1、同步电机分为同步发电机和同步电动机。同步电机在电力系统中有非常重要的地位和作用。早期的励磁装置采用直流发电机作电源，自从大功率电力电子器件及可控整流技术问世以来，绝大部分励磁装置都采用了以晶闸管整流电路为主的可控变流技术。其控制电路采用集成化模拟控制或微机化数字控制，具备很高的可靠性。同步机励磁分为同步发电机励磁和同步电动机励磁，两者有完全不同的控制方式。其中同步发电机励磁容量大，责任也大，因此显得更重要。第第9 9章章 电力电子技术在同步电机中电力电子技术在同步电机中的应用的应用 第第9 9章章 电力电子技术在同步电机中的应用电力电子技术在同步电机中的应用 9.1 同步发电机励磁系统9.2
2、同步电动机励磁用整流器 9.3 无换向器电动机 9.1 同步发电机励磁系统 同步发电机是电力系统中最主要的供电电源，它主要分为隐极机和凸极机两种。隐极机与汽轮机配套，用于火力发电厂，一般为一对极，在50Hz情况下，转速为3000r/min。凸极机则有较多的极对数，转速较低，一般与水轮机配套，主要用于水力发电厂。它们共同的特点是需要直流电流来建立磁场，统称为励磁系统。发电机的励磁系统有许多不同的类型。由与发电机同轴旋转的励磁机来励磁的称为旋转励磁系统，旋转励磁系统又分直流励磁系统和交流励磁系统。交流励磁系统又分为同轴安装的旋转整流器和静止整流器两种。不存在旋转部件，称为静止励磁或全静态励磁系统。
3、9.1.1 9.1.1 发电机励磁系统的组成框图发电机励磁系统的组成框图 (1)励磁机。根据调节器的指令信号向同步发电机的磁场绕组提供直流功率，是励磁系统的功率输出级。(2)调节器。将输入控制信号进行处理并放大到一定水平，用于控制励磁机。它既有调节功能又有使励磁系统稳定的功能(变化率反馈或超前滞后补偿)。图9-1 同步发电机励磁控制系统的功能方框图(3)机端电压传感器和负荷补偿器。测量发电机端电压，将其进行信号幅值调理，并将其与一个代表企望端电压的基准值相比较。此外，如果要保持在电气上远离机端的某一点(例如升压变压器高压端)的电压恒定，则还要有负荷补偿(线路压降补偿或无功补偿)。(4)电力系统
4、稳定器。向调节器提供一个附加的输入信号，以阻尼电力系统的振荡。常用的输入信号有转子转速的偏差、交流功率的偏差和频率的偏差。(5)限制器与保护回路。包括一系列的控制与保护功能，保证励磁机和发电机的负载能力极限不被超过。9.1.2 励磁系统的类型1.直流励磁系统 这类励磁系统用直流发电机作为励磁电源，并通过滑环向同步发电机转子供电。励磁机可以由一台电动机驱动，或者与发电机同轴驱动。励磁机可以是自激的，也可以是他激的。他激励磁机的磁场由永磁副励磁机供电。一台直流整流子励磁机，通过滑环向主发电机的磁场供直流电。励磁机的磁场由一台磁放大机控制。磁放大机是一种特殊的旋转放大机，是特殊结构的直流电机，只需要
5、很小的磁场控制功率就能在交轴电枢里产生很大的电流。实际上磁放大机是一个功率放大10000100000倍，时间常数为0.020.25s的功放装置。图9-2 磁放大机电压调节器的直流励磁系统2.2.旋转整流器励磁系统旋转整流器励磁系统右图这种系统称为无刷励磁系统(brushless excitation system)。开发这种系统是为了在为大容量发电机的磁场提供强大励磁电流(例如600MW发电机的励磁功率在1MW等级)时，避免发生使用电刷可能出现的问题。图9-3 无刷励磁系统 无刷励磁系统不能直接测量发电机的磁场电流或电压。主发电机电压由晶闸管触发回路的可调直流输入设定值来控制。为了简化，图9-
