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摘 要：励磁系统是高压同步机的核心组成部分，励磁系统性能的好坏直接影响到电机运行的可靠性、安全性和稳定性。本文主要分析高压同步机励磁系统的结构、原理及运行维护相关事宜。
关键词：高压同步机;励磁系统
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2019）03-0068-02
1 同步机及励磁系统简介
（1）同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一致的，所以称为同步电动机。同步电动机的优点：过载能力强、功率因数高、转速恒定以及转矩受电源电压影响小等。同步电动机的转子转速与磁极对数、电源频率之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率，所以当电源频率一定时，其转速不变，是个恒定值，且与负载无关。
（2）励磁系统是同步电动机的核心组成部分。同步电机励磁电源是指采用三相不可控整流桥将降压后的交流电变为脉动的直流，然后用滤波电容将其滤波为较平滑的直流电压，根据同步电动机的输出电压的变化，将所采集的反馈量与相应的给定值比较后，执行数字PID算法单片控制的通断实现连续可调的脉冲电压的一种电源。
（3）无刷励磁是目前石油石化行业广泛采用的励磁技术，因取消了碳刷和滑环相关结构，杜绝了因碳刷和滑环接触不良，碳刷长期磨损而出现的各类故障，使得无刷励磁同步电动机维护量大大减小，像石油、化工、煤矿等行业应用日趋广泛，是同步电机应用的发展趋势。
2 无刷励磁系统的构成
（1）励磁系统由静态励磁装置和旋转整流器两部分组成。
（2）静态励磁装置一般设置在变电所，为励磁机提供直流励磁电源，同时也对同步电机提供相应的保护。完成励磁系统的增减磁控制和报警功能。该励磁系统采用全数字化控制技术，具有远方通讯功能，以适应无人值守的工业现场要求。
（3）旋转整流器由盘体、控制模块、整流功率模块、启动功率模块和启动电阻构成（图1）。安装在电机转子上。控制模块是整流器的核心部件，它来完成电机的启动。整流功率模块属于整流器件之一，包含于整流器当中，整流交流电，从而将励磁电源提供给转子绕组。在对功率模块启动时，其启动过程中要将启动电阻投入进去，从而对电机中的异步驱动力矩进行有效完善，确保电机启动的稳定性。
3 励磁系统的原理
3.1 无刷励磁的原理
励磁机的定子由静态励磁装置供电，励磁机转子绕组与电动机转子同轴。旋转的励磁机转子绕组发出三相交流电，该三相交流电经整流后供给同步电动机的转子绕组，产生励磁电流。调节交流发电机的定子的励磁电流，就可改变同步电动机励磁绕组的励磁电流。这种由励磁发电机转子发电，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，即为无刷励磁。
3.2 旋转励磁系统工作原理
（1）旋转励磁系统由主回路和控制回路组成。
（2）主回路主要包括两种电路，分别为启动回路和三相半控桥式电路，具体如图3所示，其中整流电路主要由整流模块构成，数量为三个，具体如图2所示，其主要涉及以下几种工作模式，首先是截止状态，主要是电机在启动和异步再整步时出现，其次是投励后变为整流状况，回路启动时由于启动误开，导致启动回路出现关断情况，以上几种状态模式能够实现自动化的切换。
（3）在回路启动过程中，主要由两部分组成，一种是启动电阻RF，另外一种是KQg旋转功率模块，但是主要由控制模块来实施控制。在异步再整步和电气启动时，KQg模块通常保持导通状态，电阻启动会与电机转子回路进行连接，从而确保主电机能够稳定启动，在电机平稳运行过程中，KQg模块中的可控硅会实现一种关断状态，导致启动电阻RF退出回路，从而防止其出现发热和发电情况，如果转子回路发生过电压情况，则其峰值超过KQg导通高定值时，启动电阻重新接入电机转子回路，通过电阻吸收过电压。在旋转励磁系统中，启动电阻、整流功率模块及启动模块均安装于旋转整流盘上，便于维护检修。控制模块控制三相半控整流电路的工作状况，在电机启动和再整步过程中迅速、准确捕捉到滑差，把握时机进行投励，使冲击减到最小。
