同步电动机控制保护回路的分析



杨仁川

（四川美丰化工股份有限公司 四川德阳 618000

）

摘要：当今企业的工生产规模不断提高，扩大再生产能力继续加强，大型机械设备的传输功率也越来越大，这就使设备的驱动需要更大功率电动机来实现。而同步电动机不仅满足大型生产设备的对驱动机械特性的要求，更对供电系统的电网有诸多益处，一方面同步电动机转速稳定，驱动性能佳，另一方面同步电动机作为容性负载，提高了电网能量的利用功率，就地交换无功功率，提高了整个电网的功率因数，也提高了能源的利用率，符合节能环保的要求。由于同步机的输出转矩稳定，功率因数可调等突出优点，因此在化工企业中应用广泛。本文详细分析了同步电动机控制系统的组成，为同步电动机控制的理论分析奠定基础。

关键词：同步电动机；控制；回路分析；

1. 
   

2. 引言

旋转电机的机电能量转换是在电磁运动过程中实现的，所以同步电机和其他电机一样，有固定和转动两个部分。固定部分称为定子，转动部分称为转子，定子和转子之间有一个气隙。由于同步电动机的定子绕组所产生的旋转磁场与转子转动的速度是相同的，所以被叫做同步电动机。基于这个原因，同步电动机定子线圈内电流基本超前于机端电压约90°，也就是说同步电动机是一个电容负荷。所以实际工业应用中，同步电动机通常用来代替补偿电容柜，以便来提高电气系统的功率因数。从原理结构和制造成本上来讲，同步电动机做成旋转磁极式比旋转电枢式要相对便宜简单，只要保证定子磁场和转子磁场之间存在着相对运动即可，所以工业企业中常用的同步电机，其结构大多选择旋转磁极式。还因为转子励磁绕组的电压比定子电枢绕组的电压低得多，电流也小得多，可使电刷和集电环之间以滑动接触方式传导电流的负担大为减轻，转动的工作条件大改善；电枢绕组虽然电压较高，电流较大，但由于电枢是静止的，线圈的绝缘问题就比较容易解决，大电流接引电路也比较简便。

同步电动机的励磁绕组要承受很大的离心力，所以励磁绕组在定子槽内用非磁性高强度的硬铝槽楔予以压紧，端部则用中心环和护环可靠地固定。中心环用以支持护环并防止端部的轴向移动，护环将励磁绕组端部套紧。大、中容量发电电动机的护环一般用高强度非磁性钢锻制。护环的一端热套固定在转子本体上，另一端热套在热套在转轴上，便形成刚性固定结构。中心环如果与转轴脱空，即前成悬挂式护环，为了避免护环轴向移动，护环与本体间用突齿搭接或用环键固定。目前国产大、中容量的发电电动机大都采用悬挂式护环结构，因为这种结构可以题免护环与本体、护环与中心环、中心环与转轴之间的配合面因受较大的交变应力而损伤。一对集电环装在定子外壳与轴承之间的转轴上，通过引线分别接到励磁绕组的两端，并通过电刷装置引至励磁机。集电环一般用碳钢制成，热装套在转轴上，与转轴之间隔有云母绝缘。集电环表面有螺纹，便于电刷与集电环摩擦所产生的粉末沿螺纹方向排出，并可帮助散热，还可借以消除旋转时接触面的气膜所导致的接触不良和电流分布不均匀现象。

2. 
   

3. 同步电动机控制系统的组成

2.1一次系统

一次系统由断路器、电流互感器、电压互感器、零序电流互感器、避雷器、高压电缆、现场同步电动机组成。电源依次通过上述元器件后使同步电动机通电旋转。由于一次系统带有高电压，所以操作时必须要有严格的措施和保持安全距离。回路中的电流互感器分为测量保护用电流互感器和零序电流互感器，互感器的测量信号经高压柜端子排和控制电缆引入到监控测量仪表PMC-560中，经过模数转换从显示屏或后台电脑中读出电流等数据。

