同步电动机用无刷励磁机电磁设计研究
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【摘要】无刷励磁机电磁设计是同步电动机的重要环节。本文将同步电动机无刷励磁系统组成、工作原理及详细的设计要求等方面进行研究。
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
近年来，随着我国对企业中爆炸性气体的重视，同步电动机用无刷励磁机电磁设计问题引起了人们的重视。我国在此方面也在不断完善，但依然存在一些问题和不足需要改进。因此，在科技不断发展的趋势下，我们要加大对同步电动机用无刷励磁机电磁设计的研究。
二、必要性
目前，在石油、化工及煤矿等工矿企业均存在爆炸性气体混合物，这些气体、蒸气、薄雾状的易燃物质易形成爆炸性的气体环境。为防止因电气设备原因所造成的爆炸性安全事故，对爆炸性气体环境中使用的电气设备往往提出具有防止引燃爆炸的特殊性能要求，增安型电气设备是最重要和最常见的一种防爆形式。对电动机而言，无刷励磁电动机的出现，由于取消了滑环系统，电动机正常工作时，不会产生电弧、火花，避免了产生爆炸安全事故，所以获得了越来越广泛的应用。
三、同步电动机无刷励磁系统
1、组成
无刷励磁系统主要由励磁机、旋转二极管整流器、可控硅整流器(电压调节器)、PLC4部分组成，如图1所示。
励磁机是由一个带有定子磁场绕组和转子交流绕组的三相交流发电机组成。来自控制回路的励磁电流(直流)，经过励磁机输出一个线性于励磁电流的交流电，再将交流电进行三相整流后，送至同步电动机转子电路。
旋转二极管整流器安装在励磁机的转轴上，包含:6支二极管三相全波六脉冲整流器、为整流器提供保护的RC回路、用于磁场过电压保护和电动机异步起动期间起旁路作用的可控硅触发元件。
可控硅整流器即电压调节器，包括一个相角控制晶闸管SCR1和一个二极管桥，根据PLC输出的控制信号(4~20mA)控制晶闸管的导通角，通过二极管桥，输出所需要的直流励磁电流或电压，达到控制同步电动机功率因数、无功功率的目的。电压调节器原理如图2所示，晶闸管相位角θ触发波形如图3所示。
2、工作原理
电机起先按异步电动机方式起动(例如采用在电机主回路串入电抗器降压起动的方式起动)，在电机起动电流降到一定范围内，经过一定时间的延时后，将电抗器旁路，转为正常回路，再经过延时后投入励磁电流，起动曲线见图4。
无刷励磁系统工作原理如图5所示。电机在异步起动时，还没有进行投励操作，此时在电机转子绕组上感应出较高的电动势，该电动势加在旋转整流器上的同步脉冲单元两端，作为可控硅的门极，从而控制可控硅导通。感应出的为交变电动势，即为正负两个方向的电动势，正向的通过二极管桥导通，负向的通过可控硅导通。
调节交流励磁发电机定子绕组的励磁电流，可使励磁发电机的转子所发出的三相交流电压得到调整，从而改变同步电动机转子励磁绕组的励磁电流。同步电动机起动、停车时的火磁环节和同步电动机的投励环节都安装在转子上，均在旋转状态下工作。这种由励磁发电机从转子发电，整流器在旋转状态下进行整流供给同步电动机转子励磁的方式，不再需要有静止部分和转动部分之间的相互接触导电，完全省去了电刷和滑环的接触，实现了无刷励磁。
四、直流励磁机励磁系统与无刷励磁系统的应用比较
1、直流励磁机系统
直流励磁机励磁系统采用与发电机同轴的直流发电机供给励磁系统的电源，系统简单，不受外界电源影响。该系统由于存在滑环及碳刷，如果维护与检修不当，励磁机整流子将会发生强烈火花，有时很难消除，影响机组的安全运行，我们公司在运行中就遇到过这样的问题。
我们公司现有同步电动机励42台，其中1―3#尿素系统34台同步电动机磁系统选用直流励磁机励磁系统，采用并励方式。同时配置长沙伟定达KCL 32/1-IID自动调整励磁装置。
