1、同步电机励磁控制系统的原理及应用同步电机励磁控制系统的原理及应用o序言序言o主回路的选择主回路的选择o同步电机的投励方式同步电机的投励方式o同步电动机的失步危害、失步保护及带载自同步电动机的失步危害、失步保护及带载自动再整步技术动再整步技术o控制系统设计控制系统设计第一章第一章 序言序言l同步电机由于其一系列优点，特别是转速稳定、单机容量大、能向电网发送无功功率，支持电网电压，在我国各行业已得到广泛应用。l多数企业所用电机，一般异步电机数量较多，单机功率相对较小，且大多为380V低压电机。异步电机在运行中需吸收无功功率，对于一个较大规模的用电单位，电机的选用一般遵循如下原则：大功率、低转速电机
2、一般首选同步电机（随着碳刷耐磨程度提高，许多大功率高速电机也越来越多的选用同步电机）。用电单位同步电机的运行容量一般在60%70%，而异步电机的运行容量在40%30%为佳。这样同步电机输出的无功功率与异步电机所吸收的无功功率相平衡且略有富裕。序言n同步电动机在工业中的应用：同步电动机在工业中的应用：同步、异步电动机比较表 序言稳定性差，转矩与端电压平方成正比：稳定性高，转矩与端电压成正比：稳 定 性 低 高效 率不可调，滞后可调，可工作在超前、平激、滞后功率因数随着负载的改变而改变不随负载的大小而 改变转 速 异步电动机 同步电动机dSMemEUTsindsrsemsRUmT2使用异步电机需要
3、对电网无功补偿 由于异步电机需从电网吸收无功功率，而功率因数是供电部门对用户考核的一个重要指标。一般采用以下方法进行无功补偿：1.采用静电电容器补偿 2.采用同步电机过励补偿但是采用静电电容器补偿存在以下缺陷：序言采用静电电容器补偿存在缺陷1nQ0.5CU 在电网电压高时，用户无功补偿需求量小，但电容量Q成平方关系变大，电容器补偿无功会出现过补偿现象；在电网电压低时，用户无功补偿需求量大，但电容量Q却成平方关系变小，电容器补偿无功会出现欠补偿现象；与我们期望的补偿要求成平方关系相反的方向变化；采用静电电容器补偿存在缺陷2n 为了解决上述矛盾，许多场合采用功率因数自动补偿的方式，当功率因数过低的
4、时候，增加电容器的投入数量；当功率因数过高的时候，减少电容器的投入数量，通过有级切换电容器的投运数量，达到功率因数的基本稳定。采用这种方法，虽然能保持功率因数的基本稳定，但毕竟是有级切换，不是无级连续的。为了保证功率因数的相对稳定，断路器需频繁动作，在容性负载下断路器的频繁切换，会大大降低其使用寿命；采用静电电容器补偿存在缺陷3、4n许多场合为了追求较高的功率因数，经常出现功率因数接近1甚至过激现象。由于异步电动机是感性负载，电容器是容性负载，在有些特殊情况下甚至出现并联谐振或串联谐振，产生大电流或高电压，损伤电气设备；n部分电容器的介质含有氰化物，这些电容器报废时还会造成一定的环境污染。同步
5、电动机通过增加电机的励磁电流，可以实现对电网无功补偿 序言 在电网电压在电网电压U U为常为常值，电磁功率为值，电磁功率为常值常值时，励磁电流与功率时，励磁电流与功率因数的关系就可以由因数的关系就可以由电枢电流得到，见左电枢电流得到，见左图。调节励磁就可以图。调节励磁就可以调节同步电动机的功调节同步电动机的功率因数，从而使其工率因数，从而使其工作在超前、平激、滞作在超前、平激、滞后三种状态。后三种状态。0超前滞后定定子子电电流流ID励磁电流励磁电流If1cos 同步电机工作U形曲线同步电机补偿示意图 同步电机在过激的情况下，提高自身的峰值转矩，同时向异步电机提供无功功率(如左上图)。这样既提高
6、同步电动机运行的稳定性，又给企业带来可观的经济效益。序言P 功角特性图目前同步电机的使用现状目前同步电机的使用现状 n随着现代化大生产的发展，机电设备越来越趋向大型化、自动化、复杂化、生产过程连续化，由机电设备群体组成的系统一旦失效，就会对企业的安全生产及产品质量造成极大的威胁。同步电机由于其具有一系列优点，特别是转速稳定、单机容量大、能向电网发送无功功率，支持电网电压，在我国各行业已得到广泛应用，特别是在特大型企业，大型同步电动机担负着生产的重任，其一旦停机或故障，将严重影响连续生产，特别严重的电机设备事故将导致停产时间的延长，造成企业经济效益的严重损失，而长期以来发生同步电动机及其励磁装置