6、3中没有详细画出控制电路的各项功能。3.3.机端供电的全静态励磁系统机端供电的全静态励磁系统 这种励磁系统通常称为母线供电或变压器供电(bus-fed or transformer-fed)的静态励磁系统。这种静态励磁系统缩短了发电机轴系，降低了造价，减小了振动因素，因此更适合大型发电机组，尤其是单元式发电机组。此系统有很小的固有时间常数。但最大励磁电压(顶值)取决于输入的交流电压，所以当系统故障使发电机端电压下降时，可用的励磁顶值电压也下降。图9-4 机端供电的全静态励磁系统 第第9 9章章 电力电子技术在同步电机中的应用电力电子技术在同步电机中的应用 9.1 同步发电机励磁系统9.2 同步
7、电动机励磁用整流器 9.3 无换向器电动机 9.2 9.2 同步电动机励磁用整流器同步电动机励磁用整流器 9.2.1 同步机励磁的工作原理 图9-5是同步电动机励磁用整流器的典型原理图。整流器通常采用三相桥式全控或半控方式。其中晶闸管VT1VT6组成三相全控桥式接线(若VT2，VT4，VT6采用同等容量的大功率二极管整流器代替则组成半控桥式接线)。VT1VT6都并联有阻容吸收元件保护，串联有快速熔断器保护。整流变压器TR起隔离作用和电压匹配作用。图9-5 同步电动机励磁用整流器原理图MS同步电动机；UM灭磁电路；UR整流桥；Rfd1、Rfd2灭磁电阻；TR整流变压器；QF断路器；RS分流器；S
8、B检查按钮 在同步电动机起动时，励磁绕组不加励磁电流，励磁绕组通过灭磁电阻短接，电动机靠阻尼绕组产生的异步转矩起动，当转速达到额定转速的95%97%时，根据一定条件启动励磁系统，加入励磁电流，转子产生的磁场由定子磁场把转子牵入同步，完成启动过程。9.2.2 9.2.2 励磁用整流器的特点励磁用整流器的特点 为了使同步电动机在电网波动、电动机负载冲击等外部条件影响下不至于失步，整流器的主回路应具有以下特点。(1)在直流电压输出为额定值的40%100%时，能在额定电流下连续运行。(2)恒电流励磁系统要求当电网电压波动在80%105%额定值之间和励磁绕组电阻的热态值增加不大于10%的条件下，励磁电流
9、保证5%的精度。(3)恒无功功率调节的励磁系统，要求在同步电动机负载从空载至2倍额定负载范围内变动时，同步电动机无功功率变动不大于10%。(4)装置具备一定的强励能力。9.2.3 9.2.3 主电路计算主电路计算 根据以上特点，与一般整流器的设计不同点在于，对冷却系统、整流变压器、晶闸管元件及其保护用快速熔断器元件等的选择应分别给予考虑：(1)由于强励过载的时间不长、不频繁，冷却系统可按额定输出时的发热量来考虑。(2)强励时间要求达到60s，对于热时间常数以秒计的晶闸管和快速熔断器来说，已相当于长期负载的作用，因此在选择晶闸管和快速熔断器保护的协调性时，应按照强励过载倍数下的电流值来考虑。(3
10、)整流变压器的设计电压可只考虑强励电压倍数的要求，而不必考虑强励电流倍数的要求。因为60s的电流强励过载要求和以小时计的变压器电流过载能力相比，可不予考虑。9.2.4 9.2.4 控制电路控制电路 同步电动机励磁整流器的控制电路，主要有晶闸管触发器(包括强励和灭磁功能的控制)、电动机的起动控制以及无功补偿的控制。实现这些控制的电路方式很多，以下仅就设计控制电路时需考虑的一些问题进行说明。(1)触发器。三相全控桥式连接需要六组相隔60电角度的触发脉冲，因为负载是电感性质，并考虑到掣住电流的需要，脉冲发生器应能产生宽度大于60的宽脉冲或间隔60的双窄脉冲。为了保持输出的励磁电压相对于电网电压稳定，
