LZK3型同步电动机励磁装置控制系统.docx
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LZK3型同步电动机励磁装置控制系统
LZK—3型同步电动机励磁装置控制系统
LZK—3型同步电动机励磁装置控制系统
摘要
主电路采用无续流二极管的新型三相桥式半控整流电路，采用先进成熟的热管散热技术，线路简洁。
并具有良好的整机性能；励磁控制采用新颖的LZK-3型同步电动机励磁综合控制器，可任意设定为闭环可调的恒功率因素运行、闭环可调的恒电流、电压运行或恒触发角度运行，保护功能完善；并且具有失步保护和带载自动再整步功能，能满足重载和轻载起动同步电动机的要求。
可与拖动空载或轻载起动的同步电动机配套使用。
关键词：
同步电动机、整流电路、保护电路。
前言
本装置既可供拖动空载、轻载或重载起动的同步电动机配套恒定励磁用。
如：
球磨机、鼓风机、压缩机、制氧机、水泵等设备。
也可供带动冲击性负荷的同步电动机励磁用，如轧钢负荷。
第1章同步电动机
1.1用途
同步电动机【1】主要用于功率大，转速不要求调节的生产机械，如大型水泵、空气压缩机、矿井通风机等，它将电能转换为机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械，也是最主要的用电设备，各种电动机所消耗的电能占全国总发电量的60%—70%。
1.2基本工作原理
同步电机主要由定子和转子两大部分组成。
定子部分主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。
定子铁心是电机磁路的一部分，为减少铁心损耗，一般由0.5mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成，安放在机座内，即在定子铁心圆均匀的槽内嵌放三相对称绕组。
定子又称电枢，转子由磁极铁心与励磁绕组组成。
当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定磁场。
当电动机运行，则需要在定子绕组上施以交流电压，以使电机内部产生一个旋转速度为同步转速n1的旋转磁场，此刻在转子绕组加上直流励磁，转子将在定子旋转磁场的带动下，拖动负载沿定子磁场的方向以相同的转速旋转，转子的速度为n=n1=此时，同步电动机将电能转换为机械能。
1.3同步电动机起动
图1—1同步电动机起动时定子磁场对转子磁场的作用
同步电动机只有在定子旋转磁场与转子励磁磁路相对静止时，才能得到平均电磁转矩，如给同步电动机加励磁并直接投入电网，由于转子在起动时是静止的，故转子磁场静止不动，定子旋转磁场以同步转速n1对转子磁场作相对运动，则一瞬间定子旋转磁场将吸引转子磁场向前，由于转子所具有的转动惯量，还来不及转动，另一瞬间定子磁场又推斥转子磁场向后，转子上受到的便是一个方向在交变的电磁转矩如图1-1所示故同步电动机不能自行起动，所以起动需异步驱动。
同步电动机的异步起动方法：
第一步：
将同步电动机的励磁绕组通过一个电阻短接。
短路电阻的大小约为励磁绕组本身电阻的10倍左右。
串电阻的作用主要是削弱由转子绕组产生的对起动不利的单轴转矩，而起动时励磁绕组开路是很危险的，因为励磁绕组的匝数很多，定子旋转磁场将在该绕组中感应很高的电压，可能击穿励磁绕组的绝缘。
第二步：
将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源，这时定子旋转磁场将在阻尼绕组中感应电动势和电流，此电流与定子旋转磁场相互作用而产生异步电磁转矩，同步电动机便作为异步电动机而起动。
第三步：
当同步电动机的转速达到同步转速的95%左右时，将励磁绕组与直流电源接通。
则转子磁极就有了确定的极性。
这时转子上增加了一个频率很低的交变转矩，转子磁场与定子磁场之间吸引产生的整步转矩，将转子逐渐牵入同步。
如图1-2所示。
当电机在起动或在整步暂态过程的异步驱动阶段，主电路整流桥上的可控硅处于阻断状态，控制电路在转子感应电压的正半波起始阶段，使可控硅KQ及时导通；而在负半波时，通过ZQ；使转子感应交流电流的正、负半波都通过电阻RF流通。
且正、负半波电流对称，以保证电机具有良好的异步驱动特性。
当转速达到95%—98%时，电机开始异步起动。
第2章同步电动机励磁屏
2.1同步电动机励磁屏【2】的组成
图2-1同步电动机励磁屏的组成方框图
主电路采用无续流二极管的新型三相半控桥式整流电路及先进成熟的自冷式热管散热技术。
LZK—3型励磁调节器采用功能模块组合的设计方式，并具有充裕的功能扩展单元，装置采用双励磁调节器通道，主设备用通道间设有自动跟踪装置可实现通道间无扰动自动切换。
励磁调节器采用厂用交流220V电源和直流电源双回路供电并可实现自动无扰动切换.
