三相半控桥式励磁装置在高压同步电动机上的应用

孙明山

济钢炼铁厂，山东 济南 250101

1 概述

1.1 现场概况

济钢3#120m2烧结机主抽风机采用一台TD4000-6，额定功率为4000kW的高压同步电动机。其定子额定电压10kV，额定电流265A；转子直流励磁定电压78V，励磁电流258A。同步电动机由于其具有一系列优点，特别是转速稳定、单机容量大、能向电网发送无功功率，支持电网电压，在济钢炼铁厂已得到广泛应用。同步电动机担负着生产的重任，其一旦停机或故障，将严重影响连续生产，特别严重的电机设备事故将导致停产时间的延长，造成我厂烧结矿产量的严重损失，建厂以来发生同步电动机及其励磁装置损坏事故也屡见不鲜。为了稳定生产我们决定选用一种故障率低，运行效果比较理想的励磁装置来辅助该电动机运行。

1.2 励磁选型

励磁控制系统按主回路控制方式分为半控、全控桥励磁两种。全控桥式励磁装置采用逆变灭磁，可靠性低，稳定性差；电机运行时灭磁电阻长期发热；不停机不能更换控制组件；停机要保正控制回路不失电。半控断励续流灭磁或阻容灭磁，可靠性高；系统可以利用半控桥式主电路的结构特点，实现不停机更换励磁控制插件；线路相对简洁可靠。所以本台同步电动机配套使用的励磁装置选用主回路采用无续流二极管三相半控桥式电路。良好的启动控制回路，保证电机启动时无脉振，并使电机在失步后的再整步过程中有良好的再整步特性。即使在少有的控制插件故障、冷却风机单元、灭磁单元故障时，仍可保证电机稳定同步运转。本装置由外部可靠的直流220V供电，装置内设有经交流整流后的直流后备电源，当外部直流电源失电时，直流后备电源会无延时地自动投入工作。自投产以来此励磁装置运行稳定，保证了电动机安全起动及运行。

2 工作原理

图1 启动控制回路原理图

该励磁装置的主要部分就是启动控制回路，如图1所示，该励磁装置启动控制回路由图中所示控制电路组成。在同步电动机异步启动阶段，无论在电压的正负半周期内,电阻R都能可靠的接入控制回路内，大小由控制回路来选定，因此使我们的高压同步电动机启动具有对称性和再整步特性。当电动机同步运行后，电路根据需要就会切断电阻R，防止其误通带来危害。

在电动机的异步启动过程中，绕组两端的电动势达到投全压值时，励磁装置根据信号接通投全压单元。同时在整个启动过程中电阻R都需要保持接通状态，防止电动机的脉震。这就要求KG在投励前处于低通值，保证在低电压下也能导通；投励后转换为高通值，作为转子的过压保护。

该励磁装置即使遇到主晶闸管触发脉冲完全消失，仍可保持同步电机的稳定同步运行，在遇冷却风机及其它励磁故障时，允许装置继续工作，此时装置会发出报警信号，用户可在线排除故障，时间以不超过半小时为宜。

3 故障处理

励磁装置能否正常可靠运行，除本身质量外，与其相关联的供电系统、电机性能、现场环境、等在一定条件下都会成为励磁装置难以正常运行的重要影响因素。下面介绍两起该励磁装置运行中的出现的故障案例：

1）运行中，励磁电流比正常值低了

故障现象：励磁装置正常运行过程中，励磁电流减小，励磁电压约有升高，电机运转正常，没有报警和其它异常。原因分析：根据欧姆定律I=U/R，励磁电压Uf基本恒定条件下，引起励磁电流If减小的原因是励磁输出回路电阻R增大了。经过检查发现电动机电刷弹簧松动、压力不足，有的电刷磨损变形，减小了与滑环的有效接触面积，使得励磁电流降低，处理后正常。

2）电机启动投励后，功率因素表指示异常

故障现象：励磁装置仪表盘上装功率因数表，合高压断路器功率因数表指针滞后满偏，投励后指针应从滞后摆向超前，但有时发现投励后指针严重滞后。原因分析：电机的电子电压、经PT线引入～100V至励磁柜，定子电流经CT变换成～5A也引入励磁柜，两者直接送入功率因数表端子。当接线错位就会出现投励后，功率因数表指示异常。停机换线后指示正常。

3）有励磁电流，没有励磁电压

故障现象：电机启动、停机灭磁都正常，但运行过程中励磁装置只有励磁电流指示，没有励磁电压指示。原因分析：由励磁装置原理可知，励磁电流表指针所需信号从分流器两端获取，励磁电压表指示所需信号从启动回路两端获取。由于有电流指示，说明主桥回路工作正常，有电压输出。电机启动正常，说明启动时，启动回路畅通。灭磁正常，说明停机灭磁时启动回路附加电阻R能正常发挥灭磁功能。分析此情况，更换励磁电压表，故障依旧；排查中发现KG烧毁，更换后正常。

4 运行分析

该励磁装置自投用以来运行稳定，没有出现装置故障引起的停机事件，总结有以下几个优点：

1）主回路采用无续流二极管三相半控桥式电路，良好的启动控制回路，保证电机启动时无脉振，并使电机在失步后的再整步过程中有良好的再整步特性。即使在少有的控制插件故障、冷却风机单元、灭磁单元故障时，仍可保证电机稳定同步运转，并可在不停机、不减载条件下更换故障部件；

2）具有自动投全压功能；

3）具有阻容快速灭磁系统。关桥时间不大于500μs，关桥速度快，可避免系统重合闸时对电机的非周期冲击，并可加速备用电源的自投，以及在短路时加速电机短路电流的衰减。

5 结论

该励磁装置应用以来保障了济钢炼铁厂3#120m2烧结机主抽风机同步电动机的有序运转，同时也减少了电动机对电网的影响，保障了我厂电气设备的正常运行，稳定了烧结矿的质量及产量，为我厂创造了极大的经济效益。

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