7、损坏事故却屡见不鲜。序言同步电机的损坏主要表现1.定子绕组端部绑线蹦断，线圈表面绝缘蹭坏，连接处开焊；导线在槽口处断裂，进而引起短路；运行中噪音增大；定子铁芯松动等故障。（见下一页图）2.转子励磁起动绕组笼条断裂；绕组接头处产生裂纹，开焊，局部过热烤焦绝缘；转子磁级的燕尾锲松动，退出；转子线圈绝缘损伤；电刷滑环松动；风叶断裂等故障。序言转子绕组剖面图 转子模拟图 定子绕组 序言第二章第二章 励磁主回路的合理选配励磁主回路的合理选配l传统半控、全控桥励磁主回路的比较l改进型半控、全控桥励磁主回路比较 l励磁控制系统主回路元件选配主回路的选择励磁柜主电路一般有四种主回路的选择图1图2图4图3n在起
8、动时左上图正负方向电流明显不平衡，产生直流电，引起电引起电机遭受脉振转矩强烈机遭受脉振转矩强烈振动振动，电机起动过程电机起动过程所受强烈脉振是电机所受强烈脉振是电机产生暗伤逐步损坏的产生暗伤逐步损坏的重要原因之一重要原因之一。传统半、全控桥主回路分析传统半、全控桥主回路分析主回路的选择KQRFZQ-if+ifE rr主回路的选择上图主回路在电机起动时有：ErifrErifRfrUfIf主回路的选择ErifrErifRfr主回路的选择IfNS电机脉震示意图电机脉震示意图主回路的选择NSNSNSNSNSSNNSNS定子电流也因此而强烈脉动定子电流也因此而强烈脉动 n电机起动过程发出的强烈振动声，甚
9、至在整个大厅内都可以听到。而且这种脉振会一直持续到电机起动结束才消失，电机起动过程所受强烈脉震是电机损伤的重要原因之一。主回路的选择Id实际定子电流曲线期望定子电流曲线T图一：定子电流脉振图主回路的选择 电机起动时，随着电机起动过程滑差减小，转子线圈内感应电势逐步减少，当转子转速达到50%以上时，励磁回路感应电流负半波通路不畅，将处于时通时断，似通非通状态，同样形成+if与-if电流不对称，由此同样形成脉振转矩，造成电机产生强烈振动，损伤电机。因此传统主回路逐渐被淘汰。改进型全控桥式励磁装置主回路缺点：n采用逆变灭磁，可靠性低，稳定性差n电机运行时灭磁电阻长期发热n不能不停机更换控制组件n停机
10、要保正控制回路不失电主回路的选择改进型全控桥式励磁装置主回路n（1）采用全控桥式电路，停机时或失步时，其励磁控制系统的灭磁回路采用逆变灭磁的方式，而逆变灭磁要求电网电压相对稳定、主回路（包括主桥6只可控硅、快熔、整流变压器等）及控制回路完好，停机时主回路电源不能马上停止。上述条件只要某一条件不能满足，将造成逆变灭磁不成功，造成逆变颠覆，损坏主回路元件及电机，往往出现正常运行的励磁装置停车后不能再次顺利开车，经检查发现主回路元件或控制回路损坏的实例。n（2）采用全控桥式电路，由于励磁绕组系电感性负载，当可控硅导通角较小电压波形出现过零时，就会有电流从Rf、KZ回路续流，这也是采用全控桥式电路经常
11、发生灭磁电阻发热的原因之一。n（3）全控桥式电路作为励磁装置的主电路，不能实现不停机完全更换控制插件。为了达到不停机更换插件的功能，只能将控制系统做成双系统或多系统、互为热备用，即一套运行，一套热备用。当一套控制系统故障时，自动切换到另一套备用系统。但是采用多CPU备份没有实际意义，复杂的备份逻辑会减少系统的平均无故障工作时间，影响可靠性。主回路的选择n断励续流灭磁或阻容灭磁，可靠性高n系统可以利用半控桥式主电路的结构特点，实现不停机更换励磁控制插件 n线路相对简洁可靠主回路的选择改进型半控桥式励磁装置主回路特点 半控桥式励磁装置主回路n（1）电机在停机或失步时，主回路采用半控桥式电路，可根据
12、工况选择阻容灭磁或断励续流灭磁方式，或者两者皆用。A:断励续流灭磁方式是在电机失步或停机时，励磁控制系统立即停发触发脉冲，通过控制回路断开励磁主回路接触器。依靠半控桥式结构特点进行续流灭磁，这种灭磁方式独立可靠B:阻容灭磁方式（见下页图），这种灭磁方式灭磁速度更快。改进型半控桥主回路优点改进型半控桥主回路优点主回路的选择n n阻容灭磁是当电机失步和停机时，励磁控制系统适时提供给可控硅KM一个脉冲，利用电容C1关断主桥路上的可控硅，使电容C2及电阻R4吸收转子能量进行灭磁，这种灭磁方式速度更快。主回路的选择励磁控制系统半控桥主回路优点励磁控制系统半控桥主回路优点n（2）灭磁电阻状态；采用半控桥式