同步电动机励磁机整流子运行初期比较正常。几年后，电刷一度打火严重，并在刷框中上下跳动，刷编断裂，电刷一组三只，有时只能一只正常工作，由于电刷不能全部工作，导致电流不均匀，整流子打火越发严重，不长时间，电刷整流子表面灼伤严重，不得不停机处理。
其中，1#系统3#压缩机在一次跳闸停车后，检查换下的整流子，发现存在整流片间云母绝缘凸出、表面凹凸不平、电刷存在振动，压簧压力不均匀等问题。将整流子进行整修和处理后重新使用，依然存在电刷跳动打火现象。分析认为，虽然对整流子进行了处理，仅仅完成了电气试验，没有做电枢的动平衡校验，怀疑电枢动平衡不合格引起振动导致电刷跳动。再次将3#压缩机励磁机电枢换下送到专业厂家进行修理，修理项目包括车磨、拉槽、倒角、动平衡、测片问电阻。动平衡测试显示电枢严重不平衡，经过调整后，达到要求。重新使用，励磁机恢复正常，电刷不再跳动，保证了3#压缩机的正常运行。
所以，直流励磁机励磁系统易引起整流子发生火花，影响机组的安全运行，是其固有不足之处。因此我们公司在4#尿素系统的同步机选用了无刷励磁系统。
2、无刷励磁系统
无刷励磁系统即交流励磁机一旋转整流器励磁系统电源独立，不受电力系统扰动的影响，电压响应速度快、动态性能好。整流器与交流励磁机电枢及发电机轴固定。该系统的主要特点为：(1)交流励磁机JL为旋转电枢式，其三相输出端引线嵌在轴上，与旋转盘上的整流器固定连接。整流器输出引线也嵌在轴上，与同步发电机的励磁绕组直接连接。(2)旋转整流器分为两组，分别装设在两个同轴旋转的与轴绝缘的散热圆盘上。整流桥每臂二极管并联的个数根据额定励磁电流的大小来确定。为了取消阻容抑制设备，采用了高反向峰值的二极管。(3)交流励磁机的励磁绕组由永磁副励磁机JFL经自动调整励磁的可控硅整流桥供电。由于旋转励磁系统不可能在发电机励磁回路中接入灭磁开关，故由交流励磁机励磁回路的三相可控整流桥实现励磁机的逆变灭磁。交流励磁机灭磁的同时，发电机励磁绕组进行续流灭磁。(4)整流桥每只整流元件均串有快速熔断器作为过流保护。设有手动调整励磁装置，作为自动调整励磁装置的备用及零起升压用。
我们公司4#尿素系统8台同步机的励磁系统选用了的交流无刷励磁机，自动调整励磁装置选用数字式双通道型北京前锋WKLF―100系列励磁调节器，该系统运行可靠稳定。
励磁系统的旋转整流二极管和快速熔断器采用进口产品，能承受机组因超速时旋转离心的机械力作用而不会造成机、电性能的改变及损坏。因其采用双路设计，实际运行中，如果一个旋转整流二极管出现故障，同样能满足机组持续运行。
运行实况对比：(1)运行近两年，1―3#尿素系统直流励磁系统因励磁打火原因停机5次，系统减负荷运行12次。维护费用包括启停机费用在5万元以上，系统运行效率明显降低，单机厂用电耗率升高。(2)运行近两年，4#尿素系统同步机没有因励磁机问题而停机，同步电动机运行效率明显提高，单机厂用电耗率低，经济效益非常显著。
3、结果分析
由于直流励磁机系统存在滑环及电刷，维护工作量大、费用高，增加了停机次数，而无刷励磁系统取消了滑环及电刷，维护工作量小。随着电力电子技术的发展，元器件性能的提高，无刷励磁系统安全可靠，提高了机组运行安全性，避免频繁停机检修，同时大大提高了机组运行效率，给企业带来的直接和间接的经济效益也非常可观。因此，无刷励磁系统在同步电动机中具有推广价值。
五、发展趋势
同步电动机具有过载能力强功率因数高转速不变及转矩受电源电压影响较小等优点，尤其是应用无刷励磁技术的同步电动机取消了滑环，无火花产生和简化了操作及维护程序，广泛应用在石油化工等易然易爆的场所无刷励磁已成为今天同步电动机主要的励磁方式。
六、结束语
无刷励磁系统的好坏直接影响到同步发电机的性能和运行质量，因此，同步电动机用无刷励磁机电磁设计研究将是人们关注的焦点。
参考文献
[1]许善椿.交流励磁双馈发电机的原理、能量关系和应用[J].哈尔滨电工学院学报，2012（5）：79-83.
[2]何东霞.无刷同步发电机交流励磁机电磁设计软件开发[J].电机技术，2013（8）:61-62.