維修電工基礎知識

培訓2010年3月包鋼電氣有限公司維修電工基礎知識元器件電機變壓器雙閉環直流調速系統基礎理論變頻器低壓動態無功補償軟啟動PLC基礎知識第一章元器件定義：一般電阻元件，在任何一時刻元件兩端的電壓與流過其端鈕之間的電流存在一種代數關系（確切的瞬時關系）的兩端鈕元件。在交流和直流電路情況：瞬時值：

序言電阻元器件---電阻元器件---電阻平均功率：耗能器件電阻的電壓和電流相位關系：同相位電阻參數：功率、阻值電阻的用途：1.分壓2.限流

3.吸收過電壓

4.加熱、提供熱能、電阻的特點：

1.P大于0，具有耗能性2.U和I都可突變元器件---電感電感定義：一般電感元件，就是電流i與磁鏈之間存在一種代數關系（確切的瞬時關系）的兩端鈕元件。韋安特性：磁鏈與電流關系

線性非時變的電感元件(韋安特性是條過原點直線）直流回路電感相當于短路元器件---電感電感元件（線性非時變）電壓、電流關系：電阻忽略不計時（外加電壓超前電流90）元器件---電感功率、電壓、電流相位關系：QL的頻率是電壓或電流頻率的2倍。U、i都為正時，QL為正，吸收能量（負載）U、i都為負時，QL為正，吸收能量（負載）U為正i為負時，QL為正，吸收能量（無功電源）U為負i為正時，QL為正，吸收能量（無功電源）電阻忽略不計時，電路中沒有能量損耗，瞬時功率正半周與正半周的面積完全相等，所以交流電感電路中平均功率為0.元器件---電感磁場儲能：存儲在磁場中全部能量電感參數：電感量、電流電感的用途：濾波、諧波治理、變壓器、電機、電磁鐵、接觸器、繼電器、磁砣、電焊機、高頻淬火等。

元器件---電容電容定義：聚集電荷或存儲電能的元件。電荷與兩端存在著代數關系的兩端鈕元件。庫伏特性：i大于0時，充電；i小于0時，放電（q下降，電壓降，電壓變化率下降）。線性非時變電容元件q正比于u元器件---電容電流i超前電壓u90度阻抗電容的儲能：元器件---電容某一時刻的電壓u(t)與該時刻以前的電流都有關系，對過去歷史上有過的電流有記憶作用，因此，電容是有記憶性作用。電容的特點：1.c元件是動態元件（導數關系）、儲能元件、是由記憶性元件、無源性元件。2.電壓超前電流90度電容的用途：濾波、諧波治理、提高電網功率因數、過電壓吸收等。電容的種類：元器件---功率元件二極管1.PN結的單相導電性：

I------PN結的電流（A)Is-----反向飽和電流（A)V-----外加電壓（V)Vt-----溫度的電壓當量e------自然對數的底q------電子電荷量K------玻爾茲曼常數T------絕對溫度從上式可以看出，當PN結為正向偏置時，電壓V為正，只要V遠大于Vt（常溫下Vt=0.026V），式中結中遠大于1，因此PN結中的電流If隨正偏電壓V的增加按指數規律上升。當PN結為反向偏置時，電壓V為負，隨電壓V的絕對值的增加，指數項很快趨近于0，于是I約等于-Is，即反向飽和電流是一常數，不隨外加電壓變化。元器件---功率元件2.PN結的反向擊穿（1）雪崩擊穿：高電壓擊穿（2）齊納擊穿：也稱隧道擊穿，在比較低的反向電壓下發生擊穿（3）熱擊穿3.二極管的特性與參數：（1）伏安特性：與溫度有關（溫度升高曲線左移）4.開關特性：由于Pn結電容的存在，在二極管加正向電壓流過正向電流時，結電容上沖有一定電荷。元器件---功率元件（1）在t＜0時刻，二極管加正向電壓Vf，正向電流由負載電阻決定（If=Vf/R），二極管的正向壓降很小。（2）當t=0時，切斷正向電壓Vf，施加反向電壓Vr。二極管的正向電壓降很小，但是由于勢壘電容和擴散電容的作用，載流子無法立即消失，所以，二極管兩端電壓電壓仍然保持導通狀態時正向電壓降的值，即Ud。反向電流仍由負載電阻R決定，-Ir=-Vr/R。