13、电路，就不会有电流从Rf、KZ回路续流，而是通过可控硅和最后一个导通的二极管，因此采用半控桥式电路灭磁电阻在运行过程中处于冷态；主回路的选择 半控桥式励磁装置主回路励磁控制系统半控桥主回路优点励磁控制系统半控桥主回路优点（3）励磁控制系统可以充分利用半控桥式主电路的结构特点，不停机更换励磁控制器；当励磁装置控制部分出现故障时，可利用半空桥电路“失控”的特点，实现不停机、不减载、不失励的情况下从容更换。其基本原理如下：在投励后拔控制插件，由于电机励磁绕组的大电感特性，使一只可控硅始终处于开通状态，三分之二在整流状态，三分之一在续流状态。（如下页图）主回路的选择 在选择整流变压器时，已合理选配二次
14、电压，使它既能满足强励要求，又在失控状态下平均电压与平时运行电压接近，满足电机正常运行对励磁的需求。当更换上备用控制插件后，励磁装置自动转入正常工作状态。主回路的选择Uft励磁控制系统半控桥主回路优点励磁控制系统半控桥主回路优点主回路熔断器的位置选择 有些主回路采用六个快熔，分别对应着各个可控硅和二极管，但按上图位置安装快熔更佳。半控桥励磁装置主回路n减小谐波减小谐波 改善波形：改善波形：尽管半空桥式电路比全控桥式电路谐波分量相对大些，但只要合理选择整流变压器参数，使励磁装置在正常运行时导通角相对增大，将整流变压器接成/Y-11型，自动抵消谐波的主要成分三次谐波，降低谐波对电网的影响。n垫底处
15、理垫底处理 避免失控：避免失控：使用半控桥式电路，当励磁电流在很小时，会出现失控现象，而在同步电动机这一特殊领域，励磁电流很低会造成电机失步，所以正常运行时，励磁电流不应很低，不应该工作到失控区。通过设定垫底电压（或电流）进行处理，可使励磁装置在正常情况下不出现失控。主回路的选择半控桥主回路的设计注意事项半控桥主回路的设计注意事项半控桥主回路的设计注意事项半控桥主回路的设计注意事项n灭磁分级整定 灭磁系统分两种状态。电机异步状态时，KQ可控硅处于低通状态，在较低电压下及时开通（类似于二极管），使电机起动时正负半波电流对称。电机在同步状态运行时，灭磁系统处于高通状态，确保了可控硅KQ不误导通，过
16、电压时又及时开通，过电压消失后及时关断。半控桥式励磁装置主回路半控桥电路和全控桥电路比较 总结 半控桥 全控桥断励续流、阻容灭磁 可靠性高 逆变灭磁可靠性差运行中灭磁电阻冷 运行中灭磁电阻热线路简洁，稳定性高 线路复杂，稳定性差能停机马上切除电源停机不能马上切除电源不停机完全更换控制器不能完全更换主回路的选择半控桥、全控桥主电路比较总结半控桥、全控桥主电路比较总结n经上述分析、比较，可以说明：在同步电动机励磁装置这特定场合，本着因地制宜的原则，主电路采用改进型半控桥式电路的励磁装置，技术上更为先进、完善，合理，有着全控桥式电路无法比拟的优越性。主回路的选择励磁控制系统主回路元件选择励磁控制系统
17、主回路元件选择na灭磁电阻的选择灭磁电阻的选择nb.主回路元件的选择主回路元件的选择主回路的选择 半控桥式励磁装置主回路灭磁电阻的选择灭磁电阻的选择n灭磁电阻Rf的选择灭磁电阻的大小对电机的启动性能影响很大，应合理选配。同步电机中有鼠笼起动绕组，当电机定子通电时，由于旋转磁场和转子转速差较大，产生较大的电流，转子得到较大起动转矩。除了鼠笼绕组起动力矩外，励磁绕组也和灭磁电阻组成回路，有电流通过，形成“单轴转矩”。因此选择合适的灭磁电阻Rf对电机的顺利起动是关键的。主回路的选择S0M0.51123465 异步驱动特性曲线示意图 加入灭磁电阻Rf就是为了改变电机的异步驱动特性。Rf的阻值大小应合理
18、选择，若选择太小（见曲线4），仍然存在凹坑；若选择太大（见曲线5），电机的稳态转速低，很有可能造成电机转速不能进入临界滑差（即所说的亚同步）。曲线6是合理选配灭磁电阻Rf的异步驱动特性曲线。主回路的选择主回路元件的选择主回路元件的选择 主回路的选择 选择主回路可控硅、二极管、变压器时，除考虑正常情况外，还应充分考虑满足运行中不停机在线更换插件的需要。满足运行中各种暂态扰动对元件的冲击，如电网在不正常情况下发生短暂波动、雷电影响及出现负载波动、励磁电压波动等原因,都将出现定子磁场与转子磁场间产生振荡。这一振荡，会在转子回路产生23个周波的感应交变电势，它释放的途径，通常都是通过正在导通的整流元件