它主要分为误导通检测环节、投励环节、失步后再整步环节、失控检测环节、控制信号说明环节。
2.2技术性能的主要特点
（1）具有独立可靠的灭磁系统，通过合理选配灭磁电阻RF，分级整定灭磁可控硅KQ的开通电压，使电机在异步状态时，KQ在较低电压下便开通。
（2）具有完善可靠的带励失步，失励失步的保护系统，保证电机在发生带励失步和失励失步时快速动作，保护电机，使电机免受损伤。
（3）输出励磁电压和，励磁电流的调节范围为电机额定电压和额定电流的30%—130%，在调整范围内调整励磁参数，电动机不会失步，励磁装置不会失控。
（4）能与防冲击保护配合，动作于灭磁再整步或跳闸停机。
（5）采用按键设定调整磁参数，选择励磁方式，改变可原采用电位器调整励磁存在的种种弊病。
2.3LZK—3型同步电动机励磁屏的工作原理
通过面板上的按键及显示屏，可以设定或修改励磁装置的实时运行方式和状态（选择恒功率因数、恒励磁电流、电压或触发角度运行方式运行，调试状态）或励磁电流、电
压已设定上、下限，调整输出时能保证电机运行中励磁电流、电压不致过高、过低或失控。
2.3.1KQ误导通检测环节的工作原理
当电机在起动及失步再整步的暂态过程中，KQJ常闭触点闭合，保证起动时可控硅在转子感应的正半波起始阶段便导通；只有在满足投励条件时，KQJ方动作，在投励后的正常运行过程中，KQJ继电器一直吸合，使KQ可控硅仅在过电压情况下，才能导通，正常运行过程中，不易误导通，如图所示
图2—2KQ控制及误导通检测、励磁电压信号变换
为避免KQ可控硅因为电压设定值太低或开通后关不断，造成灭磁电阻RF长时间通电而过热。
装置内设有KQ误导通检测装置，若KQ未导通，在KQ与RF回路，直流励磁电压全部降落在KQ上，在灭磁电阻RF二端无电压，灭磁电阻RF处于冷态。
一旦出现KQ导通后，直流电压降落在灭磁电阻上，装置内继电器RFJ线圈得电吸合，其接点信号通过变换、光耦输入电脑系统，电脑接收到KQ导通信号（即RFJ接点信号）后，对于因过电压引起的导通，电脑系统指令其过电压消失后自动关段；对因电压设定值太低造成的KQ误导通、或导通后关不断，电脑指令控制报警继电器BXJ闭合，通过其节接点接通PLC报警回路，发出声光信号，并在控制面板液晶显示屏上留有“报警”、“灭磁电路误导通”汉字指示信号。
2.3.2投励环节
根据电机轻载或重载起动、全压或降压起动，以及能满足失步再整步的要求，投励环节采用“准角强励整步”的原则设计。
对电机滑差大小的检测，是根据转子回路内测取的转子电压波形，经采样后取得UF，通过变换整形，变成方波，经过光耦隔离，输入电脑系统。
对于某些转速较低，凸极转矩较强的电机，空载起动时，往往在尚未投励的情况下，自动进入同步。
此时，将依靠凸极性投励回路，在电机进入同步后的1—2秒钟内自动投励。
投励时，装置先按强励设定值投励1秒钟，然后，自动恢复到正常励磁设定值运行。
2.3.3失步后带载再整步
对电机的失步保护，其基本原理是利用同步电机失步时，具有会在其转子回路产生不衰减交变电流分量的特征，用串接在转子励磁回路的分流器采样转子回路交变电流信号，并根据采样信号波形特征通过微电脑进行计数及脉宽分析，快速、准确判断电机是否失步。
正常运行中的同步电动机，经装置检测，判断，确认已失步后，立即动作于灭磁——异步驱动——带载再整步。
LZK—3型综合控制器中的灭磁环节，是采用阻容快速灭磁和断磁续流灭磁，阻容快速灭磁是主灭磁，断磁续流灭磁作为后备灭磁，即电机失步后，控制器发一脉冲，触发关桥可控硅，进行阻容快速灭磁，同时，控制器立即停发触发脉冲，励磁控制继电器LCJ吸合，断开励磁接触器控制回路及励磁主回路。