(3）當t＞0時，盡管空間電荷區的存儲載流子不斷漂移出該區，但由于N區中的非平衡載流子不斷向空間電荷區移動。從而使空間電荷區仍然保持大量存儲載流子，因而具有正向電壓降，使反向電流保持較大的數值。元器件---功率元件（4）當t=td時刻，是二極管反向恢復過程中的的一個重要轉折點，此時加于空間電荷區的正向電壓減小為0，非平衡載流子完全消失，此后空間電荷區的載流子濃度將開始衰減，td稱為延遲時間。（5）當t＞td以后，空間電荷區的載流子濃度進一步減少，開始承受反向電壓PN結變為反向偏置狀態，反向電流明顯下降，反向電壓降相應上升。反向電壓上升到外加電壓-Ur，反向電流減小到反向飽和電流，此時二極管完全恢復到截止狀態。（6）由t=td到二極管完全截止所需時間稱為電流下降時間，用tf表示（7）反向恢復時間trr=td+tf---------決定開關速度5.性能參數：（1）額定正向平均電流If長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。有效值為：1.57If元器件---功率元件（2）反向重復峰值電壓：反向所能施加的最高峰值電壓。通常是反向雪崩擊穿電壓的2/3.（3）最高允許結溫：125℃-----175℃（4）反向恢復時間trr：是從二極管正向電流過零到反向電流下降到其峰值10%時的時間間隔它與反向電流上升率、結溫、開關前的最大正向電流等因素有關。（5）定額：他是體現承載正向不重復最大電流的能力。即電流浪涌不超過一個工頻周期時元器件---功率元件6.二極管的分類：普通二極管、快恢復二極管、肖特基二極管。普通二極管：用于1KHZ以下的整流電路中，反向恢復時間25微秒左右。快恢復二極管：用于高頻斬波和逆變電路，反向恢復時間5微秒左右。超快速二極管可達50納秒。7.二極管的用途：整流、過電壓吸收、續流、限幅、穩壓等。8.二極管的檢驗方法：元器件---功率元件晶閘管（半控器件）1.普通晶閘管：（Thyristor)SCR(1)結構：螺栓和平板型。(2)晶閘管導通、關斷條件：（3）陽極伏安特性：晶閘管陽極陰極之間電壓Uak與陽極電流Ia之間的函數關系。

(4)門極伏安特性：因工藝原因門極伏安特性相差很大。元器件---功率元件（5）晶閘管開通特性：晶閘管開通不是瞬間完成的，開通時陰極與陽極兩端的電壓有一個下降過程，而陽極電流的上升也有一個過程。（6）晶閘管關斷過程：Toff=Trr+TgrTrr---------反向恢復時間Tgr---------門極恢復時間