19、构成回路，虽然释放时间很短，但最大电流的峰值，短时内有可能达到额定电流的10倍左右。使得元件允许承受的热效应（I T），远小于这个冲击电流所产生的热效应（I T），损坏可控硅元件。负半波会产生较高电压，若电路设计不合理、元件参数选配不当，同样会损坏主回路元件。这一点在装置选择元件时应引起足够的重视，加大主回路元件的裕量。第三章第三章 励磁控制系统的投励方式励磁控制系统的投励方式 n滑差投励1.传统励磁采用顺极性投励2.LZK微机型励磁系统，按照“准角强励”原则设计。n计时投励励磁控制系统的投励方式传统投励方式n传统投励方式，由于投励时间选择不当，出现投励瞬间，电机震荡，在现场往往能够听到冲击声
20、。（如右图）n传统采用投励插件式分立元件结构，投励环节精度不高，易发生故障。励磁控制系统的投励方式LZK微机型励磁系统投励方式滑差投励滑差投励 采用准角强励 所谓准角投励，就物理概念而言，系指电机转速进入临界滑差（即所谓的“亚同步”），按照电机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大（即定子磁场的N极与投励后转子绕组产生的S极相吸）。在准角时投入强励，使吸力加大，这样电机进入同步轻松、快速、平滑、无冲击。励磁控制系统的投励方式LZK励磁控制系统的滑差投励的过程如下：励磁控制系统的投励方式励磁控制器检测滑差达到设定值时，在准角位置投励。励磁控制系统的投励方式励磁控制系统的
21、投励方式LZK励磁控制系统计时投励如下：同步电动机采用全压异步启动可以计时投励，时间投励的原理是把电机启动的加速过程，用时间来计算。但是一般电机都优先采用滑差投励，只是在工况有复杂干扰的情况下，而且该干扰控制器无法滤除，给滑差投励的频率采样造成困难，从而采用记时投励。励磁控制系统的投励方式空载启动的投励情况：空载启动的投励情况：n电机在空载情况下很快就能进入亚同步，当控制器在一定时间之内检测不到Uf的频率时，控制器就自动认为电机已经进入同步。如下图n对于某些转速较低，凸极转矩较强的电机空载或特轻载起动时，往往在尚未投励的情况下便自动进入同步，系统内具有凸极性投励控制环节，在电机进入同步后的1-
22、2秒内自动投励。电机进入同步后，控制系统自动控制励磁电压由强励恢复到正常励磁。励磁控制系统的投励方式励磁控制系统的投励方式 第四章第四章 同步电动机的失步危害、失步同步电动机的失步危害、失步保护及带载自动再整步技术保护及带载自动再整步技术n同步电机的失步事故分为三类：同步电机的失步事故分为三类：n失励失步失励失步n带励失步带励失步n断电失步断电失步 4.1同步电机的失步危害同步电机的失步危害 过电流继电器不能兼作失步保护过电流继电器不能兼作失步保护 4.1.1 失励失步失励失步 由于励磁系统的种种原因失去励磁或严重欠励磁，使同步电动机失去静态稳定，滑出同步，称为失励失步失励失步。过功率正常功率
23、欠功率P0 功角特性图NSn功 率角deXUmEPsin0n失励失步的现象失励失步的现象：n（1）：电机丢转不明显，电机无异常声音；n（2）：定子过流不大；n（3）：表计显示很大的电流值；n（4）：灭磁电阻会烧红；n（5）：产生高压，造成励磁装置主回路元件损坏；Id1.61.8Ie 失励失步时，电机的定子电流将略大于电机的额定电流，一般定子电流脉动包络线的髙峰值约为额定电流幅值的1.61.8倍左右，而脉动低谷值则往往低达额定电流的0.81.2倍左右；定子电流的脉动高峰值虽然大于GL继电器的过流整定值，但是时间很短，继电器刚刚被启动，在还没有到达其动作时限之前，定子电流就又下来了，继电器又被复位