互感器的保护电流信号也是经高压柜端子排和控制电缆引入到监控测量仪表SEL-551中，经过模数转换和逻辑运算，保护电流信号和给定制值比较来实现同步电动机的过流、速断、过负荷保护等功能。

由于同步电动机的现场也需要同时监视电动机本身的电流，也需要从功率因数表中的指示来调节压缩机的负荷情况，因此现场的控制柜上需要单独设置电流表和功率因数表，单相电流引自电流测量回路RTA电流互感器。

2.2辅机系统

同步机的辅机系统有注油器系统、主辅油泵系统、滑环风机系统、盘车系统，仪表工艺连锁系统等，这些辅机系统通过提供干接点串联在同步电动机的控制回路中，保护电动机和压缩机的运行安全。转换开关S21在远方控制位置，触点SA21-1和SA21-2、SA21-7和SA21-8分别导通，启动合闸转换开关SA2,接触器KM2吸合，主回路接通，电机运转，此时电动机的油泵回路具备开车条件。在同步电动机正常运行状态下，油压管路的油压在0.2~0.4MPA，如果油压管路的油压因故障使油压低于0.15MPA后，油泵控制回路中的中间继电器2KA11将连锁动作闭合，此时辅助油泵将会启动，保证供油管路的油压正常；如果油压故障消失后供油管路的油压高于0.4MPA，控制回路中的中间继电器2KA12将会得电断开，此时辅助油泵停止，管路油压恢复带正常状态后，中间继电器2KA12失电，恢复到备用状态。控制回路中中间继电器KA31的作用是在同步电动机运行时闭锁所有的辅机系统控制回路防止人为的误操作使同步电动机停运。

2.3同步电动机励磁系统

本文中的W介绍DSP-L1型同步电动机励磁控制单元是新一代全数字式同步电动机励磁控制装置，在使用功能、运行稳定性、操作友好性以及技术先进性方面与传统型的同步电动机励磁装置有了质的飞跃。

控制单元采用双CPU结构，主CPU选用的是美国德州仪器公司生产的TM320LF2407 型DSP芯片，它是整个控制单元的核心器件，控制单元主要控制功能的实现都依赖于它。辅CPU选用的是51系列单片机，它的主要功能是负责对人机界面和外部通讯的管理。CPU采用了硬件“看门狗”技术同时在软件中也设置了陷阱，这就使得控制装置具有超强的抗干扰性能，能够保证在复杂的工业环境中长时间稳定运行。

DSP的采用是该产品最亮丽的技术特色，DSP芯片的优秀性能决定了控制装置的先进性和可靠性。DSP全称数字信号处理器，是一款高性能的32位微处理器，相对于目前市场上的通用型单片机来说，DSP在硬件集成度、运算速度、使用功能、抗干扰能力、通讯能力、运行稳定性、编程灵活性等方面都有了本质的提高。但以前由于DSP的开发成本很高，她一般多用于军工、航空、航天等要求比较高的领域。随着电子技术日新月异的发展，电子元件的成本不断的降低，使DSP走入普通工控领域成为了可能，在不久的将来DSP全面代替单片机成为嵌入式系统的主流CPU，将是不可阻挡的潮流。

3. 
   

4. 结束语

同步电动机是大型化工企业提供动力的重要组成部分，同步电动机的保护控制关系着企业电气设备的长效安全运行。因此同步电动机的控制，在工业企业电气工作中的作用越来越重要。面临被传动设备的复杂化，它的正常运行尤为重要。由于被传动设备如大型压缩机的辅机及连锁系统的增加和优化，给同步电动机的控制提出了更高的要求。本文详细分析了同步电动机控制系统的组成，为同步电动机控制的理论分析优化奠定基础。

参考文献

1. 
   

2. 张明君,王延平,梅彦平.电力系统继电保护[M].北京:人民邮电出版社，2012：265-270.

3. 陈树勇,宋书芳,李兰欣,沈杰.智能电网技术综述[J].电网技术,2009.

4. 张秀娥.变电运行现场案例分析及技术问答[M].北京:中国电力出版社,2010.

5. 陈根永.电力系统继电保护整定计算原理与算例[M].北京:化学工业出版社,2010.