3.3 励磁装置工作原理
（1）主机系统：包括A＼B两套微机系统，互为备用，可实现无扰动切换。每套系统都有控制处理器，CPU主机板是励磁系统的控制中心，它接受从电机定子侧传送过来的信息，进行相应的计算及逻辑处理，产生结果控制励磁电流输出。
（2）励磁系统的投励控制：由静态励磁装置和旋轉励磁系统共同配合完成。静态励磁装置投用后，主电机这时还未投励。交流励磁装置投励为旋转励磁系统的控制模块提供了工作电源，旋转励磁系统的滑差检测和启动控制电路即投入工作。随着主电机转速的变化，滑差越来越小，当滑差小于控制模块的整定值（转速不小于95%额定值）即到亚同步状态时，控制模块输出触发脉冲信号，控制回路可控硅导通，给主电机投入励磁电流。
（3）同步电机励磁系统应具有自动灭磁功能：在启动同步电机时，主要采用异步启动方式，其中存在的定子绕组会以旋转方式产生磁场，而旋转场会切割转子，使得交变电压在转子绕组中出现感应，一旦回路放掉没有进行有效操作，则会导致人身安全和转子绕组受到不同程度的伤害，所以，要积极应用自动灭磁，从而防止转子绕组出现被击穿情况。
4 某厂励磁装置优缺点分析
4.1 主要优点
（1）供电可靠性较高：励磁装置主电源采用双回路电源，双电源来自不同变压器所带的母线段。双路电源互为备用，可实现自动切换，切换时间小于80ms。励磁控制系统采用交直流电源双路供电，当任一路电源消失时，另一路电源仍可保证本装置正常工作。 （2）电路采用全数字化双微机系统，一套工作，一套热备用。故障时可自动无扰动切换至备用系统，也可手动切换。微机监控系统采用汉化触摸屏人机界面，观察直观，操作方便。可随时查看及修改相关参数，事件记录中记载先关故障信息，便于分析解决问题。
（3）生产使用过程中维护方便。因取消了滑环碳刷相关结构部件，杜绝了碳刷打火、磨损等现象的出现，维护量大大减少。控制回路采用三相半控橋式整流电路，能满足长周期运行要求。微机插件故障时可在不停机，不减载的情况下更换故障部件，维护简单方便。
（4）励磁系统具有旋转整流器故障检测功能，有较完善的保护功能。
（5）欠励、过励时报警并自动调节至正常功能。
4.2 缺 点
（1）同步电机在应用时，难以进行直接性的灭磁，因此需要利用回路方式实施灭磁，但是周期比较长。
（2）电机转子电压与电流在测量过程中不能直接实施。
（3）旋转电器元件安装在转子上，要能承受较大的离心力。
（4）故障检测及报警技术有待在生产实践中考量。
5 励磁系统的维护
励磁系统的维护分静态励磁柜和旋转整流部分两部分进行，均需结合机组的大中修进行必要的检查和处理。
（1）静态励磁装置的维护：由于采用全数字控制技术，维护工作相对简单，一般结合机组的检修进行相应的检查和处理。主要内容包括：清扫励磁柜内部元器件灰尘，对电气接线端子、连接处进行紧固，重点检查继电器、接触器及CPU控制板有无明显的腐蚀锈蚀现象，及时处理或更换。
（2）旋转整流器的维护：对快速熔断器、启动电阻、各功率模块进行检查测试，检查传感器各项技术指标是否正常。电器元器件进行除尘和清扫，各接线端子进行紧固。启动电阻应根据厂方技术要求定期进行更换，保证其正常工作。
6 结束语
以上简单分析了某厂微机励磁装置的相关知识。同步电动机在生产运行过程中，不可避免的会受到各种干扰，可能造成同步机失去同步或者设备不同程度的受损。励磁系统应能正确识别故障类型，进行相应地报警或者跳闸处理。电动机在短暂失步的情况下，励磁系统应能可靠再整步，以保证系统连续可靠运行。励磁系统的事故处理能力以及再整步的性能是否可靠，能否满足生产运行的实际需求，有待在后续生产实践中进行考证，也是我们在以后工作中需关注的重点。
参考文献
[1]《无刷同步电动机智能全数字励磁系统的研究》.武汉科技大学信息科学与工程研究院.