24、，因此GL继电器在发生失励失步时往往拒动作或是动作时间大大加长；失励失步造成的后果是失励失步造成的后果是：不易及时发现，电机长时间的处于失励失步的运行状态，导致启动绕组过热，变形，开焊；甚至波及到定子绕组端部，并进一步发展和扩大成为电机内部短路故障而烧坏电机；还有可能引起励磁装置中的灭磁电阻过热烧断，造成转子开路，由过电压打坏转子绝缘，烧坏电机。过流整定值T图 4-1 失励失步的定子 电流脉振曲线 4.1.2带励失步 导致带励失步的原因是：n（1）相邻母线短路，引起母线电压大幅度降低；近处大型机组或机组群瞬间启动引起母线电压长时间，较大幅度的降低见功角特性图；n（2）电机起动过程中励磁系统过早
25、投励,即电机在启动过程中滑差没有进入临界时就投入励磁,此时由定子产生的磁场还不足以拉动转子磁极,反而会产生失步。n（3）运行中，电机短时间欠励磁或失励磁（如接插件接触不良）引起失励失步，从失励失步过渡到带励失步；n（4）以及由于供电线路遭受雷击，避雷器动作；负载突增（如压缩机憋压，轧钢机咬冷钢）等原因所引起。电机带有正常或接近正常的直流励磁，而转子磁场却不同步的异步运行状态，称为带励失步。带励失步。功角特性NSn功 率角 当U大幅度降低或负载突增，造成电机失步。nP 过功率正常功率欠功率deXUmEPsin001.0Ie过流整定值T1.83IeId图 4-3 带励失步定子电流曲线 定子电流包络
26、线的髙峰值为1.83Ie，低谷值为0Ie倍。这种强烈的脉动定子电流使过电流继电器不能动作或动作时间大大延长。带励失步时定子波形的显著特点带励失步时定子波形的显著特点 图 4-4 带励失步时电机脉震图NSNSNSNSNSSNNSNS 带励失步对电机的危害，主要在于脉振转矩脉振转矩较长时间的反复作用，多次积累，产生疲劳效应，损坏电机。带励失步对电机的危害原因带励失步对电机的危害原因：带励失步对电机的损伤表现在：带励失步对电机的损伤表现在：（1）定子：脉震会使定子绕组导线崩断，导线变酥，线圈表面绝缘层被振伤（线圈里面呈不均匀的锯齿状，严重时会因绝缘损坏而造成定子铁芯击穿而新线圈表面是平的），并逐步由
27、过热而烤焦、烧坏，甚至发展成短路；定子铁芯松动，运行中噪音增大；见附图（一）附图一:（2）转子：还会使转子励磁绕组接头处产生裂纹、开焊、局部过热烤焦绝缘，转子磁 级的燕尾锲松动，退出；转子线圈绝缘损伤；电刷滑环松动；风叶断裂。见附图（二）附图二：转子绕组 图 4-5 BZT电路 4.1.3 断断 电电 失失 步步 当供电系统故障，引起供电线路自动重合闸ZCH装置或备用电源投入BZT装置动作，以及人工切换电源等，使同步电动机的供电电源短暂中断而导致失步称为断电失步。图 4-6 断电失步时电网电压曲线 0 断电失步时定子波形的变化特征断电失步时定子波形的变化特征 n 所谓“断电”其实是一个不失压的
28、过程。电网失电后电压不会立即消失，而是有一个非线性的变化过程。很明显在只有同步电动机的电网中，断电失步后，电压衰减比只有异步电机的电网，有一个上升的区域。TU存在同步电机的电网电压曲线仅有异步电机的电网电压曲线图 4-7 电网断电后瞬间定子电压频率改变，幅值短暂上升后衰减 U TUT00 电网电压的频率随同步电动机的转速的下降而逐渐降低。可控硅的开通角度也相应增大，从而使励磁电压提高，也因而母线电压幅值进一步提高。同步电动机通常是超前运行的，在电源突然中断后的短时间内，母线电压是成螺旋型变化的；图 4-8 非同期冲击 在不同区域，电源再次投入后对电机的非同期冲击程度有别。1处：为安全区域，不受
29、冲击；3处：冲击力矩最大；4处：冲击电流很大；2和5处：为受损伤区域；非同期冲击非同期冲击图 4-9 采用降压加延时继电器保护非同期冲击 T只有异步电机同步电机 U01 采用低电压加延时来防止自动重合闸引起的非采用低电压加延时来防止自动重合闸引起的非同期冲击可靠性差同期冲击可靠性差 n 这种从原理上分析，如图（4-9）当电压降到40%的时候，时间太长，特别是当单机或是机组容量大时，时间会更长，而当时间越长电机转速越低，此时投入电压，相当于大电机或整个机群重启动，同样会造成过流跳闸，起不到提高供电可靠性的作用。4.2 LZK型励磁控制系统失步保护型励磁控制系统失步保护 n目前较普遍的有：n1：反