（7）參數：

a.電壓參數：斷態不重復峰值電壓：門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應的電壓。此電壓不能重復施加，時間不大于10ms。元器件---功率元件斷態重復峰值電壓：門極開路及額定結溫下，允許每秒50次，持續時間不大于10ms，重復施加于晶閘管上的正向斷態最大脈沖電壓。一般為斷態不重復峰值電壓的90%。反向不重復峰值電壓：門極開路時，施加于晶閘管的反向電壓上升到反向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應的電壓。此電壓不能重復施加，時間不大于10ms。反向重復峰值電壓：門極開路及額定結溫下，允許每秒50次，持續時間不大于10ms，重復施加于晶閘管上的反向斷態最大脈沖電壓。額定電壓：將斷態重復峰值電壓和反向重復峰值電壓的較小值定為額定電壓。元器件---功率元件通態峰值電壓：（管壓降）通2倍額定通態平均電流和額定結溫時，陽極與陰極間瞬時電壓值b.電流參數：通態平均電流：環境溫度40℃和規定的冷卻條件下；導通角不小于170；額定結溫時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值；維持電流：擎住電流：晶閘管導通后，去掉觸發脈沖能使晶閘管保持導通所需要的最小陽極電流。擎住電流是維持電流的幾倍。元器件---功率元件斷態重復峰值電流：門極開路及額定結溫下，對應于斷態重復峰值電壓下的峰值電流。斷態反向重復峰值電流：門極開路及額定結溫下，對應于斷態反向重復峰值電壓下的峰值電流。浪涌電流：在規定條件下，工頻正弦半周期內所允許的最大過載峰值電流。門極參數：門極觸發電壓：（一般1—5V）門極重復電流：（一般幾十—---幾百mA）門極反向峰值電壓：不超過10V元器件---功率元件動態參數：斷態電壓臨界上升率：du/dt在額定結溫和門極開路條件下，使得晶閘管保持斷態所承受的最大電壓上升率。通態臨界電流上升率di/dt晶閘管用門極觸發信號開通時，使得晶閘管不會導致損壞承的通態最大電流上升率。2.特殊晶閘管高頻晶閘管雙向晶閘管光控晶閘管元器件---功率元件3.晶閘管的應用：各種整流電路：（1）單相半波、全波整流電路（2）三相橋式全控、半控整流電路（3）帶平衡電抗器的雙反星整流電路交流調壓逆變器電子開關晶閘管的檢查：絕緣柵雙極型晶體管：IGBT（電壓控制器件）1.特點：（1）輸入高阻抗，是場控器件。（MOSFET特性----MOS場效應晶體管）元器件---功率元件（2）輸出特性飽和壓降低。（BJT----雙極晶體管特點）（3）驅動簡單(日本富士EXB系列驅動模塊）、保護容易、不用緩沖電路、開關頻率高。IGBT產品種類：一單元模塊1200V2400A3300V1200A二單元模塊1200V800A3300V400A六單元模塊2500V1000AIGBT的主要參數:（1）集電極-發射極額定電壓雪崩擊穿電壓（2）柵極-發射極額定電壓小于+20V元器件---功率元件（3）額定集電極電流：IGBT導通時的最大電流8-400A（4）集電極-發射極飽和電壓：飽和動態時，集電極-發射極電壓降。值越小，管子的功耗越小。2.3-3.5V開關頻率：30-40KHZ目前，功能市場應用最多的IGBT驅動模塊是富士公司的EXB系列，它驅動全部的IGBT產品。IGBT驅動模塊有過電流保護電路和過電流保護輸出信號端子；2500V高隔離電壓的光耦；智能電力模塊（IPM）（1）特點：將主開關器件、續流二極管、驅動電路、電流檢測元件、電壓檢測元件、溫度檢測元件及保護信號生成與傳送電路，某些接口電路集成在一起。元器件---功率元件IGBT驅動電路過流保護過熱保護欠壓保護IPM（智能功率模塊）PIM（功率集成模塊）第二章電機MT電機轉矩T負載轉矩中間傳動機構終端機械第二章電機電機的分類：按供電電源分：直流電機和交流電機按防護型式分：開啟式、防護式（網罩式、防滴式、防濺式、封閉式、防水式、防暴式、水密式、潛水式。IP11------防止大于50mm的固體進入，且垂直水滴不能進入電機按電機通風冷卻方式分：空氣冷卻（自冷式、自扇冷卻、它扇冷卻、管道通風冷卻）、液體冷卻。按工作制分：連續工作制、短時工作制、斷續周期工作制、電機名牌數據：型號、額定數據、防護等級、接線方式、海拔高度。型號：異步機Y112S-6112--中心高度112mmS----短機座6---6極同步機TFW225M2-6/24225---中心高度225mmM---中機座TFW---無刷同步發電機第二章電機直流電機：直流電動機、直流發電機。直流電動機：1.類型：它勵電動機、串勵電動機、復勵電動機、永磁電動機2.主要公式：3.直流電動機調速方法：4.直流電動機各繞組極性判定：5.直流電動機刷位確定：6.直流電動機維護(1)起動前的檢查:a.清掃灰塵。b.絕緣電阻測試。電機額定電壓500V以下，500V搖表第二章電機電機500V以上，1000V搖表c.檢查換向器表面是否光潔。d.檢查電刷的磨損情況。刷距均勻否。（2）運行時的監視和維護a.火花（無火花或11/2級的無害火花）b.溫度監視C.絕緣電阻監視.最低值1M/KV但不低于0.5Md.潤滑系統的監視e.異常情況的觀察和分析。如：異常聲音、異常氣味、異常振動等第二章電機（2）修復后的試驗a.試驗前工作：電機各種標志檢查：如出線端標志，接地標志，轉向標志等。緊固件檢查：機械檢查：換向器及電刷、集電環檢查。氣隙大小及對稱性檢查軸承運行情況和電機振動情況檢查：磁極極性檢查中性位置確定b.絕緣測定：吸收比大于1.3通常不低于下式所求值第二章電機R-----絕緣電阻（兆歐）u-----電機繞組絕緣電阻(V)P-----電機額定功率（KW)

對于交流發電機（KVA),對于調相機(Kvar)c.繞組直流電阻測量：標準：磁場繞組的直流電阻與原始值比較不大于2%。電樞換向片間的電阻差不超過10%（由均壓線所引起的有規律的變化除外）。d.絕緣耐壓試驗：匝間耐壓試驗：130%額定電壓（空載時）1min對地.絕緣耐壓試驗：1000V+2倍額定電壓1min超速試驗：1.1倍額定電壓的空載轉速2min第二章電機交流電機同步、異步電動機比較表異步電動機1.類型：鼠籠式電動機、繞線式電動機2.主要公式：

