同步電機勵磁電源

同步電機勵磁電源是指採用三相不可控整流橋將降壓後的交流電變為脈動的直流,然後用濾波電容將其濾波為較平滑的直流電壓,根據同步電動機的輸出電壓的變化,將所採集的反饋量與相應的給定值比較後,執行數字PID算法單片控制的通斷實現連續可調的脈衝電壓的一種電源。

基本介紹

• 中文名：同步電機勵磁電源
• 外文名：Synchronous motor excitation power supply
• 特點：調節功率、每次功能
• 原理：三相橋式全控整流電路
• 學科：電機學
• 套用：油田抽油機等

特點

同步電機勵磁電源特點

同步電機勵磁電源的負載是電機的勵磁繞組，它是一個感性負載，若要求電源的輸出電流是連續的，當整流電路採用三相晶閘管橋式整流器時，各整流臂上的晶閘管的導通角應該為120°；在電網電壓發生波動、同步電機負載衝擊等情況下，要求同步電機不失步。恆電流勵磁系統和恆無功功率調節的勵磁系統可以滿足這種要求。因此，同步電機勵磁電源應具有以下特點：

(1)要求電源輸出電壓為額定電壓的40%～100%時，電源能提供額定電流，以保證勵磁系統能正常工作；

(2)在恆電流勵磁系統中，當電網電壓在其額定值的80%～105%的範圍內波動，勵磁繞組電阻熱態阻值的增量不大於冷態阻值的10%時，勵磁電流應有±5%的變化範圍；

(3)在恆無功功率調節勵磁系統中，當同步電機的負載從空載到兩倍額定負載範圍內變動時，同步電機無功功率的變動應小於10%；

(4)為適應同步電機的強勵，當電網電壓降低到其額定值的80%時，對於恆電流勵磁系統，強勵電壓為勵磁電源額定輸出電壓的140%，對於恆無功功率勵磁系統，強勵電壓為勵磁電源額定輸出電壓的150%；

(5)強勵在不小於60s的時間內，同步電機勵磁電源應可靠工作。整流變壓器的電流過載能力是以小時計算的，60s的強勵時間在整流變壓器設計時可以不計，可以按額定電流和強勵電壓倍數來進行設計；勵磁電源電路中的晶閘管和熔斷器不能承受60s的強勵時間，在選擇晶閘管和熔斷器時，應按過載倍數下的電流值來考慮；由於60s的強勵時間對冷卻系統無影響，可按額定輸出時的耗散功率來設計冷卻系統；電路的過電壓保護和過電流保護應考慮同步電機勵磁電源的負載為感性以及強勵等特點。

(6)同步電機勵磁電源應具有失步檢測和快速滅磁功能。

若勵磁狀態下同步電機出現失步，在定子旋轉磁場的作用下，轉子(勵磁繞組)會感應出交流分量，產生脈動轉矩，在脈動轉矩的長時間作用下，可能引起機械和電氣共振，這種共振具有比較大的破壞作用。出現失步時，必須快速滅磁。

所以，同步電機勵磁電源必須具有快速滅磁電路；

同步電機失步時，所產生的脈動轉矩是正負交替的，定子電流的有功分量出現周期性的負值。只要在定子電流的有功分量中檢測出負值電流，就可判定出現了失步，立即進行滅磁。

同步發電機勵磁用整流器的特點

同步發電機勵磁電源的主流為晶閘管勵磁電源。由於同步發電機的種類繁多，勵磁方式各不相同。現將常用的幾種同步發電機的勵磁方式簡介如下。

1）單變壓器自勵方式

圖1為單變壓器自勵方式用晶閘管勵磁電源的原理圖。

圖1

圖1中的UR為整流電路，GS為同步發電機，TE為勵磁變壓器，TA為電流互感器，TV為電壓互感器，PG為脈衝發生器，AUR為自動電壓調節器。若整流電路採用晶閘管橋式半控整流電路時，由於晶閘管橋式半控整流電路對上升信號和下降信號的回響時間不同。對上升信號的回響時間取決於飽和輸出電壓，而飽和輸出電壓與晶閘管的最小延遲角αmin和電源電壓值有關。而在下降信號的作用下，磁場電流通過續流二極體VD1發生衰減，降壓速度變緩。為了改變這種狀況，可以

採用晶閘管橋式全控整流電路。此時，選用晶閘管時，應加大晶閘管的容量，以便在磁場時間常數下，能夠通過額定勵磁電流。

2）複合勵磁方式

圖2

在自勵方式中，若發電機母線電壓有較大的跌落，勵磁系統的回響特性要變差。在此種情況下，可選用複合勵磁方式加以補償。

複合勵磁方式用晶閘管勵磁電源的方框圖如圖2所示。圖2與圖1相比較，可以看出，複合勵磁方式是單勵磁變壓器TE與電流互感器TA2複合的勵磁方式。GP為永磁發電機。

從圖2可以看出，整流電路UR的輸入電源來自兩個方面。其一是取自於勵磁變壓器TE中與發電機GS端電壓成正比的電壓分量；其二是取自於電流-電壓變換器(電流互感器TA2與電壓互感器