待整流主桥路可控硅关段后，LCJ释放，电机进入异步驱动状态，进行再整步。
如果再整步不成功，启动后备保护环节，动作于跳闸，
电机一旦失步进入异步运行，必须改善电机的异步驱动特性。
在电机处于异步运行状态情况下，装置自动使KQJ继电器处于释放状态，通过KQJ的常闭接点，使KQ可控硅在很低电压下便开通进行灭磁，以改善电机的异步驱动特性。
由于合理选配灭磁电阻RF，使电机异步驱动特性得到改善，电机转速将上升，待进入临界滑差后，装置自动控制励磁系统，按准角强励对电机实施整步，使电机恢复到同步状态。
当供电系统出现“自动重合闸”、“内用电源自切”或“人工切换电源”时，将出现电能输送渠道的短暂中断。
为防止电源恢复瞬间可能造成的“非同期冲击”，检测到上述状况后，给本装置输入一个节电FCJ。
电脑接收到FCJ接点信号后，将同样动作于灭磁—异步驱动—再整步。
2.3.4失控检测
采用LZK系列同步电动机综合控制器的励磁屏，正常运行中，三相可控硅具有自动平衡系统，不须任何调试。
三相可控硅导通角一致。
由于外部因素，如触发脉冲回路断线或接触不良，造成脉冲丢失，控制回路同步电源缺相或丢失，主回路元件损坏（如断路器熔断）造成主回路三相不平衡，缺相运行，但未造成电机失步（如失步，则由失步再整步回路或后备保护环节处理），装置能及时检测到，若干秒钟后故障仍未消除，装置就控制报警继电器BXJ闭合，通过其接点，接通PLC报警回路，发出声光信号，并在控制面板的液晶显示屏上给出“报警”、“缺相或失控”汉字指示信号。
光字牌也出现“二次回路故障”、“缺相”等指示。
装置从直流励磁正、负母线上测取直流电压波形，经灭磁单元内R7、R8、R9、R10、DZ1、DZ2回路变换成UF信号，经变换、整形，通过光耦隔离后输入电脑系统，电脑自动进行检测、分析，而作出正确判断。
2.3.5LZK—3控制器信号回路说明
控制器通电后，面板的显示屏上有“欢迎使用励磁控制系统”汉字指示，表示电脑系统工作正常。
当控制器检测到电机出现“失步”、励磁装置出现“KQ可控硅误导通”、“失控”动作于电机跳闸时，控制器面板上将分别给出各自的汉字指示。
按复位键，指示复位。
其中KQ可控硅误导通、失控、后备保护环节动作除在面板有汉字指示外，电脑还控制报警继电器BXJ吸合，由BXJ接点接通PLC音响报警回路。
按复位键，报警继电器BXJ复位。
第3章整流电路【3】
3.1三相半控桥整流电路的工作原理
它由共阴组接法三相半波可控硅整流电路与共阳组接法三相半波不可控整流电路串联。
由于共阳组是三个二极管，它们的阴极分别接在三相电源上。
因此，任何时候总有一个二极管的阴极电位最低而导通。
三相半控桥整流电路的理想状态：
可控硅器件是一个理想开关，网侧交流回路没有电感，直流滤波电感足够大，下面分析整流电路波形：
3.1.1a=30°
图3—1a=30°时的波形
如图3-1所示，过VT1管自然换流点a=30°的时刻，触发电路送出脉冲Ug1触发VT1导通，且在这区间VD6管已导通，于是电源线电压Uab，就导通VT1与VD6加到负载两端，当下一时刻，共阳组已轮到VD2导通，VD6承受反压而关段，输出整流电压Ud就从Uab波换到Uac线电压波形。
由于VT3管还未被触发无法导通。
所以VT1管维持导通，触发电路送出Ug3触发VT3导通，VT1就承受到反向线电压Uab而关段，电路就转为VT3与VD4管导通，输出整流电压Ud为Ubc波形，依次类推，三个晶闸管与三个二极管分别轮流导通。
