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摘 要：大型同步电动机具有功率因数超前、运行稳定性高、效率高等特点，在南水北调工程中被广泛应用。文章介绍了WKLF型微机励磁装置的功能特点、失步危害及失步保护。
关键词：南水北调；大型泵站；励磁装置；失步
中图分类号：TV734 文献标识码：A
大型同步电动机具有功率因数超前、运行稳定性高、效率高等特点，在南水北调工程中被广泛应用。在使用过程中，各种来自电网、负载及电机本身的扰动，持续的破坏电机轴上的转矩平衡关系 ，致使同步电机发生失步，造成工程设备的损坏及不必要的经济损失。WKLF标准型同步电动机励磁装置，可以满足同步电动机常规异步起动、励磁自动调节等所有技术要求，确保机组的安全运行。
1 WKLF型微机全控励磁装置功能特点
WKLF型微电脑全控励磁装置是新一代的励磁调节控制装置，是以电力电子技术、计算机技术和现代控制理论相结合的控制装置。
该装置可以实现闭环调节和控制，加强同步电动机和供电系统的动态稳定性，优化厂矿的无功分配。该设备不仅具有失步保护的功能，具有不减载自动再同步功能，以及许多常规励磁无法实现的控制、限制、保护和自我诊断自恢复功能。
2 同步电动机运行稳定性
同步电动机正常运行时，由从电网吸收的电磁功率Pem与负载功率Pf保持动态平衡，当电网电压和负载在正常范围内波动时，同步电动机不会由此滑出同步而失步，这由它的功角特性来确定的，如图1所示。
图1 功角特性曲线
E×U
Pem=XdΣsinδ
式中：E代表励磁电势；U为母线电压；XdΣ代表总电抗；δ党代表功角。
负载突然增加，而电压不改变的情况下，负载功率 P 向上移动，如果没有闭环调节，这时电磁功率曲线Pem保持不变，运行功角δ会增大，δ≥90°＼u26102X，电机就会失去同步；如果有闭环调节，曲线 Pem 随着负载功率同步上移，而运行功角δ保持相对恒定，增加电机稳定性。而当电压突降，负载恒定时，如果没有闭环调节，因为励磁装置380V的励磁电源（取同一电动机母线）同步降低，而励磁电势E与电压几乎成正比降低，所以电磁功率曲线Pem与机端电压 Ud 平方几乎成正比下降，此时运行功角δ增大，电动机稳定裕度将会大大减小；如果使用闭环调节，Ud下降而励磁电势E增加，Pem基本不变，提高电机稳定性。
3 同步电动机的失步及危害
同步电动机在正常运行时，电机转速与电网频率按照（n=60f/p）严格对应，转子磁场严格同步于定子旋转磁场，而严格的对应和同步关系是建立在以转轴上转矩平衡基础上的。转矩平衡关系一旦被多种来自电网、负载等扰动破坏，电机依靠一定调节能力，以电机功率角δ相应的变化自动调节电磁转矩的大小，来抵消由于各种扰动所带来的不平衡。电机的这种调节能力有一定限度，当扰动超过一定限度时，就会导致电机失步。
按失步原因及性质不同，可分为3种类型：即带励失步、失磁失步和断电失步。
带励失步一般是因为相邻的出线端头出现短路故障，或者由于附近大型机组起动或自起动造成母线电压出现较长时间和较大幅度的降低，或者电动机所带负载出现大幅度增加和励磁系统在起动过程中投励过早等原因所引起。带励失步对电动机所造成的危害主要是脉振转矩较长时间的反复作用，正负交变的扭矩作用于电动机的转子线圈的接头处等多个部位，影响电机机械强度及其寿命，从而造成设备的严重损坏。因为振荡转矩是按照转差频率脉振，电动机的电流、电压、功率等物理量就会产生强烈的振荡，电气和机械在一定条件下产生共振，从而导致事故进一步扩大。