第二章電機公式3.交流電動機調速方法：4.交流電動機各繞組極性判定：5.交流電動機維護

（1）起動前的檢查:（2）運行中檢查：第三章變壓器變壓器變壓器分類：變壓器原理：變壓器連結組別：變壓器并聯運行條件變壓器維護變壓器試驗第四章閉環直流調速系統基礎理論

定義以交流（直流）電動機為動力拖動各種生產機械的系統我們稱之為交流（直流）電氣傳動系統，也稱交流（直流）電氣拖動系統第四章閉環直流調速系統基礎理論

系統構成中間傳動機構交流電源輸入終端機械交流電機直流調速裝置直流輸出皮帶輪、齒輪箱等風機、泵等直流電機交流調速裝置交流輸出執行機構變頻器第四章閉環直流調速系統基礎理論直流電氣傳動系統特點：控制對象：直流電動機控制原理簡單，一種調速方式性能優良，對硬件要求不高電機有換向電刷（換向火化）電機設計功率受限電機易損壞，不適應惡劣現場需定期維護第四章閉環直流調速系統基礎理論交流電氣傳動系統特點：控制對象：交流電動機控制原理復雜，有多種調速方式性能較差，對硬件要求較高電機無電刷，無換向火化問題電機功率設計不受限電機不易損壞，適應惡劣現場基本免維護第四章閉環直流調速系統基礎理論同步、異步電動機比較表穩定性差，轉矩與端電壓平方成正比：穩定性高，轉矩與端電壓成正比：

穩定性

低

高效率不可調，滯后可調，可工作在超前、平激、滯后功率因數隨著負載的改變而改變不隨負載的大小而改變轉速

異步電動機

同步電動機同步電動機通過增加電機的勵磁電流，可以實現對電網無功補償

序言

在電網電壓U為常值，電磁功率為常值時，勵磁電流與功率因數的關系就可以由電樞電流得到，見左圖。調節勵磁就可以調節同步電動機的功率因數，從而使其工作在超前、平激、滯后三種狀態。0超前滯后定子電流ID勵磁電流If

同步電機工作U形曲線同步電機補償示意圖

同步電機在過激的情況下，提高自身的峰值轉矩，同時向異步電機提供無功功率

(如左上圖)。這樣既提高同步電動機運行的穩定性，又給企業帶來可觀的經濟效益。

序言δP功角特性圖目前同步電機的使用現狀

隨著現代化大生產的發展，機電設備越來越趨向大型化、自動化、復雜化、生產過程連續化，由機電設備群體組成的系統一旦失效，就會對企業的安全生產及產品質量造成極大的威脅。同步電機由于其具有一系列優點，特別是轉速穩定、單機容量大、能向電網發送無功功率，支持電網電壓，在我國各行業已得到廣泛應用，特別是在特大型企業，大型同步電動機擔負著生產的重任，其一旦停機或故障，將嚴重影響連續生產，特別嚴重的電機設備事故將導致停產時間的延長，造成企業經濟效益的嚴重損失，而長期以來發生同步電動機及其勵磁裝置損壞事故卻屢見不鮮。

序言同步電機的損壞主要表現1.定子繞組端部綁線蹦斷，線圈表面絕緣蹭壞，連接處開焊；導線在槽口處斷裂，進而引起短路；運行中噪音增大；定子鐵芯松動等故障。（見下一頁圖）2.轉子勵磁起動繞組籠條斷裂；繞組接頭處產生裂紋，開焊，局部過熱烤焦絕緣；轉子磁級的燕尾鍥松動，退出；轉子線圈絕緣損傷；電刷滑環松動；風葉斷裂等故障。

序言轉子繞組剖面圖轉子模擬圖定子繞組

序言第二章

勵磁主回路的合理選配

傳統半控、全控橋勵磁主回路的比較改進型半控、全控橋勵磁主回路比較勵磁控制系統主回路元件選配主回路的選擇勵磁柜主電路一般有四種主回路的選擇圖1圖2圖4圖3在起動時左上圖正負方向電流明顯不平衡，產生直流電，引起電機遭受脈振轉矩強烈振動，電機起動過程所受強烈脈振是電機產生暗傷逐步損壞的重要原因之一。傳統半、全控橋主回路分析主回路的選擇圖一圖二圖一主回路的選擇上圖主回路在電機起動時有：

因此出現如右圖二的轉子感應電壓、電流曲線圖。現將感應電流做直流交流成分分解如下：圖二UfIf主回路的選擇不難看出電機啟動過程中+if和-if相差較大，即：遠大于主回路的選擇IfNS

圖二定子轉子示意圖電流if分解如上圖。If1分解為if2和if3。由于直流分量的存在，類似將轉子提前投勵磁，因而電機在旋轉磁場作用下強烈脈震。定子電流也因此而強烈脈動