3.2可控硅的选择计算
可控硅的容量取决于正反向阻断电压，反向峰值电压和额定正向平均电流。
为保证可控硅在电源电压波动及出现瞬时过电压时不至损坏，可控硅的正向阻断电压，反向峰值电压按线路中可控硅能承受的最大电压的2倍计算。
在三相半控桥式整流电路中，每个桥臂的可控硅承受的反向电压的最大值等于三相交流电网的电压峰值。
∵
l
从使用安全的角度考虑适当留有余量，可选用额定电压为1500V的可控硅
式中：
UL—三相电网线电压有效值，伏。
K1—电网电压升高系数。
一般K1=1.05—1.10。
整流线路的输出最大直流平均电流为：
=
COSΦ=1
式中：
Pd—直流输出功率，瓦。
所选用可控硅的型号为KP500—1500V
3.3整流变压器的选择计算
整流电路采用三相半控桥式整流电路，整流器输出功率为500千瓦。
在这里为计算方便设负载为纯电阻。
所以COSφ=1
考虑适当余量，可选用650KVA变压器
式中：
Ud—整流桥输出直流电压，伏。
Id—整流桥输出直流电流，安培。
I2—变压器副边相电流，安培。
U2—变压器副边相电压，伏。
3.4触发电路
3.4.1触发电路的要求
1）触发信号应有足够的功率（电压和电流）。
2）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过挚住电流而维持导通。
3）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。
3.4.2脉冲触发环节
脉冲触发环节由同步电路、移相电路、输出电路及高分辨率的数字触发器构成。
1.同步电路
采用三相同步信号绝对触发方式，同步变压器输出同步信号UAT、UBT、UCT，通过RC滤波电路，经过电压比较过零比较，变成方波，分别通过光耦隔离，输入电脑系统。
2.移相控制
通过改变移相角，可实现触发脉冲所需范围的控制。
移相角由励磁装置内部同步电机综合控制器面板上的按键及显示屏设定各种运行方式励磁参数的上限值、运行值、下限值。
在满足投励条件时，按设定值发脉冲，投强励1秒钟，然后移至运行值处。
此时若需改变运行值，可通过面板按键任意设定需要实时运行值即可。
3.触发脉冲输出
脉冲输出是根据移相角的换算所确定的，以提高脉冲输出的精度和可靠性。
以满足投励条件后，电脑发出触发脉冲指令，经光耦隔离、功放，由脉冲变压器输出一宽脉冲，触发可控硅。
3.5保护电路【4】
3.5.1过电流保护
由于过电流包括过载和短路两种情况，当发生过流故障时，电子保护带内陆发出触发信号使SCR导通，则电路短路迫使熔断器快速熔断而切断供电电源。
断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
无论是快速熔断器还是断路器其动作电流值一般远小于电子保护电路的动作电流整定值。
其延迟的动作时间则应根据实际应用情况决定。
3.5.2过电压保护
电力电子装置可能的过电压有外因过电压和内因过电压两种。
外因过电压主要来自雷击和系统的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，其中包括：
换相过电压，关断过电压。
第4章系统试车及调试
4.1试车注意事项
1.本装置所接入的放电电阻RF的值由本公司根据电机铭牌经计算确定，不得随意更改。
2.试车时必须进行绝缘电阻测试。
测量电机定子、转子绕组的绝缘电阻值应不低于标准值。
注意测量时要把励磁装置和电机分开。
3.检查本励磁装置上元件的绝缘时，不得用兆欧表测量，可用万用表测量。
