维修电工技师电力电子案例口试题概要.docx

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维修电工技师电力电子案例口试题概要

首先：

我们有必要对同步电动机功率因数的调节和启动先进行了解。

1.功率因数的调节

对异步电动机来说，它的励磁是由交流电网

供给的，它在从电网吸收有功功率的同时也从电

网吸取滞后的无功功率。

即对电网而言，异步电

动机总是1个感性负载，只能有滞后的功率因数。

但是同步电动机的情况就大不相同了，它是

一种双励类电机，当负载不变，也就是从电网吸

取的有功功率不变，可以依靠调节直流励磁电流

来改变自电网吸取的无功功率的大小和方向。

通

过改变同步电动机励磁电流的大小，可以灵活地

调节它的功率因数。

图30—2凸极式同步电机结构示意图

2.同步电动机的启动

同步电动机的启动严格的说有三种启动方法,它们分别是异步启动法、变频启动法和辅助电器法。

但是在生产中用的最多的是异步启动法。

为了使同步电动机启动，在转子磁极装上笼形导条，作为启动绕组。

这样，启动过程的前段，就和异步电动机的工作原理一样，待转子接近亚同步转速（n≥0.95n0）时，才加入直流励磁，由异步转距和同步转距共同作用，使转子牵入同步。

由上述可见，同步电动机的启动分为两步：

（1）定子加交流电压作异步启动。

（2）在接近同步（或称亚同步转速）时，将直流电加入转子绕组进行励磁。

特别要注意的是，同步电动机的启动过程中，在未加入直流时，励磁绕组既不能开路也不能短路。

励磁绕组如果开路，由于匝数很多，定子旋转磁场将在其上感应产生危险的高电压，击穿绝缘，损坏电动机，还可能引起人身事故。

而如果励磁绕组短路，则在励磁绕组上由定子旋转磁场感应的电势即会产生很大的电流，从而产生单相脉冲磁场。

这种磁场会对转子产生制动作用，而使电机的启动转距大大减小。

如果启动时负载较大，电动机就会在较低转速运行，以至无法牵入同步而完不成电动机的启动，这种现象所造成的影响可以用转子回路中接入电阻器来减小。

所以同步电动机启动时，励磁绕组总是串入1个附加电阻器（称放电电阻器）构成闭合回路，待加入直流时，再将该电阻器断开。

放电电阻器的阻值约为绕组直流电阻值的5～15倍，通常规定为10倍。

转子感应电势E2S=SE20，转差率S＝（n0-n）/n0。

E2S的幅值和频率随转速升高而减小，n=n0时|E2S|＝0，f20＝0。

一、请根据电路图分析励磁装置主电路的工作原理，并说明晶闸管VT1～VT6的

额定电压应如何选择？

为什么？

负正负正

负半周电压方向电压表

正半周电压方向

G3灭磁环节

放电电阻放电电阻

试验按钮

灭磁线A2与A2连接

三相全控桥式整流电路

电压阻容吸收器

Y/Y-12整流变压器

空气开关

答：

励磁电路主电路在起动过程中晶闸管整流电路不工作，附加放电电阻由灭磁插件接通达到灭磁、限流作用；n≥0.95n0时晶闸管可控整流电路工作投入直流励磁，附加电阻被切除；停车时逆变环节工作使晶闸管控制角后移变为逆变电路，将励磁绕组中的能量回馈电网，达到灭磁作用。

1.）主电路组成：

可控整流（三相全控桥）与灭磁电路2部分。

灭磁环节―放电电阻Rfd2和Rfd1的总阻值为同步电动机转子励磁绕组直流电阻值的5～15倍，通常规定为10倍。

此时，同步电动机启动过程中转子励磁绕组产生感应交流电压的最大峰值一般为同步电动机额定励磁电压的10倍左右。

因而主电路中VT1～VT6晶闸管元件的正反向重复峰值电压必须大于上述最大峰值电压并留有一定安全余量。

灭磁电路工作过程―转子感应交变电压正半周（G1为正G2为负）经VT7、VT8和Rfd1、Rfd2灭磁，负半周经VD和Rfd1、Rfd2灭磁。

VT7、VT8以RP1、RP2上的分压而触发导通，SB手动触发，做试验用。

投励时VT1～VT6工作，Ud较小使VT7、VT8不足以触发；且VT1、VT4导通时的压降通过灭磁线加到VT7、VT8上使其受反压而关断。

因此投励后灭磁环节自动停止工作。

2.）固接励磁―三相全控桥工作情况与一般带大电感负载的三相全控桥相同，但现在固接励磁，转子励磁绕组上还并接有放电电阻Rfd2、Rfd1和VD放电电路，这样就使转子绕组与一般大电感加电阻的负载有些差别。