電機起動過程發出的強烈振動聲，甚至在整個大廳內都可以聽到。而且這種脈振會一直持續到電機起動結束才消失，電機起動過程所受強烈脈震是電機損傷的重要原因之一。主回路的選擇Id實際定子電流曲線期望定子電流曲線T圖一：定子電流脈振圖0主回路的選擇傳統全控橋主回路

電機起動時，隨著電機起動過程滑差減小，轉子線圈內感應電勢逐步減少，當轉子轉速達到50%以上時，勵磁回路感應電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態，同樣形成+if與—-if電流不對稱，由此同樣形成脈振轉矩，造成電機產生強烈振動，損傷電機。因此傳統主回路逐漸被淘汰。改進型全控橋式勵磁裝置主回路缺點：

采用逆變滅磁，可靠性低，穩定性差電機運行時滅磁電阻長期發熱不能不停機更換控制組件停機要保正控制回路不失電主回路的選擇改進型全控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf

觸發角為90度時輸出電壓Ud（1）采用全控橋式電路，停機時或失步時，其勵磁控制系統的滅磁回路采用逆變滅磁的方式，而逆變滅磁要求電網電壓相對穩定、主回路（包括主橋6只可控硅、快熔、整流變壓器等）及控制回路完好，停機時主回路電源不能馬上停止。上述條件只要某一條件不能滿足，將造成逆變滅磁不成功，造成逆變顛覆，損壞主回路元件及電機，往往出現正常運行的勵磁裝置停車后不能再次順利開車，經檢查發現主回路元件或控制回路損壞的實例。（2）采用全控橋式電路，由于勵磁繞組系電感性負載，當可控硅導通角較小電壓波形出現過零時，就會有電流從Rf、KZ回路續流，這也是采用全控橋式電路經常發生滅磁電阻發熱的原因之一。（3）全控橋式電路作為勵磁裝置的主電路，不能實現不停機完全更換控制插件。為了達到不停機更換插件的功能，只能將控制系統做成雙系統或多系統、互為熱備用，即一套運行，一套熱備用。當一套控制系統故障時，自動切換到另一套備用系統。但是采用多CPU備份沒有實際意義，復雜的備份邏輯會減少系統的平均無故障工作時間，影響可靠性。主回路的選擇斷勵續流滅磁或阻容滅磁，可靠性高系統可以利用半控橋式主電路的結構特點，實現不停機更換勵磁控制插件線路相對簡潔可靠主回路的選擇改進型半控橋式勵磁裝置主回路特點

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf（1）電機在停機或失步時，主回路采用半控橋式電路，可根據工況選擇阻容滅磁或斷勵續流滅磁方式，或者兩者皆用。A:斷勵續流滅磁方式是在電機失步或停機時，勵磁控制系統立即停發觸發脈沖，通過控制回路斷開勵磁主回路接觸器。依靠半控橋式結構特點進行續流滅磁，這種滅磁方式獨立可靠B:阻容滅磁方式（見下頁圖），這種滅磁方式滅磁速度更快。改進型半控橋主回路優點

主回路的選擇勵磁控制系統半控橋主回路優點（2）滅磁電阻狀態；

采用半控橋式電路，就不會有電流從Rf、KZ回路續流，而是通過可控硅和最后一個導通的二極管，因此采用半控橋式電路滅磁電阻在運行過程中處于冷態；主回路的選擇

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf勵磁控制系統半控橋主回路優點（3）勵磁控制系統可以充分利用半控橋式主電路的結構特點，不停機更換勵磁控制器；當勵磁裝置控制部分出現故障時，可利用半空橋電路“失控”的特點，實現不停機、不減載、不失勵的情況下從容更換。其基本原理如下：在投勵后拔控制插件，由于電機勵磁繞組的大電感特性，使一只可控硅始終處于開通狀態，三分之二在整流狀態，三分之一在續流狀態。（如下頁圖）主回路的選擇