4.同步电动机起动过程中，不允许用示波器直接观察整流桥两臂电压波形，以免损坏示波器。
5.使用时如发现故障，调节失灵，应仔细查装置内外有无短路、断路现象，快速熔断器是否熔断，端子接线有否松动，应特别注意RF二端连接是否牢固。
解除故障后才可继续使用，以避免故障扩大，
6.如需要更换可控硅整流元件，应按材料表所列元件规格选配，更换其他元件也要参照原型号、规格，保持线路原有特性。
4.2励磁屏调试
1.检查励磁屏内一次，二次接线是否与图纸相符，接线端子、桩头是否牢固。
2.根据同步电机参数，按照工作原理中有关说明，通过面板按键采用菜单操作进行功能选择及所有励磁参数的依次设定。
3.整定时间继电器1KT、2KT的定植为0—0.2秒。
4.将更换/运行开关1SA打至“更换”位置，将运行/调试开关SA打至中间“零位”。
5.确认线路连接正常后，检查电源380V/220V是否正常，合上自动空气开关QFA，励磁屏控制电源指示灯亮。
6.将1SA从“更换”打到“运行”位置，SA从“零位”打到“调试”位置。
接触器KME吸合动作，励磁工作指示灯亮。
主用综合控制器上显示屏给出实时运行方式及运行值，同时励磁电压表、电流表有指示，并于5秒后开始进行励磁电流、触发角度、功率因数、励磁电压依次巡检显示。
备用综合控制器显示起始画面。
7.按下励磁屏上试验按钮SB，励磁电压表读数为零，励磁电流表的读数不变，放开SB，励磁电压表恢复指示。
8.KQ误导通试验：
连续按下SB数秒，控制器面板上显示屏给出“报警”、“灭磁电路误通”汉字指示，同时励磁屏上励磁故障指示灯亮，电铃报警。
按励磁屏上音响解除按钮1SB，能解除电铃报警。
按控制器上复位键，电铃报警及故障指示均能消除。
4.3同步电动机的故障
4.3.1起动的故障
1）起动电压太低，便电机无法转动。
2）起动线圈断线。
3）转子磁极线圈内所加入的起动电阻太小或磁极线圈短路。
4）可控硅装置的故障
4.3.2电机的其他故障
1）线圈和铁心等过热。
一般原因有负载过大，线电压太高，匝与匝间或相与相间短路、周围环境温度较高。
2）换向器过热。
一般原因是换向器片间短路，电刷压力太大，换向器上火花太大或负载太大。
3）绝缘击穿。
工作电压过高，遇到酸碱腐蚀气体的侵入，线圈不清洁。
过热或过于潮湿，环境温度太低等。
4）定子铁心发出噪音。
有时在铁心上发现有铁锈末，这是因为运转很久后，铁心松动，可重新纽紧铁心的拉紧螺杆，或在每挡铁心的当中，打入非磁性材料做的楔子，并用环氧树脂粘牢，使铁心紧固。
结束语
在现代化生产过程中，电力拖动系统是为了实现各种生产工艺过程所必不可少的传动系统，是生产过程电气化的重要前提，而电机是生产、传输、分配及应用电能的主要设备。
相控整流电路结构简单，控制方便，性能稳定，利用它可以方便地得到大、中、小各种容量的直流电能，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的应用。
但是，晶闸管相控整流电路中随着触发延迟角的增大，电流中谐波分量相应增大。
因此，功率因数很低。
参考文献
【1】苏州友明科技公司主编包钢选矿厂LZK—3使用说明书
【2】许晓峰主编电机及拖动。
北京：
高等教育出版社2007
【3】莫正康主编晶闸管技术。
北京：
机械工业出版社2002
【4】姚为正浣喜明主编电力电子技术。
北京：
高等教育出版社2007将井通风机
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