失磁失步因转子绕组匝间短路，励磁电源短暂中断、励磁系统设备故障等引起。同步电动机失磁异步运行时，由于定子过电流不大，约1.2倍额定电流，电动机出力不减，运行无异常声音和振动，不易被值班人员发现，导致长时间失磁运行，引起转子绕组尤其是阻尼绕组的过热、开焊、甚至烧毁。
断电失步是由于供电系统故障及人为切换电源引起，如输电线路的自动重合闸动作、备用电源自动投入等；由于电源中断后重新投入的瞬间，电网电压矢量与机端感应电压矢量的相位关系存在随机性，两矢量相位差在180°＼u26102X对电机冲击最大。断电失步对电机主要危害在于电源重新恢复瞬间使电机遭受巨大的冲击电流和冲击转矩。
4 WKLF型励磁装置失步保护
WKLF型励磁装置引入了新颖的失步保护检测原理，它分为带励失步和失磁失步两种。通过读写器设定同步振荡次数，以区分失步与同步振荡。失步保护引入了失步后的滑差判别、失步振荡次数判别及失步后励磁电流峰值判别等全新的判别依据，保证失步保护能够可靠动作。带励失步保护通过读写器选择作用于“跳闸”或“逆变灭磁”，而失磁失步保护只动作于“跳闸”。
WKLF型励磁装置设有完备的失步检测环节，通过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，通过对采样信号波形特征（幅值、周期以及震荡次数）的分析，判断电机失步与否，一旦检测出失步应根据情况分类处理，因电机本身故障引起的失步应跳闸停机，对非电机本身引起的失步，如外部条件许可，则应实施自动再整步。同步电动机自动再整步即在检测到失步后熄滅转子磁场，将电机暂时转入异步运行，在适当滑差时重新投入励磁将电机牵入同步运行。
参考文献
[1] 杜治潮.同步电动机励磁装置应用技术[J].南京：东南大学出版社，2001.
[2] WKLF系列微机励磁装置用户手册[M].北京：北京前锋科技有限公司，2004：8.
关键词：南水北调；大型泵站；励磁装置；失步
中图分类号：TV734 文献标识码：A
大型同步电动机具有功率因数超前、运行稳定性高、效率高等特点，在南水北调工程中被广泛应用。在使用过程中，各种来自电网、负载及电机本身的扰动，持续的破坏电机轴上的转矩平衡关系 ，致使同步电机发生失步，造成工程设备的损坏及不必要的经济损失。WKLF标准型同步电动机励磁装置，可以满足同步电动机常规异步起动、励磁自动调节等所有技术要求，确保机组的安全运行。
1 WKLF型微机全控励磁装置功能特点
WKLF型微电脑全控励磁装置是新一代的励磁调节控制装置，是以电力电子技术、计算机技术和现代控制理论相结合的控制装置。
该装置可以实现闭环调节和控制，加强同步电动机和供电系统的动态稳定性，优化厂矿的无功分配。该设备不仅具有失步保护的功能，具有不减载自动再同步功能，以及许多常规励磁无法实现的控制、限制、保护和自我诊断自恢复功能。
2 同步电动机运行稳定性
同步电动机正常运行时，由从电网吸收的电磁功率Pem与负载功率Pf保持动态平衡，当电网电压和负载在正常范围内波动时，同步电动机不会由此滑出同步而失步，这由它的功角特性来确定的，如图1所示。
图1 功角特性曲线
E×U
Pem=XdΣsinδ
式中：E代表励磁电势；U为母线电压；XdΣ代表总电抗；δ党代表功角。