11、可引入电网电压反馈电路。当采用逆变方式加快灭磁过程时，触发脉冲移相范围应大于140，以使三相桥式电路能处于逆变器状态工作。(2)无功补偿控制。同步电动机工作在冲击负载条件下时，常常使电网的无功分量发生较大的波动，影响电网质量。为此采用无功补偿控制环，检测同步电动机无功电流信号，并控制励磁系统在负载增加时自动调节励磁电流，使同步电动机在冲击负载下，以比较稳定的无功电流或比较稳定的功率因数运行。第第9 9章章 电力电子技术在同步电机中的应用电力电子技术在同步电机中的应用 9.1 同步发电机励磁系统9.2 同步电动机励磁用整流器 9.3 无换向器电动机 9.3 9.3 无换向器电动机无换向器电动机
12、9.3.1 无换向器电动机概述 无换向器电动机是近年发展起来的一种新型调速电机。它的构造和交流同步机相同，没有换向器，但其工作原理、特性及调速方式却与直流机相似，因此称这种电动机为无换向器直流电动机，简称无换向器电动机。由于它采用晶闸管电源供电，所以也称做晶闸管电动机。无换向器电动机可定义为具有磁极位置检测器(PS)的同步电动机(SM)由半导体电力变换装置供电的电机系统。无换向器电机加上系统控制装置构成了无换向器电机控制系统，如图9-6所示。图9-6 无换向器电动机控制系统SM同步电动机；PS位置检测器无换向器电机同其他几种调速电动机比较，有如下特点：(1)调速性能优良，与直流电机特性相似，可
13、均匀无级调速，调速范围可达10:1至50:1。(2)结构简单，无机械换向器，不会产生火花，便于维护，适应恶劣环境和易燃易爆场合，容易做到大容量，高转速和高电压。(3)起动特性不如直流机好，但比一般交流机好，起动转矩较大，起动电流不很大，起动方便，运行稳定。(4)功率因数和效率与直流系统相似，但比一般交流系统要好，可方便地实现四象限运行。(5)目前还存在过载能力低的问题，附加的控制装置较复杂，系统的工作可靠性很大程度上取决于变频器和控制系统的可靠程度。9.3.2 9.3.2 无换向器电动机的工作原理无换向器电动机的工作原理 1.1.无换向器电动机的基本原理 无换向器电机与带有三个换向片的直流机在
14、原理上基本相同，只不过是由晶闸管开关和位置检测器代替了直流机的机械换向器和电刷来进行换向而已。依次触发各相应的晶闸管开关，例如在图9-7中顺次有晶闸管SCR6、SCR1导通图9-7(a)换向后SCR1、SCR2导通图9-7(b)，转子磁极将会依次转过60电角度。图9-7 无换向器电机的磁场(a)A-B；(b)A-C；(c)B-C 无换向器电动机随着转子的旋转，周期地触发和关断相应的晶闸管，使电枢磁场和磁极磁场保持相对静止关系，其相位差为j角。两个磁场相互作用的结果产生电机的运动，并在很大程度上决定了该电机运行性能。图9-8 直流无换向器电动机原理图 无换向器电动机的构造主要包括同步电动机本体，
15、转子位置检测器(又称测频器)及晶闸管变频器等几部分。位置检测器是无换向器电动机特有的元件，它是检测转子磁极和定子旋转磁场间相对位置并向变频器发出控制信号的装置。常用的有差动变压器式位置检测器、接近开关式位置检测器、磁敏式位置检测器和光电式位置检测器等几种。正转时间(电角度)0 120 240 360电枢绕组电流方向ABACBCBA CACB(+)侧导通的SCR135(-)侧导通的SCR6246反转电枢绕组电流方向ABCBCABA BCAC(+)侧导通的SCR1531(-)侧导通的SCR642表9-19-1 正反转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序 综上所述，无换向器电动机可以等效成带有三个换向片的