收稿日期：2018-12-13
作者简介：邢小彦，维修保运部，电气工程师。
关键词：高压同步机;励磁系统
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2019）03-0068-02
1 同步机及励磁系统简介
（1）同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一致的，所以称为同步电动机。同步电动机的优点：过载能力强、功率因数高、转速恒定以及转矩受电源电压影响小等。同步电动机的转子转速与磁极对数、电源频率之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率，所以当电源频率一定时，其转速不变，是个恒定值，且与负载无关。
（2）励磁系统是同步电动机的核心组成部分。同步电机励磁电源是指采用三相不可控整流桥将降压后的交流电变为脉动的直流，然后用滤波电容将其滤波为较平滑的直流电压，根据同步电动机的输出电压的变化，将所采集的反馈量与相应的给定值比较后，执行数字PID算法单片控制的通断实现连续可调的脉冲电压的一种电源。
（3）无刷励磁是目前石油石化行业广泛采用的励磁技术，因取消了碳刷和滑环相关结构，杜绝了因碳刷和滑环接触不良，碳刷长期磨损而出现的各类故障，使得无刷励磁同步电动机维护量大大减小，像石油、化工、煤矿等行业应用日趋广泛，是同步电机应用的发展趋势。
2 无刷励磁系统的构成
（1）励磁系统由静态励磁装置和旋转整流器两部分组成。
（2）静态励磁装置一般设置在变电所，为励磁机提供直流励磁电源，同时也对同步电机提供相应的保护。完成励磁系统的增减磁控制和报警功能。该励磁系统采用全数字化控制技术，具有远方通讯功能，以适应无人值守的工业现场要求。
（3）旋转整流器由盘体、控制模块、整流功率模块、启动功率模块和启动电阻构成（图1）。安装在电机转子上。控制模块是整流器的核心部件，它来完成电机的启动。整流功率模块属于整流器件之一，包含于整流器当中，整流交流电，从而将励磁电源提供给转子绕组。在对功率模块启动时，其启动过程中要将启动电阻投入进去，从而对电机中的异步驱动力矩进行有效完善，确保电机启动的稳定性。
3 励磁系统的原理
3.1 无刷励磁的原理
励磁机的定子由静态励磁装置供电，励磁机转子绕组与电动机转子同轴。旋转的励磁机转子绕组发出三相交流电，该三相交流电经整流后供给同步电动机的转子绕组，产生励磁电流。调节交流发电机的定子的励磁电流，就可改变同步电动机励磁绕组的励磁电流。这种由励磁发电机转子发电，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，即为无刷励磁。
3.2 旋转励磁系统工作原理
（1）旋转励磁系统由主回路和控制回路组成。
（2）主回路主要包括两种电路，分别为启动回路和三相半控桥式电路，具体如图3所示，其中整流电路主要由整流模块构成，数量为三个，具体如图2所示，其主要涉及以下几种工作模式，首先是截止状态，主要是电机在启动和异步再整步时出现，其次是投励后变为整流状况，回路启动时由于启动误开，导致启动回路出现关断情况，以上几种状态模式能够实现自动化的切换。
（3）在回路启动过程中，主要由两部分组成，一种是启动电阻RF，另外一种是KQg旋转功率模块，但是主要由控制模块来实施控制。在异步再整步和电气启动时，KQg模块通常保持导通状态，电阻启动会与电机转子回路进行连接，从而确保主电机能够稳定启动，在电机平稳运行过程中，KQg模块中的可控硅会实现一种关断状态，导致启动电阻RF退出回路，从而防止其出现发热和发电情况，如果转子回路发生过电压情况，则其峰值超过KQg导通高定值时，启动电阻重新接入电机转子回路，通过电阻吸收过电压。在旋转励磁系统中，启动电阻、整流功率模块及启动模块均安装于旋转整流盘上，便于维护检修。控制模块控制三相半控整流电路的工作状况，在电机启动和再整步过程中迅速、准确捕捉到滑差，把握时机进行投励，使冲击减到最小。