TV的組合)中與發電機GS輸出電流成正比的電流分量。由於電流-電壓變換器的二次電感很大，主發電機的勵磁繞組為感性負載，換流時會產生很大的電壓波形畸變，如果將這個波形畸變的電壓作為晶閘管的同步信號，將使控制電路失控。為了避免此種現象的發生，應採用模擬裝置取出觸發同步信號。該模擬裝置應具有勵磁變壓器和電流-電壓變換器的特性，在任何狀態下均能得到與整流電路輸入電壓波形和相位相同的同步信號。

另外，在自動電壓調節器中，要求設定過電流限制電路，以防止在過補償的情況下，系統母線發生短路故障時，發電機短路電流和晶閘管輸出電流的過度增長。

複合勵磁方式的優點如下：

(1)由於可以採取過補償，系統母線電壓降低時，也能得到較好地快速勵磁，即使在發電機三相短路時，仍具有強制勵磁能力，並且發電機三相短路時的輸出持續電流可以任意設定；

(2)若在自動電壓調節器中設定了過電流限制單元，僅採用複合勵磁方式中的單變壓器自勵電路就可以進行發電機乾燥運行；

3）通過勵磁發電機向主發電機提供勵磁電源的方式

圖3

(1)無換向器勵磁方式

無換向器勵磁方式的方框圖如圖3所示。圖3與圖1相比較，可以看出，增加了交流勵磁發電機GEA和附加整流電路UR1(UR1為三相矽二極體整流器)，GEA向UR1供電，UR1的輸出電流經主發電機的轉子滑環，流經主發電機的勵磁繞組。

(2)無刷勵磁方式

圖4為無刷勵磁方式的方框圖。從電路結構上來看，圖4與圖3相同，但在機械結構上兩者有很大的區別。無刷勵磁方式中的交流勵磁發電機GEA與主發電機GS同軸旋轉，GEA的定子繞組作為本身的勵磁繞組有晶閘管整流器供電，GEA的轉子繞組直接向矽二極體旋轉整流器UR1供電，省去了換向器。UR1安裝在軸的頂端，與發電機同步旋轉，UR1的直流輸出直接接到主發電機的勵磁繞組，省去了主發電機勵磁繞組的滑環。

圖4

這種勵磁方式的最大缺點是旋轉整流器與發電機同軸旋轉，要承受巨大的離心力，為防止離心力的破壞，可將旋轉整流器與軸用環氧樹脂澆注成一體。

原理

同步電機勵磁電源原理

圖5為同步電機勵磁電源主電路的電原理圖。圖5中採用三相橋式全控整流電路，虛線內是滅磁電路，SB為檢測滅磁電路的手動按鈕，MS為同步電機。

圖5

同步電機勵磁電源的控制電路應具備以下功能(以圖5所示的主電路為例)：

(1)因為同步電機作為勵磁電源的負載呈電感性，在晶閘管三相橋式全控整流電路中，要求相隔60°的6路觸發脈衝，每路脈衝的寬度應大於60°。

(2)當採用逆變方式加快滅磁過程時，為使晶閘管三相橋式全控整流電路處於逆變狀態，要求觸發脈衝的移相範圍大於140°；

(3)同步電機的的起動方式，一般是在通電前將勵磁繞組短接，形成異步電機，通電後按異步電機運行。當轉速達到亞同步轉速時，投入勵磁電流，將電機牽入同步運行。牽入同步的條件是轉差率小於5%，並且在轉子順極性時及時投入勵磁電流。控制電路應能完成同步電機的轉速檢測和起動控制；

(4)為使同步電機在衝擊負載下，能以穩定的無功電流運行，要求控制電路能檢測同步電機的無功電流，並能自動調節勵磁電流，完成無功分量的補償；

(5)控制電路還應具備前面講到的強勵和滅磁功能。

機勵磁系統的工作原理

同步電機勵磁系統工作原理框圖，如圖6所示。同步電機轉子迴路勵磁應採用三項全控橋固接勵磁線路，因為三項全控橋不會因整流電壓脈動，同步電機轉子勵磁繞組電感放電而影響正常，使同步電機在啟動過程中轉子勵磁繞組感應的交變電壓兩半波都經由放電電阻，同步電機不會產生附加的制動轉矩，保持了同步電機的固有啟動特性。

圖6

同步電機勵磁系統應具有自動滅磁環節，同步電機採用異步啟動時，其定子繞組產生旋轉磁場，轉子被旋轉場切割，在轉子繞組中感應出交變電壓。如果不將其通過一定的迴路放掉，將對轉子繞組及人身安全帶來損害。因此，採用自動滅磁環節，以免轉子繞組的絕緣被擊穿。

勵磁電流的大小，直接影響電機從電網吸取電流的大小和相位。通過控制勵磁電流能夠控制同步電機的功率及進行功率因數的調整。