有一部分放电电流经Rfd1、Rfd2和VD回路流通，使得VT1和VT6在负半周时要提前关断，（波形为图30-7（e）中负半波的削尖部分）。

正负两半波面积不对称，正半波大于负半波，因此α=90°时，整流电压平均值仍为正，即Ud>0，一般要α=120°时，才有Ud=0。

3.）主电路的保护：

过电压保护―换相过电压、交流侧过电压保护、均压保护。

过电流保护―快速熔断器FUV1～FUV6。

具体结合电路图30–6来进行分析

励磁系统主电路主要是由三相全控桥式整流电路和灭磁环节两大部分组成的。

灭磁环节的作用是，在同步电动机启动过程中，使VT7～VT8晶闸管导通，将同步电动机转子绕组通过放电电阻器Rfd1、Rfd2短接，从而使放电电阻器Rfd1、Rfd2在正、负两个半周都流过电流，取得良好的启动特性。

而一旦启动完毕，进入投励状态，就将VT7～VT8关断，放电电阻器自行断开。

（正半周电流是经晶闸管VT7～VT8。

负半周电流是经二极管VD。

）

灭磁环节的工作原理是，在同步电动机启动过程中，转子励磁绕组将产生感应交流电压，此感应交流电压在启动最初瞬间，电动机还未转动时最大，峰值可达转子励磁绕组额定电压十几倍以上，随着转速增加，此感应交流电压的频率和幅值随之减小，当同步电动机转速达到同步转速时，此感应交流电压的频率和幅值均为零（即无感应交流电压）。

因而对同步电动机启动过程中感应交流电压应采取措施加以限制，以保证转子励磁绕组绝缘和晶闸管元件的安全。

为此，晶闸管励磁装置采用在转子回路连接放电电阻器（Rfd1、Rfd2）的措施，在同步电动机启动过程结束自动投励牵入同步正常运行时，自动断开此放电电阻器（Rfd1、Rfd2）。

此放电电阻器（Rfd1、Rfd2）的接入和断开由灭磁环节控制。

连接放电电阻器（Rfd1、Rfd2）后感应交流电压的大小与接入的放电电阻器Rfd2和Rfd1阻值大小有关，电机制造厂一般要求接入放电电阻器Rfd2和Rfd1的总阻值为同步电动机转子励磁绕组直流电阻值的5～15倍，通常规定为10倍。

此时，同步电动机启动过程中，转子励磁绕组产生感应交流电压的最大峰值一般为电动机额定励磁电压的10倍左右。

因而主电路中VT1～VT6晶闸管的正反向重复峰值电压必须大于上述最大峰值电压，并留有一定安全余量。

灭磁环节的工作过程是，在同步电动机启动过程中，转子励磁绕组将产生感应交流电压，此时主电路VT1～VT6晶闸管无触发脉冲处于阻断状态。

转子绕组通过反极性并联的VD和VT7、VT8与放电电阻器Rfd1、Rfd2构成闭合回路，晶闸管VT7、VT8由点划线框内的灭磁插件控制。

设转子感应交变电压在G1端为正、G2端为负时算正半周，启动开始，在感应交流电压未达到灭磁晶闸管VT7、VT8所整定的导通电压以前，此交流电压通过Rfd1、R1、R3、RP1、R2、R4、RP2、Rfd2形成回路。

此时外接放电电阻器阻值很大，为转子励磁绕组电阻的几十倍以上，励磁绕组相当于开路启动，感应电压急剧上升。

当感应电压瞬时值上升至使RP1、RP2上的分压电压达到并超过VS1、VS2稳压管的稳压值时，VS1、VS2稳压管被击穿，VT7、VT8因有门极电流而导通，转子电流通过Rfd1、VT7、VT8、Rfd2形成回路，使同步电动机转子绕组从相当开路启动变为只接放电电阻器Rfd1、Rfd2启动，因此转子感应电压的峰值大为减弱，直至正半周结束，VT7、VT8因电压过零而阻断。