30、映电机定子电压和定子电流之间相量角变化的功率因数型失步保护继电器；n2：根据电机失步时阻抗轨迹变化原理构成的偏置阻抗型保护继电器；n3：由检测电机内角及转差频率复合式原理构成的失步保护；n4：根据电机失步时在励磁绕组中出现交流感应电流分量并加设转子低电流动作环节原理构成的失步保护；n5：利用励磁回路中的电流在电机失步时出现瞬时低电流及其重复频率原理构成的失步保护。西门子公司采用了在转子回路加互感器的方式西门子公司采用了在转子回路加互感器的方式 互 感 器n 说明书中强调在滑差大于3%时能可靠动作。而现场工况中，经常出现滑差小于3%；当电机因转子回路断路而失步时，也同样检测不到电流信号，起不到失
31、步保护的作用。很明显保护存在死区。图 4-10 西门子公司对转子采样图 图 4-11 本公司对转子采样图分流计 霍尔传感器 在转子回路上串接分流计或是霍尔传感器检测转子里产在转子回路上串接分流计或是霍尔传感器检测转子里产生的不衰减的交变电流波形信号，根据该波形的特征来判断生的不衰减的交变电流波形信号，根据该波形的特征来判断是否失步。是否失步。图 4-12 失励失步波形图 4.2.1LZK励磁控制系统对失步波形的检测励磁控制系统对失步波形的检测n失励失步波形特点：失励失步波形特点：感应交变电流将以时间感应交变电流将以时间T为轴线，正负交变；为轴线，正负交变；图 4-13 带励失步波形图1、2n带
32、励失步波形特点：带励失步波形特点：这一交变分量与直流励这一交变分量与直流励磁电流相叠加形成脉动磁电流相叠加形成脉动电流电流；图 4-14 转子断条波形转子断条波形特点转子断条波形特点：检测不到电流波形IfT 图 4-16 振荡波形图振荡波形特点振荡波形特点：电机正常运行中发生同步振荡时，在原有的直流励磁电流上叠加的交流感应电流分量具有迅速衰减的特点AIUNGJ延时环节DPJCYJ讯 号 变换环节出 口 继电器电源侧保护出口继电器联动信号保护出口信号AIAIIU图（4-17）断电检测 4.2.2断电失步保护断电失步保护n断点失步保护装置是用用低频继电器DPJ和功率方向继电器(逆功率继电器)NGJ
33、并联,并以二路电源同名相电压相位差原理构成的继电器CYJ作为闭锁环节，组成断电失步保护。4.3LZK型励磁控制系统失步再整步技术型励磁控制系统失步再整步技术n为了达到带载自动再整步，必须要满足以下几点为了达到带载自动再整步，必须要满足以下几点n一：改善电机的异步驱动特性一：改善电机的异步驱动特性S0M0.51123465 异步驱动特性曲线示意图n 一般来说，电机容量越大，额定转速越慢，则由电机的异步驱动特性图看出，凹陷的深度越深，合理选择接入电机的灭磁电阻的阻值，能够改善电机的异步驱动特性，消除凹陷；二：减少甚至消除电机的异步制动转矩减少甚至消除电机的异步制动转矩 异步制动转矩公式为：异步制动
34、转矩与励磁电势E的平方成正比，即与转子直流If的平方成正比，要消除异步制动转矩就是要进行灭磁消除If。三：与电机所带负载性质有关与电机所带负载性质有关 1.平稳负载。如风机、水泵等其负载特性与电机滑差有关；2.脉动转矩。如往复式压缩机；3.冲击性负载。如轧钢机。四：与再整步转矩有关与再整步转矩有关 整步转矩即同步振荡转矩，在电机失步后的异步驱动阶段。起了引起机组震动、增加机组的机械和电磁损耗，增大制动转矩等有害的作用，但在电机暂态过程的再整步阶段又起着重要的积极因数。电机将依靠此整步力矩，利用准角和强励的作用，将电机转子拉入同步。21CDdCDayeXXESrrM再整步的整个过程为再整步的整个
35、过程为:n 关桥关桥 n n 灭磁灭磁 n n 改善异步驱动特性改善异步驱动特性n 进入临界滑差进入临界滑差n n 带载再整步带载再整步n 达到同步运行状态达到同步运行状态 再整步的波形图为再整步的波形图为 第一章第一章 控制系统设计控制系统设计n我们对励磁主回路进行了细致的比较以及主回路元件的合理选配以后，为了实现同步电机安全、可靠、稳定的运行，还必须设计有效的控制系统。n目前励磁系统常见的控制手段有：用PLC实现励磁装置的综合控制、用工控机实现励磁装置的综合控制、用单片机实现励磁装置的综合控制。n我们采用单片机来实现励磁装置的综合控制。5.1 LZK-3型励磁控制系统型励磁控制系统 1、控
