同步電動機勵磁系統缺陷及改善措施

    同步電動機是發電廠及其它工業生產中的重要動力設備，廣泛用于拖動發電廠球磨機、大容量泵與風機等輔機設備，同時能向電網發送無功功率，支持電網電壓，提高電網功率因數。國內、外許多電機制造公司擁有大型同步電動機設計和成功應用的事例。因此大容量同步電動機安全、可靠運行對保持電力系統的靜態穩定、動態穩定至關重要，直接影響工礦企業機械設備的安全、可靠運行。

    同步電動機定子繞組通入三相交流電建立定子旋轉磁場，轉子磁場是通過勵磁系統向轉子的勵磁繞組中通入直流電流建立，轉子磁場伴隨著轉子轉動而旋轉。定子旋轉磁場和轉子磁場依靠兩者相互作用達到同步轉速。同步電動機可靠、穩定運行主要取決于電機啟動、負荷變化及停機等過程中的勵磁控制。當前，絕大多數的同步電動機采用全可控硅勵磁調節系統，由于勵磁電流的調節統有時沒有及時與負載的變化協調一致，造成定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場在失步狀態下相互作用，致使電機遭受強烈脈振和沖擊作用，因此應采取行之有效的措施加以完善。

                                石家莊同步電動機勵磁系統如圖所示

    1、勵磁系統缺陷所造成的主要危害

    供給同步電動機勵磁電流的電源及其附屬設備統稱為勵磁系統。同步電動機勵磁系統主要由勵磁功率單元、勵磁控制單元兩部分構成。勵磁系統的技術性能對同步電動機的安全可靠穩定運行息息相關。

    1.1、對電網所造成的危害

    同步電動機在運行中，若勵磁系統缺陷，造成勵磁電壓降低，使得同步電動機的過載能力降低，驅動轉矩小于負荷制動轉矩時，進入失步狀態。由于此時同步電動機勵磁電壓并未消失，同步電動機的定子感應電動勢可能與相應電網電壓在大小或相位上不同而發生振蕩，兩者夾角在0°至360°之間周期性變化。

    同步電動機失步后，轉子轉速下降，旋轉磁場在啟動繞組和勵磁繞組中感應出電動勢、電流，產生異步轉矩，電機進入異步運行狀態；又因為勵磁電壓并沒有退出，在異步運行期間，產生交變轉矩，轉子轉速和定子電流都發生振蕩，嚴重時可能引起同步電動機與電網之間發生電氣共振，可能造成局部電網崩潰，與大電網的解列。

    另外，一些工業領域，常見大量同步電動機集中運行，這種情況對同步電動機來說，有較大的啟動、運轉風險。在用電高峰，電網穩定性差， 同步電動機因啟動電流高和功率因數很低可能造成局部電網電壓惡化降低，使得過載能力差的同步電動機進入失步狀態，加劇局部電網的惡化、崩潰。

    1.2、對同步電動機所造成的危害

    勵磁系統缺陷會造成同步電動機定子繞組端部變形、絕緣損壞、過熱、可能惡化短路；定子鐵芯松動、運行噪音增大；轉子繞組接頭裂紋、開焊、過熱、絕緣損壞；轉子磁極槽楔松動退出；聯軸器或大軸的軸銷部位裂紋，或惡化斷軸。

    2、同步電動機勵磁系統缺陷的成因及改善措施

    2.1、投勵方式、投勵時刻選擇不當對電機的影響

    如果勵磁系統有缺陷，同步電動機啟動過程中在并車投勵瞬間經常發出沉悶的沖擊聲，電機遭受沖擊。

    發生上述現象的原因是由于勵磁系統的“并車投勵電路”存在缺陷。它所選定投勵方式為：投勵時刻由靜態勵磁柜控制。在同步電動機啟動之初，未通入勵磁電流之前，電機為異步啟動狀態，此時電機為“異步電動機”狀態，隨著轉子轉速上升，轉差率下降，定子電流隨著轉子電流下降而降到某一數值，加上一定的時限延遲，由靜態勵磁柜進行投勵，旋轉整流盤便將勵磁電流送入勵磁繞組，沒有檢測轉速、轉差率和投勵瞬間轉子空間角度選擇合適與否，就盲目投勵并車。此時，勵磁繞組外部通入的直流勵磁電流與轉子繞組自身感應的交變電流方向相反，在此瞬間，勵磁繞組總的合成電流很小，導致勵磁系統并車投勵性能存在缺憾，使電機遭受這種損傷。另外，這種投勵方式由于勵磁電流整定值是經驗值，有一定的誤差，造成長時間不能及時投勵，使得電動機啟動時間過長，或投勵時電機轉子轉速沒有接近定子旋轉磁場轉速，造成投勵后電機處于失步狀態。這是同步電動機損壞的一個主要因素。

    其解決措施是改善投勵方式，利用轉子上安裝的旋轉整流盤的控制電路通過檢測轉子轉速、轉差率，選擇合適的投勵瞬間和相應的轉子空間角度來控制投勵時刻，使得投勵瞬間勵磁繞組所通入的直流勵磁電流與轉子感應的電流方向相同，使投勵后的直流勵磁電流較快送入勵磁繞組。這樣確保成功投勵，并在將轉子牽入同步過程中，電機沒有遭受沖擊，啟動過程平穩、可靠、快速。

    2.2、異步啟動回路及啟動控制電路缺陷對電機的影響

    由于勵磁系統異步啟動回路和相應的啟動控制電路缺陷，在電機“異步啟動”過程中，當轉子轉速上升到額定轉速50%以上，轉差率減小到一定數值時，勵磁繞組感應電流的負半周通道不暢，時通時斷，相應的異步驅動轉矩基本消失，造成電機脈振，電機遭受相應損傷，且隨著電機轉速上升越來越明顯，直到電機牽入同步才穩定下來。

    另外在異步啟動過程中，在某一轉差率時，因勵磁繞組感應電流正、負半波的電路不對稱，使得勵磁繞組感應電流正、負半波波形不對稱，在勵磁繞組回路中出現一個直流勵磁電流分量，定子電流也因此強烈脈動，電機由此產生相應的脈振轉矩分量，造成電動機更加強烈的振動，遭受相應的損傷。

完善措施是優化異步啟動回路及啟動控制電路設計，使啟動控制電路中的“啟動可控硅”在同步電動機啟動時，處于低開通狀態，開通值一般10～36V，便可解決上述問題。

    2.3 啟動滅磁電組不正常發熱

    在同步電動機“異步啟動”過程中，啟動滅磁電阻通過可控硅電路接入轉子回路，以減小啟動電流，增大啟動轉矩，加速電機啟動；投勵后通過相應的可控硅控制電路使啟動滅磁電組退出。但是如果控制電路異常或故障導致啟動滅磁電組不能及時退出而長期帶電，容易發熱燒毀，對電機正常工作極其不利。因此應提高可控硅控制回路的可靠性，保證啟動滅磁電組的正確投退。