在選擇整流變壓器時，已合理選配二次電壓，使它既能滿足強勵要求，又在失控狀態下平均電壓與平時運行電壓接近，滿足電機正常運行對勵磁的需求。當更換上備用控制插件后，勵磁裝置自動轉入正常工作狀態。主回路的選擇勵磁控制系統半控橋主回路優點減小諧波改善波形：盡管半空橋式電路比全控橋式電路諧波分量相對大些，但只要合理選擇整流變壓器參數，使勵磁裝置在正常運行時導通角相對增大，將整流變壓器接成△/Y-11型，自動抵消諧波的主要成分三次諧波，降低諧波對電網的影響。墊底處理避免失控：使用半控橋式電路，當勵磁電流在很小時，會出現失控現象，而在同步電動機這一特殊領域，勵磁電流很低會造成電機失步，所以正常運行時，勵磁電流不應很低，不應該工作到失控區。通過設定墊底電壓（或電流）進行處理，可使勵磁裝置在正常情況下不出現失控。主回路的選擇半控橋主回路的設計注意事項半控橋主回路的設計注意事項滅磁分級整定滅磁系統分兩種狀態。電機異步狀態時，KQ可控硅處于低通狀態，在較低電壓下及時開通（類似于二極管），使電機起動時正負半波電流對稱。電機在同步狀態運行時，滅磁系統處于高通狀態，確保了可控硅KQ不誤導通，過電壓時又及時開通，過電壓消失后及時關斷。

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf半控橋電路和全控橋電路比較總結

半控橋

全控橋斷勵續流、阻容滅磁可靠性高

逆變滅磁可靠性差運行中滅磁電阻冷

運行中滅磁電阻熱線路簡潔，穩定性高

線路復雜，穩定性差能停機馬上切除電源停機不能馬上切除電源不停機完全更換控制器不能完全更換主回路的選擇半控橋、全控橋主電路比較總結經上述分析、比較，可以說明：

在同步電動機勵磁裝置這特定場合，本著因地制宜的原則，主電路采用改進型半控橋式電路的勵磁裝置，技術上更為先進、完善，合理，有著全控橋式電路無法比擬的優越性。

主回路的選擇勵磁控制系統主回路元件選擇a．滅磁電阻的選擇b.主回路元件的選擇主回路的選擇

半控橋式勵磁裝置主回路

KZKQRf滅磁電阻的選擇滅磁電阻Rf的選擇滅磁電阻的大小對電機的啟動性能影響很大，應合理選配。同步電機中有鼠籠起動繞組，當電機定子通電時，由于旋轉磁場和轉子轉速差較大，產生較大的電流，轉子得到較大起動轉矩。除了鼠籠繞組起動力矩外，勵磁繞組也和滅磁電阻組成回路，有電流通過，形成“單軸轉矩”。因此選擇合適的滅磁電阻Rf對電機的順利起動是關鍵的。主回路的選擇

異步驅動特性曲線示意圖

加入滅磁電阻Rf就是為了改變電機的異步驅動特性。Rf的阻值大小應合理選擇，若選擇太小（見曲線4），仍然存在凹坑；若選擇太大（見曲線5），電機的穩態轉速低，很有可能造成電機轉速不能進入臨界滑差（即所說的亞同步）。曲線6是合理選配滅磁電阻Rf的異步驅動特性曲線。主回路的選擇第三章勵磁控制系統的投勵方式

滑差投勵1.傳統勵磁采用順極性投勵2.新型微機型勵磁系統，按照“準角強勵”原則設計。計時投勵勵磁控制系統的投勵方式

傳統投勵方式傳統投勵方式，由于投勵時間選擇不當，出現投勵瞬間，電機震蕩，在現場往往能夠聽到沖擊聲。（如右圖）傳統采用投勵插件式分立元件結構，投勵環節精度不高，易發生故障。勵磁控制系統的投勵方式

新型微機型勵磁系統投勵方式滑差投勵－采用準角強勵所謂準角投勵，就物理概念而言，系指電機轉速進入臨界滑差（即所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉子回路中產生的磁場與定子繞組產生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉子繞組產生的S極相吸）。在準角時投入強勵，使吸力加大，這樣電機進入同步輕松、快速、平滑、無沖擊。勵磁控制系統的投勵方式

新型勵磁控制系統的滑差投勵的過程如下：勵磁控制系統的投勵方式

勵磁控制器檢測滑差達到設定值時，在準角位置投勵。勵磁控制系統的投勵方式

勵磁控制系統的投勵方式

新型勵磁控制系統計時投勵如下：

同步電動機采用全壓異步啟動可以計時投勵，時間投勵的原理是把電機啟動的加速過程，用時間來計算。但是一般電機都優先采用滑差投勵，只是在工況有復雜干擾的情況下，而且該干擾控制器無法濾除，給滑差投勵的頻率采樣造成困難，從而采用記時投勵。

勵磁控制系統的投勵方式

空載啟動的投勵情況：

電機在空載情況下很快就能進入亞同步，當控制器在一定時間之內檢測不到Uf的頻率時，控制器就自動認為電機已經進入同步。如下圖對于某些轉速較低，凸極轉矩較強的電機空載或特輕載起動時，往往在尚未投勵的情況下便自動進入同步，系統內具有凸極性投勵控制環節，在電機進入同步后的1-2秒內自動投勵。電機進入同步后，控制系統自動控制勵磁電壓由強勵恢復到正常勵磁。勵磁控制系統的投勵方式