36、制系统特点：nLZK-3型励磁控制系统是以微处理器为核心的控制逻辑，实现了励磁控制系统的所有逻辑功能：n电机运行状态检测。n启动投励时序控制。n实时运行控制。n故障诊断和保护。n停机时序控制。中中 央央 CPU 单单 元元 板板 电源交直流220V转换为5V12V脉冲板脉冲板输出版输出版开关量开关量模拟量输入模拟量输入板板开关量输入开关量输入及及集单元集单元数据采数据采通讯板SPI&SCI 显显 示示为了保证系统高效可靠工作，在控制系统设计中采用了如下技术：n（1）控制系统核心为高集成度微控制器。n（2）处理器采用外部WATCHDOG定时器和低电压复位电路防止死机或程序跑飞，所有外部电路接口均
37、光电隔离，保证处理器的可靠工作。n（3）具有汉字提示和系统状态显示，全中文人机界面。n（4）主从式RS-485通讯接口，完整的接口通讯协议，支持多机联网，支持远程操作。为了保证系统高效可靠工作，在控制系统设计中采用了如下技术：n（5）在线参数修改，EEPROM存储，存储参数设置校验码，保证参数的完整正确。n（6）单一时钟源，所有实时事件中断驱动，高精度的数字计数器，计时误差小于2微秒。n（7）对运行状态信号采用特征分析方法，由软件智能识别电机启动，滑差捕捉，失步处理，缺相、失控报警等。控制系统除了能够完成所需的基本逻辑功能外，还具备以下特性：n高可靠性和高抗干扰能力。n集成化，小型化，模块化，
38、智能化。n采用数字技术实现高精度控制。n远程联网，实时数据浏览，实时远程控制。n友好的人机接口界面，具有汉字提示，输入出错控制，系统运行状态显示。n运行参数的现场设定重组功能及远程设定功能。系统主要控制环节介绍：（1）失控检测控制环节：）失控检测控制环节：nLZK-3型励磁控制系统，在正常运行中，三相可控硅具有自动平衡系统，不须任何调试。三相可控硅导通角一致。由于外部因素，如触发脉冲回路断线或接触不良，造成脉冲丢失，控制回路同步电源缺相或消失，主回路元件损坏（如熔断器熔断）造成主回路三相不平衡、缺相运行，但未造成电机失步（若失步，则由失步再整步或后备保护环节处理），系统能及时检测到，若在定义的
39、时间间隔后故障仍未消除，系统就控制报警继电器闭合，接通报警回路，发出声光信号，并在液晶显示屏上给出“报警”、“缺相或失控”汉字指示。ttttUfUfUfUf(a)正常(d)失控(c)缺相(b)正常励磁电压波形n失控或缺相报警，基本原理是利用电机进入同步后的正常运行状态下，直流励磁电压波形为图3（a）、（b）所示波形，但若出现图3（c）、或（d）波形时，说明励磁装置在“缺相”或“失控”状态下运行。n控制系统是从直流励磁正、负母线上测取直流电压波形，经灭磁单元内（图4）所示R7、R8、R9、R10、DZ1、DZ2回路变换成UF，经变换、整形，通过光耦隔离后输入微处理器控制系统，系统能自动进行检测、
40、分析，而作出正确判断。ZQKQRF5826LZJSADZ2R3DW2R4KC6(RFJ)R6R2R1D1KC6(RFJ)DZ1R8R7R9R101094Uf17KQJDW1DW3DZ3 DZ4 DZ5图4 控制及误导通检测、励磁电压信号变换ZQKQRF5826LZJSADZ2R3DW2R4KC6(RFJ)R6R2R1D1KC6(RFJ)DZ1R8R7R9R101094Uf17KQJDW1DW3DZ3 DZ4 DZ5n（2）KQ可控硅误导通检测控制环节：n为避免KQ可控硅因为电压设定值太低或开通后关不断，造成灭磁电阻RF长时间通电而过热。装置内设有KQ误导通检测控制环节，其基本原理是：若KQ未导
41、通，在KQ与RF回路，直流励磁电压全部降落在KQ上，在灭磁电阻RF二端无电压，灭磁电阻RF处于冷态。一旦出现KQ导通后，直流电压降落在灭磁电阻上，装置内继电器RFJ线圈得电吸合，其接点信号通过变换、光隔输入微处理器控制系统，系统接收到KQ导通信号（即RFJ接点信号）后，对于因过电压引起的导通，控制系统指令其过电压消失后自动关断；对因电压设定值太低造成的KQ误导通、或导通后关不断，系统指令控制报警继电器闭合，接通报警回路，发出声光信号，并在液晶显示屏上留有“报警”、“灭磁电路误通”汉字指示。LZK-3型励磁控制系统还具有多种闭环调节运行方式n该系统可根据需要任意设定为闭环可调恒功率因数、恒电流、
