转差率也很高，这样在转子励磁绕组上将感应较高的电压，触发直流母线间的可控硅导通，进而转子励磁绕组构成回路为异步状态构成了稳定过渡条件，随着转差率的下降，转子励磁绕组的感应电压也随着下降，达到一定值时，在直流励磁交流发电机产生电压（静态励磁已投励）的双重作用下将会促使可控硅关断，这样同步电动机开始转入同步运行。旋转整流部分还设有转子绕组灭磁、抗谐波干扰和转子机械抖动的电子元件。

参考文献：

1.《电机学》第4版  汤蕴璆编著

2.GB/T50062-2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》

3. 《现代同步发电机励磁系统设计及应用》第二版  李基成编著