转子感应电势负半周时，G2端为正、G1端为负，转子绕组经Rfd2、VD、Rfd1闭路。

此后同步电动机整个启动过程为励磁绕组随转子加速不断产生的感应交变电压，都是半波经VT7、VT8和Rfd1、Rfd2灭磁，半波经VD和Rfd1、Rfd2灭磁，其波形如图30–8b所示。

负正

刚启动时的电压方向

正负

击穿稳压官

灭磁线A2与A2连接

灭磁环节的关断是，在投入励磁时，三相整流桥开始工作，输出直流电压Ud，由于此电压值较小，不足以使VT7、VT8导通。

同时，本系统主电路还设置了“灭磁线”，即将三相全控桥式整流电路交流侧电源A2点与灭磁晶闸管VT7、VT8连接中点A2处相连，在三

相全控桥式整流电路投入正常工作后，晶闸管VT1（或VT4）导通时的管压降通过A2点灭磁线对VT7（或VT8）形成反向电压，而促使VT7（或VT8）在投励后1个周波（0.02s）内自行关断。

为了确保灭磁晶闸管VT7、VT8关断，熄灭线需要有较大的截面，以减小熄灭线的电阻压降而影响VT7（VT8）的关断。

三相全控桥式整流电路是用Y/Y-12整流变压器进行整流的，并分为三个工作状态：

1.）三相交流电源经Y/Y-12整流变压器降压后，接至三相全控桥式整流电路。

在同步电动机启动过程中，整流电路的晶闸管处于阻断状态。

（即没有脉冲）

2.）同步电动机MS转子励磁绕组上产生的感应交变电压通过灭磁环节上的放电电阻器Rfd1、Rfd2形成回路，同步电动机作异步启动。

待电动机启动至亚同步速时，投励环节自动发出投励脉冲，整流电路的直流电压立即投入励磁，使同步电动机拖入同步运行，同时断开放电电阻器。

在同步电动机投励和正常运行过程中，三相全控桥式电路工作在整流工作状态，输出直流整流电压。

3.）当同步电动机正常停止时，三相全控桥式电路立即由整流工作状态转向逆变工作状态，以保证转子励磁绕组顺利灭磁，待电感放电完毕，逆变工作状态结束。

根据图30–7分析三相全控桥整流波形。

三相全控桥式电路工作在整流工作状态时，整流电路输出直流电压Ud的大小随控制角α而改变。

如图30–7b、c所示是α=90°大电感负载时三相全控桥式整流电路的输出波形，由于正负面积相等，其输出电压平均值为零。

转子励磁绕组是1个大电感加电阻的负载，但现在固接励磁，转子励磁绕组上还并接有放电电阻Rfd1、Rfd2和VD放电电路，这样就使转子绕组与一般大电感加电阻的负载有些差别。

通过差别可以看出，正、负两半周阴影面积不对称，正半周大于负半周，因此α=90°时，整流电压平均值仍为正，即Ud>0，一般要α=120°时，才有Ud=0。

图30–7f是VD上阴极到阳极之间的电压波形，其负半周被VD所短接，只有正半周部分，所以其平均值Ud’大于Ud。

由上述分析，同步电动机三相全控桥固接励磁，晶闸管VT1～VT6的移相范围应是0°～120°，考虑逆变，则应是0°～120°。

介绍一下灭磁环节上的试验回路。

灭磁环节在启动开始和自动投励后，都是自动完成其职能的。

按钮SB用于在启动前检查灭磁环节是否正常。

因为R5、R6为较小的电阻,将三相整流桥调至所需的励磁电压,按下SB,VT7、VT8便导通,电压表PV指示为零，这就表示灭磁环节能正常工作。

调整电位器RP1、RP2的阻值，便可使得VT7、VT8在不同的转子感应交流电压（瞬时值）下导通工作。

注：

在灭磁环节即图30–6上有两个按钮SB，它是试验按钮，这在生产当中是非常有用的，而它的用处是，如果同步电动机在开车使用时，先检查一下灭磁环节好不好，灭磁环节不好是不能用的，因为灭磁环节如果不好会打掉同步电动机的励磁绕组，所以在同步电动机启动前，把整流装置先送上去让它工作，然后在进入调试环节，这套三相全控桥是调节α=60°,当α=60°时，假定电压为100V，则电压表PV就有电压了，比如说表上达到了100V的电压，这时如果要检查一下灭磁环节是否好，只要将两个按钮SB一按，电压表PV上的电压回到零，说明灭磁环节是好的。

那电压表PV为什么会回到零呢？

电压表PV是接在晶闸管VT7、VT8的两端，当晶闸管VT7