42、恒电压或恒角度运行。在工控运行当中，用户可以根据该项功能选择合适的方式运行，以满足不同的现场要求。其功能方式选择与参数设定采用全中文菜单操作，非常直观、简便。电机的恒功率因数运行对节能增效具有十分重大的意义。上述所有环节控制过程均以微处理器为指挥中心，通过合理编程软件控制外围逻辑模块自动处理，控制准确、高效、可靠。双控制系统功能特点双控制系统功能特点n1：安全冗余的双控制器，双机之间采用同步串行通讯方式，自动进行数据的实时传递和状态检测。主机、从机状态自动识别，主机为工作机，从机为热备用状态。双机之间，当主机故障时能做到真正无扰动切换到备机工作。工作过程中，主机的运行状态参数实时传递到备机中。
43、2：控制器采用了模块化的结构，各功能板相对独立，易于检查及维修。3：控制器采用了高可靠的开关电源供电，因此控制器既可以采用交流供电，也可以采用直流电源供电，可靠性极大提高。n4：励磁系统的人机界面采用触摸式平板电脑，作为双控制器的上位机可分别切换与主、从控制器通讯，采用Modbus协议及RS485口。触摸式电脑可以通过RS485或网络端口、USB口与管理级的上位机通讯。触摸式电脑的操作界面是采用EVC（嵌入式VC）语言在WindowsCE(windows的嵌入式操作系统)环境下开发的程序代码效率高。双控制系统功能特点双控制系统功能特点n5：触摸式电脑操作界面上采用分级画面方式，可分别弹出实时运
44、行电压波形画面、参数设定画面、故障信息画面、装置使用说明书画面等。在主画面上可在不同运行方式之间直接切换（电压方式、电流方式、角度方式、恒功率因数方式）；在某一运行方式下还可对设定值实时设置，设置方式采用“+”“-”键方式，从而避免采用数字设定的跃变和波动。n6：触屏电脑与常用触摸屏有着本质的区别，后者仅仅是一个人机对话单元。触屏电脑有自己的操作系统，它是一个完全的智能化单元，因此除了人机接口外，还可作智能化的管理，记录信息等作用，而且它不依赖于下位的控制器。它与控制器之间可以下载参数信息，也可以从控制器中上载参数及数据 双控制系统功能特点双控制系统功能特点n7：控制器中有一单独数据采集板，可
45、以记录电机起动过程中的装置电压电流波形、故障电压电流波形，采集速率为1024点/秒。该板卡上采用了MSP430单片DSP组成一独立系统，而不影响主控制器的运行。MSP430DSP是一个16位数据线、12位A/D转换之芯片，特别是用于数据采集。所采集的数据每10秒一次在RAM中刷新，当控制器发出行车命令或检测到掉电状态时，自动将当前10秒的数据保存在板上的CF卡中。这些数据可以通过触屏电脑以波形方式显示，也可以传输到管理级上位计算机中保存或显示。n双控制系统示意图见下页：由此可见LZK-3型励磁控制系统是适应当前控制系统发展趋势要求，具有先进完善的技术性能。触摸式平板电脑TPC-62上位监控计算
46、机主机系统单元备机8位单元Uf,If信号交换PT,CT及同步信号 转换各种开关量输入/输出信号 触发脉冲输出触发脉冲输出10/100M 网络通信 串行通信SCI 同步串行通信SPI四、结束语四、结束语n同步电机广泛应用于冶金、水利、石化、建材、矿山、电力等工业领域，完善的励磁控制系统是其不可缺少的重要部件。通过对当前国内励磁控制系统的应用状况以及大量实例的解剖分析，指出了老式励磁装置所存在的缺陷，并提出了新的设计方案，在此基础上开发研制的LZK-3型同步电机励磁装置具有一系列显著的特点，主电路设计新颍、简洁、实用，控制系统以微处理器为核心，采用波形特征分析方法实现了励磁、保护、故障报警等核心功能，同时为适应当前控制系统的发展趋势，在可靠性、智能化、网络化等方面进行了功能扩展。LZK-3型励磁控制装置已在国内多项大型工程中获得了成功的应用。部分习题n1.可控硅的特性以及导通和关断条件？n2.LZK系列励磁控制器的投励方式？n3.灭磁盒的特性并简述原理？n4.再整步过程？n5.失步的种类？n6.LZK系列励磁装置失步保护的原理？n7.改进型半控桥式励磁装置主回路的特点？n8.改进型全控桥式励磁装置主回路的特点？部分习题n9.同步电机与异步电机相比较有何特点？n10.LZK系列励磁控制器的运行方式？