16、直流机，其换向器及电刷的功能由晶闸管SCR及转子位置检测器来完成。只是采用晶闸管开关取代了换向片和电刷，所以无换向器电动机又常称为晶闸管电动机。由于晶闸管开关元件数受限，相当具有三个换向片的直流电机，故无换向器电动机运行呈步进工作状态。这在高速连续运行时由于电机的惯性作用对速度无任何影响，在低速运行时有步进感。2.2.无换向器电动机的换流 一般把欲触发的晶闸管导通以及把先前已导通的晶闸管关断的过程称为换流。无换向器电机的换流可靠与否，对于它的运行，起动及过载能力等方面都有重要的影响。下面介绍实用的两种基本换流方式。(1)自然换流法(反电势换流法)。一般无源逆变器为保证晶闸管可靠换流都需要有一套
17、特设的换流电路，因而使逆变器线路变得很复杂。但在逆变器对同步电动机供电的线路中，同步电动机的电枢绕组存在着由励磁磁场感应产生的电势(如同直流电机电枢中的反电势一样)。利用这个反电势换流可以使换流电路大大简化，这和有源逆变器工作中的换流过程是一样的。图9-9 反电势换流的原理(a)逆变器电路；(b)换流时波形现在以晶闸管由SCR1到SCR3的换流过程为例说明反电势换流的原理，参看图9-9a 在电动机开始起动和低速运行时，由于反电势过小，利用自然换流法难以实现可靠换流，因此一般需要采用附加电势强制换流或断续换流法，等电机到达一定高速时再转到自然换流上去。(2)断续电流换流法。无换向器电动机在起动和
18、低速运行时，为了保证逆变器可靠地换流，应采取措施，使得每当换流来临时刻让流过逆变器的电流迅速下降到晶闸管维持电流以下，从而使晶闸管关断。这种换流方法称作断续电流换流法或简称断流法。无换向器电动机采用交直交变频方式供电时，晶闸管逆变器在低速时采用断续电流法换流，在高速时采用反电势自然换流法换流。由低速向高速换流方式的切换，可以用带滞环特性的施密特触发器构成的速度检测器自动进行。9.3.3 9.3.3 无换向器电动机的特性及调速方法无换向器电动机的特性及调速方法 l本小节简要推导无换向器电动机的转速、转矩公式及机械特性方程式，并分析基本调速方式及其调速特性。在推导之前，规定下列符号，参看图9-10
19、(a)。图9-10 无换向器电动机主电路及电压波形(a)主电路；(b)电压波形 1.1.转速公式与调速方法设三相电压瞬时值分别为 A2sinuUtB22sin3uUt-C42sin3uUt-则直流侧电压与电机端电压平衡关系有 05 6dAC21d562Uuut-005 ACBC65 6d2uuuut-05 65 BC6duut-036coscos22U-(9-1)电动机电枢每相绕组的电势E与转速n和磁通F之间的关系为 式中：p为电机极对数；n为转速，rad/min；k1W1为电机每相绕组的等值匝数；F为每极磁通。1 111122V60pnEf kWkWFF 若不考虑线路损耗及电机内部压降(已归
20、入R)，则电机电势E与外加直流电压即逆变器输出相电压U相平衡，因此 将式(9-2)代入式(9-1)得 11260pnUEkWFd1103coscos1022UpnkWF-(9-2)(9-3)于是可以求出电动机转速与输入直流电压的关系 其中,为电势常数。d110103coscos22UnpkWF-dE0coscos22UKF-(9-4)E11310KpkW 另一方面，晶闸管整流器输出直流电压平均值(对于三相全控桥式电路)为 将式(9-5)代入式(9-4)得d22dd3 6cos2.34cosEUUUI RddE0coscos22EI RnKF-2dE02.34coscoscos22UI RKF-