3.3 励磁装置工作原理
（1）主机系统：包括A＼B两套微机系统，互为备用，可实现无扰动切换。每套系统都有控制处理器，CPU主机板是励磁系统的控制中心，它接受从电机定子侧传送过来的信息，进行相应的计算及逻辑处理，产生结果控制励磁电流输出。
（2）励磁系统的投励控制：由静态励磁装置和旋轉励磁系统共同配合完成。静态励磁装置投用后，主电机这时还未投励。交流励磁装置投励为旋转励磁系统的控制模块提供了工作电源，旋转励磁系统的滑差检测和启动控制电路即投入工作。随着主电机转速的变化，滑差越来越小，当滑差小于控制模块的整定值（转速不小于95%额定值）即到亚同步状态时，控制模块输出触发脉冲信号，控制回路可控硅导通，给主电机投入励磁电流。
（3）同步电机励磁系统应具有自动灭磁功能：在启动同步电机时，主要采用异步启动方式，其中存在的定子绕组会以旋转方式产生磁场，而旋转场会切割转子，使得交变电压在转子绕组中出现感应，一旦回路放掉没有进行有效操作，则会导致人身安全和转子绕组受到不同程度的伤害，所以，要积极应用自动灭磁，从而防止转子绕组出现被击穿情况。
4 某厂励磁装置优缺点分析
4.1 主要优点
（1）供电可靠性较高：励磁装置主电源采用双回路电源，双电源来自不同变压器所带的母线段。双路电源互为备用，可实现自动切换，切换时间小于80ms。励磁控制系统采用交直流电源双路供电，当任一路电源消失时，另一路电源仍可保证本装置正常工作。 （2）电路采用全数字化双微机系统，一套工作，一套热备用。故障时可自动无扰动切换至备用系统，也可手动切换。微机监控系统采用汉化触摸屏人机界面，观察直观，操作方便。可随时查看及修改相关参数，事件记录中记载先关故障信息，便于分析解决问题。
（3）生产使用过程中维护方便。因取消了滑环碳刷相关结构部件，杜绝了碳刷打火、磨损等现象的出现，维护量大大减少。控制回路采用三相半控橋式整流电路，能满足长周期运行要求。微机插件故障时可在不停机，不减载的情况下更换故障部件，维护简单方便。
（4）励磁系统具有旋转整流器故障检测功能，有较完善的保护功能。
（5）欠励、过励时报警并自动调节至正常功能。
4.2 缺 点
（1）同步电机在应用时，难以进行直接性的灭磁，因此需要利用回路方式实施灭磁，但是周期比较长。
（2）电机转子电压与电流在测量过程中不能直接实施。
（3）旋转电器元件安装在转子上，要能承受较大的离心力。
（4）故障检测及报警技术有待在生产实践中考量。
5 励磁系统的维护
励磁系统的维护分静态励磁柜和旋转整流部分两部分进行，均需结合机组的大中修进行必要的检查和处理。
（1）静态励磁装置的维护：由于采用全数字控制技术，维护工作相对简单，一般结合机组的检修进行相应的检查和处理。主要内容包括：清扫励磁柜内部元器件灰尘，对电气接线端子、连接处进行紧固，重点检查继电器、接触器及CPU控制板有无明显的腐蚀锈蚀现象，及时处理或更换。
（2）旋转整流器的维护：对快速熔断器、启动电阻、各功率模块进行检查测试，检查传感器各项技术指标是否正常。电器元器件进行除尘和清扫，各接线端子进行紧固。启动电阻应根据厂方技术要求定期进行更换，保证其正常工作。
6 结束语
以上简单分析了某厂微机励磁装置的相关知识。同步电动机在生产运行过程中，不可避免的会受到各种干扰，可能造成同步机失去同步或者设备不同程度的受损。励磁系统应能正确识别故障类型，进行相应地报警或者跳闸处理。电动机在短暂失步的情况下，励磁系统应能可靠再整步，以保证系统连续可靠运行。励磁系统的事故处理能力以及再整步的性能是否可靠，能否满足生产运行的实际需求，有待在后续生产实践中进行考证，也是我们在以后工作中需关注的重点。
参考文献
[1]《无刷同步电动机智能全数字励磁系统的研究》.武汉科技大学信息科学与工程研究院.
收稿日期：2018-12-13
作者简介：邢小彦，维修保运部，电气工程师。