無刷同步機(jī)的原理與應(yīng)用

1、交流無刷勵磁同步電動機(jī)在焦?fàn)t氣壓縮機(jī)的應(yīng)用安全生產(chǎn)部（甲醇） 趙金霜2011-11-3交流無刷勵磁同步電動機(jī)在焦?fàn)t氣壓縮機(jī)的應(yīng)用我公司在利用焦?fàn)t氣生產(chǎn)甲醇的過程中，有三臺焦?fàn)t氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的驅(qū)動電動機(jī)采用了電壓等級為10KV型號為TAW2000-18/2600，功率為2000KW的增安型無刷勵磁同步電動機(jī)，這三臺同步機(jī)分別為1#、2#、3#，其中1#、2#置于甲醇開閉所10KV高壓段，3#置于甲醇開閉所10KV高壓段，這三臺同步電動機(jī)在生產(chǎn)中不僅作為焦?fàn)t氣壓縮機(jī)的驅(qū)動電機(jī)，同時還為甲醇開閉所10KV供電系統(tǒng)提供無功功率，用于提高10KV供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。同步電動機(jī)和異步電動機(jī)均屬于交流電動

2、機(jī)，都是靠50周交流電網(wǎng)供電而轉(zhuǎn)動，異步電動機(jī)是定子送入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子受感應(yīng)產(chǎn)生磁場，這樣兩磁場作用，使得轉(zhuǎn)子跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場而轉(zhuǎn)動，其中轉(zhuǎn)子比定子旋轉(zhuǎn)磁場慢，有個轉(zhuǎn)差，不同步所以稱為異步電動機(jī)，又稱感應(yīng)電動機(jī)。同步電動機(jī) 無刷同步機(jī)的與原理同步電動機(jī)就是由直流供電的勵磁磁場與電樞的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的交流電動機(jī)。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足 n=60f/p 轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率,所以電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變并且與負(fù)載無關(guān)，同步電動機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定性高，過載能力大的特點(diǎn)。無刷同步電動由于沒有滑環(huán)、碳刷等可能產(chǎn)生火花的環(huán)節(jié)，在易燃易爆的場所特

3、別適用，此外由于去掉了碳刷等易損元件，大大提高了電動機(jī)的整體可靠性。無刷同步電動機(jī)的勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：其中勵磁發(fā)電機(jī)電樞與同步電動機(jī)同軸轉(zhuǎn)動，無刷勵磁結(jié)構(gòu)將勵磁發(fā)電機(jī) 旋轉(zhuǎn)整流器 及滅磁電阻等均安放在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子同一軸上。旋轉(zhuǎn)整流器是由一個控制模塊、一個轉(zhuǎn)換模塊和三個功率整流模塊構(gòu)成，控制模塊負(fù)責(zé)電機(jī)啟動過程滅磁與投勵邏輯，電機(jī)啟動時控制模塊令轉(zhuǎn)換模塊上的晶閘管導(dǎo)通，將滅磁電阻連接到無刷同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組上，以提供較大的啟動轉(zhuǎn)矩，降低勵磁繞組的端電壓，此時功率模塊上的晶閘管截止，當(dāng)電機(jī)到達(dá)亞同步且達(dá)到準(zhǔn)角條件時，控制模塊觸發(fā)功率模塊上的晶閘管導(dǎo)通，將勵磁發(fā)電機(jī)的電樞電壓整流后加在同步

4、機(jī)的勵磁繞組上，為同步機(jī)提供持續(xù)的勵磁電流，同時轉(zhuǎn)換模塊上的晶閘管截止，續(xù)流二極管導(dǎo)通保護(hù)轉(zhuǎn)換模塊中的晶閘管不受反擊電壓。勵磁電流可以直接供 給同步電動機(jī)的勵磁繞組，不必通過滑環(huán) 碳刷等部件，這樣使得勵磁結(jié)構(gòu)體積小，防爆性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便。無刷同步電動機(jī)的工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行無刷同步電機(jī)在工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，靜態(tài)勵磁裝置向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組通以適當(dāng)?shù)膭畲烹娏鳎趧畲虐l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組端部感應(yīng)出三相交流電壓，由旋轉(zhuǎn)整流器（等效于二極管整流器）整流成直流電壓，施加在無刷同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組上，為其提供持續(xù)的勵磁電流。無刷同步電機(jī)的工頻啟動投勵磁過程如下圖所示：勵磁器狀態(tài)旋轉(zhuǎn)整流器狀態(tài)判斷亞

5、同步速準(zhǔn)角判據(jù)，向同步電動機(jī)投入勵磁電流同步電動機(jī)整步進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)同步運(yùn)行狀態(tài) 高壓斷路器合閘向勵磁發(fā)電機(jī)定子勵磁繞組投入勵磁電流同步電動機(jī)加速勵磁發(fā)電機(jī)建立電樞電壓同步電動機(jī)加速至亞同步速投入滅磁電阻旋轉(zhuǎn)整流器控制電上電 電機(jī)狀態(tài) 根據(jù)勵磁發(fā)電機(jī)的物理特性，其輸出的電樞電壓近似與電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵磁發(fā)電機(jī)勵磁電流的乘積成正比，因此勵磁器可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)無刷同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁電流的目的。工頻啟動時，首先高壓斷路器合閘，旋轉(zhuǎn)整流器的滅磁部分電路根據(jù)同步機(jī)勵磁繞組上的感應(yīng)電壓將滅磁電阻連接到同步電動機(jī)的勵磁繞組上，同步電動機(jī)逐漸加速，同時勵磁器觸發(fā)觸發(fā)