勵磁控制系統的投勵方式

第四章同步電動機的失步危害、失步保護及帶載自動再整步技術同步電機的失步事故分為三類：失勵失步帶勵失步斷電失步

4.1同步電機的失步危害

過電流繼電器不能兼作失步保護4.1.1失勵失步由于勵磁系統的種種原因失去勵磁或嚴重欠勵磁，使同步電動機失去靜態穩定，滑出同步，稱為失勵失步。δ過功率正常功率欠功率P0

功角特性圖NS功率角δ失勵失步的現象：（1）：電機丟轉不明顯，電機無異常聲音；（2）：定子過流不大；（3）：表計顯示很大的電流值；（4）：滅磁電阻會燒紅；（5）：產生高壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞；Id1.6~1.8Ie

失勵失步時，電機的定子電流將略大于電機的額定電流，一般定子電流脈動包絡線的髙峰值約為額定電流幅值的1.6～1.8倍左右，而脈動低谷值則往往低達額定電流的0.8～1.2倍左右；

定子電流的脈動高峰值雖然大于GL繼電器的過流整定值，但是時間很短，繼電器剛剛被啟動，在還沒有到達其動作時限之前，定子電流就又下來了，繼電器又被復位，因此GL繼電器在發生失勵失步時往往拒動作或是動作時間大大加長；

失勵失步造成的后果是：不易及時發現，電機長時間的處于失勵失步的運行狀態，導致啟動繞組過熱，變形，開焊；甚至波及到定子繞組端部，并進一步發展和擴大成為電機內部短路故障而燒壞電機；還有可能引起勵磁裝置中的滅磁電阻過熱燒斷，造成轉子開路，由過電壓打壞轉子絕緣，燒壞電機。過流整定值T圖4-1失勵失步的定子電流脈振曲線0.8～1.2Ie4.1.2帶勵失步

導致帶勵失步的原因是：（1）相鄰母線短路，引起母線電壓大幅度降低；近處大型機組或機組群瞬間啟動引起母線電壓長時間，較大幅度的降低見功角特性圖；（2）電機起動過程中勵磁系統過早投勵,即電機在啟動過程中滑差沒有進入臨界時就投入勵磁,此時由定子產生的磁場還不足以拉動轉子磁極,反而會產生失步。（3）運行中，電機短時間欠勵磁或失勵磁（如接插件接觸不良）引起失勵失步，從失勵失步過渡到帶勵失步；（4）以及由于供電線路遭受雷擊，避雷器動作；負載突增（如壓縮機憋壓，軋鋼機咬冷鋼）等原因所引起。電機帶有正常或接近正常的直流勵磁，而轉子磁場卻不同步的異步運行狀態，稱為帶勵失步。功角特性NS功率角δ

當U大幅度降低或負載突增，造成電機失步。

δP過功率正常功率欠功率0~1.0Ie過流整定值T1.8~3IeId圖4-3帶勵失步定子電流曲線

定子電流包絡線的髙峰值為1.8～3Ie，低谷值為0～Ie倍。這種強烈的脈動定子電流使過電流繼電器不能動作或動作時間大大延長。

帶勵失步時定子波形的顯著特點

圖4-4帶勵失步時電機脈震圖NSNSNSNSNSSNNSNS

帶勵失步對電機的危害，主要在于脈振轉矩較長時間的反復作用，多次積累，產生疲勞效應，損壞電機。

帶勵失步對電機的危害原因：

帶勵失步對電機的損傷表現在：（1）定子：脈震會使定子繞組導線崩斷，導線變酥，線圈表面絕緣層被振傷（線圈里面呈不均勻的鋸齒狀，嚴重時會因絕緣損壞而造成定子鐵芯擊穿而新線圈表面是平的），并逐步由過熱而烤焦、燒壞，甚至發展成短路；定子鐵芯松動，運行中噪音增大；見附圖（一）附圖一:（2）轉子：還會使轉子勵磁繞組接頭處產生裂紋、開焊、局部過熱烤焦絕緣，轉子磁級的燕尾鍥松動，退出；轉子線圈絕緣損傷；電刷滑環松動；風葉斷裂。見附圖（二）

附圖二：轉子繞組

圖4-5BZT電路

4.1.3斷電失步

當供電系統故障，引起供電線路自動重合閘ZCH裝置或備用電源投入BZT裝置動作，以及人工切換電源等，使同步電動機的供電電源短暫中斷而導致失步稱為斷電失步。圖4-6斷電失步時電網電壓曲線