21、(9-6)(9-5)式(9-6)即为无换向器电动机的转速公式。将它与直流电动机的转速公式比较可以看出二者是非常相似的。根据式(9-6)可知无换向器电动机也有三种调速方式：l(1)改变直流电压Ud。在晶闸管整流器输入为交流的情况下可以通过改变控制角a来实现。这类似直流电动机改变电枢电压的调速方法。l(2)改变励磁电流If或磁通f。这相当于直流电动机的改变磁通(弱磁)的调速方法。l(3)改变换流超前角g0。2.2.转矩公式无换向器电动机的平均转矩可由输入的电磁功率Pd及角速度W求出：将式(9-5)及式(9-3)代入式(9-7)得 其中，为转矩常数。dddd2/60EI RIPMn-11d03 3c
22、oscos22MkW pIF-Md0coscos22KIF-(9-7)(9-8)M113 3KkW p图9-11 三相零式逆变电路转矩的脉动(a)转矩的产生；(b)g0=0；(c)g0=30在图9-11(a)所示瞬间，触发晶闸管使绕组通电并产生自左向右的电枢磁场，则磁极正好处于比较强的磁场范围内，产生转矩的平均值比较大，脉动比较小。习惯上把这一点的晶闸管触发角度定为g0=0。在g0=0的情况下，电机三相绕组所产生的总转矩如图9-11(b)所示。在g0角超前或滞后情况下触发晶闸管，则转矩平均值减小，脉动增加。在三相零式逆变电路接法中，当g030超前时，电机转矩出现过零点如图9-11(c)所示，这
23、会在电动机起动时出现死点。3.3.调速特性 当励磁电流If(或磁通j)保持一定时，以换流超前角0为参数，根据式(9-6)可以画出一族电动机转速n随外加控制直流电压Ed变化的曲线n=f(Ed)，并称它为无换向器电动机的空载调速特性，如图9-13所示。图9-13 空载时电压调速特性 当0=0时，若忽略换流重叠角g，则空载调速特性近似为一直线。当00时，由转速公式可见，cos(0-/2)1，其作用反映了负载电流对气隙磁通中的去磁作用以及超前换流使电压幅值升高的作用，因此在同一直流电压下的转速较0=0时的转速要高。当电压Ed保持一定时，以换流超前角0为参数，也可以画出一组励磁磁通控制时的调速特性n=f
24、(If)或n=f(j)，如图9-14所示。由于转速与磁通成反比，故它近似为一族双曲线。图9-14 空载时励磁调速特性 从上述调速特性可以看出，无换向器电动机和直流电动机的控制方法、控制特性是很相似的。在空载时，转速与外加电压成正比，与励磁磁通成反比，用这简单关系可以估算出电机调速时的变化趋势。4.4.机械特性 当电动机带上机械负载以后，其转速将随负载转矩的增加而略有下降。将式(9-8)中的Id代入式(9-6)中便得到类似直流电动机的机械特性方程式dE0coscos22EnKF-222EM0coscos22RMK KF-(9-9)l当励磁磁通保持一定时，可以绘出一族相互平行的机械特性曲线，如图9-15所示。由图可见，它和他励直流电动机的机械特性曲线一样，特性很硬，具有很小的转速变化率。图中数值实例在Ed=20V时才有可能堵转，因此无换向器电机有可能在很低转速下稳定运转，从而具有较宽的调速范围。图9-15 电枢电压调速时的机械特性 无换向器电动机是电流型变流器控制的系统，它的一个最大特点是：在任何速度下都可平滑地实现电动，再生发电制动以及可逆运转方式的无触点自动切换。在电动机最大允许的正、负转矩限制范围内，能够进行稳定的运转和急速的加减速控制。