负载突然增加，而电压不改变的情况下，负载功率 P 向上移动，如果没有闭环调节，这时电磁功率曲线Pem保持不变，运行功角δ会增大，δ≥90°＼u26102X，电机就会失去同步；如果有闭环调节，曲线 Pem 随着负载功率同步上移，而运行功角δ保持相对恒定，增加电机稳定性。而当电压突降，负载恒定时，如果没有闭环调节，因为励磁装置380V的励磁电源（取同一电动机母线）同步降低，而励磁电势E与电压几乎成正比降低，所以电磁功率曲线Pem与机端电压 Ud 平方几乎成正比下降，此时运行功角δ增大，电动机稳定裕度将会大大减小；如果使用闭环调节，Ud下降而励磁电势E增加，Pem基本不变，提高电机稳定性。
3 同步电动机的失步及危害
同步电动机在正常运行时，电机转速与电网频率按照（n=60f/p）严格对应，转子磁场严格同步于定子旋转磁场，而严格的对应和同步关系是建立在以转轴上转矩平衡基础上的。转矩平衡关系一旦被多种来自电网、负载等扰动破坏，电机依靠一定调节能力，以电机功率角δ相应的变化自动调节电磁转矩的大小，来抵消由于各种扰动所带来的不平衡。电机的这种调节能力有一定限度，当扰动超过一定限度时，就会导致电机失步。
按失步原因及性质不同，可分为3种类型：即带励失步、失磁失步和断电失步。
带励失步一般是因为相邻的出线端头出现短路故障，或者由于附近大型机组起动或自起动造成母线电压出现较长时间和较大幅度的降低，或者电动机所带负载出现大幅度增加和励磁系统在起动过程中投励过早等原因所引起。带励失步对电动机所造成的危害主要是脉振转矩较长时间的反复作用，正负交变的扭矩作用于电动机的转子线圈的接头处等多个部位，影响电机机械强度及其寿命，从而造成设备的严重损坏。因为振荡转矩是按照转差频率脉振，电动机的电流、电压、功率等物理量就会产生强烈的振荡，电气和机械在一定条件下产生共振，从而导致事故进一步扩大。
失磁失步因转子绕组匝间短路，励磁电源短暂中断、励磁系统设备故障等引起。同步电动机失磁异步运行时，由于定子过电流不大，约1.2倍额定电流，电动机出力不减，运行无异常声音和振动，不易被值班人员发现，导致长时间失磁运行，引起转子绕组尤其是阻尼绕组的过热、开焊、甚至烧毁。
断电失步是由于供电系统故障及人为切换电源引起，如输电线路的自动重合闸动作、备用电源自动投入等；由于电源中断后重新投入的瞬间，电网电压矢量与机端感应电压矢量的相位关系存在随机性，两矢量相位差在180°＼u26102X对电机冲击最大。断电失步对电机主要危害在于电源重新恢复瞬间使电机遭受巨大的冲击电流和冲击转矩。
4 WKLF型励磁装置失步保护
WKLF型励磁装置引入了新颖的失步保护检测原理，它分为带励失步和失磁失步两种。通过读写器设定同步振荡次数，以区分失步与同步振荡。失步保护引入了失步后的滑差判别、失步振荡次数判别及失步后励磁电流峰值判别等全新的判别依据，保证失步保护能够可靠动作。带励失步保护通过读写器选择作用于“跳闸”或“逆变灭磁”，而失磁失步保护只动作于“跳闸”。
WKLF型励磁装置设有完备的失步检测环节，通过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，通过对采样信号波形特征（幅值、周期以及震荡次数）的分析，判断电机失步与否，一旦检测出失步应根据情况分类处理，因电机本身故障引起的失步应跳闸停机，对非电机本身引起的失步，如外部条件许可，则应实施自动再整步。同步电动机自动再整步即在检测到失步后熄滅转子磁场，将电机暂时转入异步运行，在适当滑差时重新投入励磁将电机牵入同步运行。
参考文献
[1] 杜治潮.同步电动机励磁装置应用技术[J].南京：东南大学出版社，2001.
[2] WKLF系列微机励磁装置用户手册[M].北京：北京前锋科技有限公司，2004：8.