6、晶閘管，向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電壓逐漸升高，當(dāng)其高于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓后，由其供電的旋轉(zhuǎn)整流器控制器上電，旋轉(zhuǎn)整流器監(jiān)測同步電動機(jī)勵磁繞組上的感應(yīng)電壓，當(dāng)期周期大于預(yù)設(shè)值（表示同步電動機(jī)已到達(dá)亞同步速）且達(dá)到反向過零點(diǎn)時，觸發(fā)整流晶閘管，關(guān)斷滅磁晶閘管，將勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞電壓整流后加在同步機(jī)的勵繞組上，完成投勵，電機(jī)經(jīng)過短暫的整步過程后進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)，同步電動機(jī)啟動過程完成。旋轉(zhuǎn)整流器主回路原理圖（見下頁）無刷同步電機(jī)的工頻停機(jī)過程 工頻停機(jī)時，斷開高壓斷路器，同時勵磁器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角至有源逆變區(qū)，將勵磁

7、發(fā)電機(jī)的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電壓迅速下降，當(dāng)其小于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓時，旋轉(zhuǎn)整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續(xù)流二極管將滅磁電阻連接至同步電動機(jī)的勵磁繞組上，同步電動機(jī)的勵磁電流迅速下降至零，同步電動機(jī)在負(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩的作用下逐漸停穩(wěn)。 同步電動機(jī)的V型曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié) 同步電動機(jī)的V型曲線指： 在保持電壓U和負(fù)載T 不變的條件下，電樞電流 I1與勵磁電流If 之間的關(guān)系曲線，即 I1=f（ If ）V型曲線經(jīng)試驗測得：從圖中可見，不同的負(fù)載對應(yīng)一條V型曲線，每條曲線電樞電流都有一最小值，曲線最低點(diǎn)的功率因數(shù)cos=1，是正常勵磁點(diǎn)，以此點(diǎn)為界，左邊是欠

8、勵，右邊是過勵；V型曲線的左上半部分，其功率因數(shù)已超出對應(yīng)于穩(wěn)定極限的數(shù)值，所以是不穩(wěn)定區(qū)。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cos示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S。 電力系統(tǒng)中負(fù)載有三種：阻性負(fù)載 容性負(fù)載 感性負(fù)載1. 阻性負(fù)載：和電源相比 負(fù)載電流 負(fù)載電壓沒有相位差時，負(fù)載為阻性。2. 容性負(fù)載：和電源相比，負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個相位差，負(fù)載為容性。3. 感性負(fù)載：和電源相比負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個相位差，負(fù)載為感性。電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過程中不

9、僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時吸收無功功率。因此在電網(wǎng)中安裝無功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無功功率。減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗，這種措施稱作功率因數(shù)補(bǔ)償。 由于功率因數(shù)提高的根本原因在于無功功率的減少，因此功率因數(shù)補(bǔ)償通常稱之為無功補(bǔ)償。生產(chǎn)過程中，感性負(fù)載多，線路功率因數(shù)低，所以用同步機(jī)生產(chǎn)的同時給系統(tǒng)補(bǔ)償了無功功率，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了電力線路上的無功消耗。同步機(jī)的勵磁電流應(yīng)當(dāng)如何調(diào)節(jié)則要視電動機(jī)運(yùn)行時電網(wǎng)的實際情況而定，若電網(wǎng)功率因數(shù)未達(dá)到要

10、求，需要同步機(jī)提供無功，電動機(jī)就應(yīng)工作在過勵狀態(tài)（但應(yīng)以電樞電流不超過額定值為極限），以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)；若電網(wǎng)功率因數(shù)已達(dá)到要求，則同步電動機(jī)應(yīng)工作在正常勵磁狀態(tài)，這是電動機(jī)的功率因數(shù)為1. 電樞電流I1 小 銅損最小，效率最高。 在大系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償還用于調(diào)整電網(wǎng)的電壓，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。 無刷同步電動機(jī)的應(yīng)用期間出現(xiàn)的故障 我廠的無刷同步電動機(jī)經(jīng)過一段時期的運(yùn)行，比較嚴(yán)重的故障先后出現(xiàn)過兩次，第一次是2009年11月份2#焦?fàn)t氣壓縮機(jī)電機(jī)出現(xiàn)定子電流在同負(fù)荷的情況下電流增大，電機(jī)噪音大，有明顯的抖動現(xiàn)象，經(jīng)判斷后查出是旋轉(zhuǎn)整流器上的功率模塊有一個擊穿；第二次是2010年5月，3#焦?fàn)t氣壓縮機(jī)電機(jī)啟動后不切換，牽入不了同步，經(jīng)拆蓋測量后，原因是控制模塊損壞?？偠灾?，我廠安裝的三臺無刷同步電機(jī)電機(jī)位于凈化車間，屬于高危 易燃易爆甲級防火場所，