0

斷電失步時定子波形的變化特征

所謂“斷電”其實是一個不失壓的過程。電網失電后電壓不會立即消失，而是有一個非線性的變化過程。很明顯在只有同步電動機的電網中，斷電失步后，電壓衰減比只有異步電機的電網，有一個上升的區域。TU存在同步電機的電網電壓曲線僅有異步電機的電網電壓曲線圖4-7電網斷電后瞬間定子電壓頻率改變，幅值短暫上升后衰減

UTUT00

電網電壓的頻率隨同步電動機的轉速的下降而逐漸降低。可控硅的開通角度也相應增大，從而使勵磁電壓提高，也因而母線電壓幅值進一步提高。12345

同步電動機通常是超前運行的，在電源突然中斷后的短時間內，母線電壓是成螺旋型變化的；圖4-8非同期沖擊

在不同區域，電源再次投入后對電機的非同期沖擊程度有別。1處：為安全區域，不受沖擊；

3處：沖擊力矩最大；

4處：沖擊電流很大；

2和5處：為受損傷區域；

非同期沖擊12345圖4-9采用降壓加延時繼電器保護非同期沖擊T只有異步電機同步電機U0

采用低電壓加延時來防止自動重合閘引起的非同期沖擊可靠性差

這種從原理上分析，如圖（4-9）當電壓降到40%的時候，時間太長，特別是當單機或是機組容量大時，時間會更長，而當時間越長電機轉速越低，此時投入電壓，相當于大電機或整個機群重啟動，同樣會造成過流跳閘，起不到提高供電可靠性的作用。4.2新型型勵磁控制系統失步保護

目前較普遍的有：1：反映電機定子電壓和定子電流之間相量角變化的功率因數型失步保護繼電器；2：根據電機失步時阻抗軌跡變化原理構成的偏置阻抗型保護繼電器；3：由檢測電機內角及轉差頻率復合式原理構成的失步保護；4：根據電機失步時在勵磁繞組中出現交流感應電流分量并加設轉子低電流動作環節原理構成的失步保護；5：利用勵磁回路中的電流在電機失步時出現瞬時低電流及其重復頻率原理構成的失步保護。

西門子公司采用了在轉子回路加互感器的方式

說明書中強調在滑差大于3%時能可靠動作。而現場工況中，經常出現滑差小于3%；當電機因轉子回路斷路而失步時，也同樣檢測不到電流信號，起不到失步保護的作用。很明顯保護存在死區。

圖4-10西門子公司對轉子采樣圖

圖4-11本公司對轉子采樣圖分流計

霍爾傳感器

在轉子回路上串接分流計或是霍爾傳感器檢測轉子里產生的不衰減的交變電流波形信號，根據該波形的特征來判斷是否失步。

圖4-12失勵失步波形圖4.2.1勵磁控制系統對失步波形的檢測

失勵失步波形特點：感應交變電流將以時間T為軸線，正負交變；

圖4-13帶勵失步波形圖1、2帶勵失步波形特點：這一交變分量與直流勵磁電流相疊加形成脈動電流；圖4-14轉子斷條波形轉子斷條波形特點：檢測不到電流波形IfT

圖4-16振蕩波形圖振蕩波形特點：電機正常運行中發生同步振蕩時，在原有的直流勵磁電流上疊加的交流感應電流分量具有迅速衰減的特點4.2新型勵磁控制系統失步再整步技術為了達到帶載自動再整步，必須要滿足以下幾點一：改善電機的異步驅動特性

異步驅動特性曲線示意圖

一般來說，電機容量越大，額定轉速越慢，則由電機的異步驅動特性圖看出，凹陷的深度越深，合理選擇接入電機的滅磁電阻的阻值，能夠改善電機的異步驅動特性，消除凹陷；

二：減少甚至消除電機的異步制動轉矩

異步制動轉矩公式為：異步制動轉矩與勵磁電勢E的平方成正比，即與轉子直流If的平方成正比，要消除異步制動轉矩就是要進行滅磁消除If。三：與電機所帶負載性質有關

1.平穩負載。如風機、水泵等其負載特性與電機滑差有關；

2.脈動轉矩。如往復式壓縮機；

3.沖擊性負載。如軋鋼機。四：與再整步轉矩有關整步轉矩即同步振蕩轉矩，在電機失步后的異步驅動階段。起了引起機組震動、增加機組的機械和電磁損耗，增大制動轉矩等有害的作用，但在電機暫態過程的再整步階段又起著重要的積極因數。電機將依靠此整步力矩，利用準角和強勵的作用，將電機轉子拉入同步。

再整步的整個過程為:

關橋

滅磁

改善異步驅動特性進入臨界滑差