CN101807789A - 同步电动机失步保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种同步电动机失步保护方法，其包括下列步骤：测量所述电动机的定子电压、电流和功率因数；根据上述测量参数值计算电动机的功率角；判断所述功率角是否在安全运行范围之内；当所述功率角超出安全运行范围时，调节变频器输出的压频比，控制功率角在安全运行范围之内。本发明提出的同步电动机失步保护方法，根据计算出的功率角的变化，调节变频器输出的压频比，有效避免失步的发生。

Description

同步电动机失步保护方法

技术领域

本发明涉及电动机保护领域，且特别涉及一种同步电动机失步保护方法。

背景技术

所谓同步电机，简单的说：指的是定子旋转磁场的转速与转子实际转速一致，加励磁柜就是为了给转子增加推动力，保证电机同步运行。同步电机受到冲击性负载或扰动性，引起剧烈的定子电流、励磁电流和输出转矩的冲击，电动机相应部位的材料中引起机械应力，影响其机械强度和使用寿命，甚至造成设备的损坏，同时影响生产的正常进行，这种现象称之为失步。所谓失步简单的可理解成转子实际转速低于定子旋转磁场的转速，电机已不能同步运行。失步一般分三种：

1.带励失步：电机带有正常或接近正常的直流励磁，而转子磁场和定子磁场又不同步的异步运行状态，称为带励失步。带励失步一般由相邻出线端头短路故障，引起母线电压大幅度瞬时突降；近处大型机组或机组群启动或自启动，引起母线电压较长、较大幅度的降低；电机所带负载的大幅度增加以及启动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。带励失步对电机所造成的危害，主要在于脉振转距较长时间(几秒～十几秒以上)的反复作用，多次积累，产生疲劳效应，及可能引起的电气或机械共振所致。带励失步对电机所造成的损害一般是当场未能被发现的暗伤。发生带励失步时在现场可听到电机发出怪声和感到机组甚至地面剧烈振动，但停机检查又找不出什么毛病，当这些内部暗伤多次累积。逐步发展会扩大成为电机的内部事故。但又往往被认为是其它种种原因所引起，或甚至说不清的事故原因，从而忽略事故造成的根源。带励失步对电机造成的损害的表现在：定子绕组端部绑线崩断，导线变酥，绝缘损伤，并逐步由过热而烤焦，烧坏，或甚至发展成短路；转子励磁绕组接头处产生裂纹，出现过热，开焊，绝缘烤焦；鼠笼条与端环连接部位开焊或变形；转子磁极的燕尾楔松动并退出；定子铁松动；运行中噪音增大；连轴器轴销部位出现裂纹等。

2.失励失步：由于直流励磁系统的种种原因，使同步电动机的励磁绕组失去直流励磁而使电机失去静态稳定，滑出同步，称为失励失步。一般同步电机可以允许短时间(十几秒)的无励异步运行；但更长时间的失励失步运行将引起电机转子绕组，尤其是启动绕组的过热，变形，开焊，甚至波及定子绕组的端部，并进一步发展和扩大成为电机内部短路故障而烧坏电机。还可能引起励磁装置中的附加电阻过热烧断，造成转子开路，由过电压打坏转子绝缘而烧坏电机。同步电机失励失步时，往往很长时间未被值班人员发现。待发现电机或励磁装置冒烟时，电机早已失步运行了相当一段时间，并已造成了电机设备的损伤。失励失步之所以不易被发现。是由于在失励失步时，电机无异常声音，滑差很小，丢转不明显，出力不减，工艺参数无明显变化，定子电流过流不大，因此在运行实践中，如果失步保护不完善，由失步造成电机设备的损伤为数不少。

3.断电失步：当供电系统故障，电源线路自动重合闸装置或备用电源自动投入装置动作，以及人工切换电源等。使同步电机的供电电源短暂中断而导致的失步称为断电失步。断电失步使电机遭受严重损伤的主要因素是：电源重新恢复瞬间电机遭受的非同期冲击。这种非同期冲击包括非同期电流冲击和非同期转矩冲击。它们分别在不同的投入分离角(即电源重新恢复瞬间的电气分离角)时具有最大值。并远比电机出口三相短路时的冲击电流和冲击转矩为大，因而是电机设备所不能承受的。断电失步对电机设备所造成的损伤主要表现为：定子和转子绕组崩裂。绝缘损坏甚至引起电机内部短路、起火。连轴器和轴销损坏，大轴扭弯等严重损伤。

当电源中断后又重新恢复瞬间的投入分离角为120°～140°左右，损伤最严重，电机将遭受严重非同期冲击而当场烧坏。当投入分离角为其它值时，电机将分别受到相当的不同程度内部暗伤，并将在多次积累和一定的诱发条件下表现出来，发展成为内部短路等严重事故。

现有的电机失步保护基于电机失步之后，通过检测定子电流和励磁电流的变化判断出电机失步，再采取灭磁和再整步等措施加以保护。这种保护方法在电机失步之后进行，是被动的，无法避免电机失步的发生，降低了电机的使用寿命并影响了生产，因此对电机的保护是有限的。

发明内容

本发明提出一种同步电动机失步保护方法，根据计算出的功率角的变化，调节变频器输出的压频比，有效避免失步的发生。

为了达到上述目的，本发明提出一种同步电动机失步保护方法，其包括下列步骤：

测量所述电动机的定子电压、电流和功率因数；

根据上述测量参数值计算电动机的功率角；

判断所述功率角是否在安全运行范围之内；

当所述功率角超出安全运行范围时，调节变频器输出的压频比，控制功率角在安全运行范围之内。

进一步的，所述功率角的安全运行范围是20°～40°。

进一步的，使用控制器调节变频器输出的压频比。

进一步的，调节变频器输出的压频比为增大变频器的电压，变频器的频率保持不变。

进一步的，所述功率角的计算公式为：

其中，U、I、

θ、E₀分别为定子电压、电流、功率因数角、功率角和空载电动势，x_d和x_q分别为直轴和交轴的同步电抗。

本发明提出的同步电动机失步保护方法，根据测量的电压、功率因数等电参量，实时计算功率角，通过调节变频器输出的压频比将功率角控制在20°～40°范围内，从而完全避免了失步，彻底克服了现有失步保护技术依据失步发生后检测到的信号进行保护的滞后性和有限性。本发明极大地提高了同步电动机的失步保护，延长了电机和变频器的使用寿命，彻底避免了生产中由于电机失步造成的停车事故，提高了生产效率，极大地促进同步电动机这种高效率、高功率因数的电机应用于变频调速领域。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的同步电动机失步保护方法流程图。

图2所示为本发明较佳实施例的同步电动机失步保护方法方框图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

本发明提出一种同步电动机失步保护方法，根据计算出的功率角的变化，调节变频器输出的压频比，有效避免失步的发生。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的同步电动机失步保护方法流程图。本发明提出的同步电动机失步保护方法，其包括下列步骤：

步骤S10：测量所述电动机的定子电压、电流和功率因数；

步骤S20：根据上述测量参数值计算电动机的功率角；

步骤S30：判断所述功率角是否在安全运行范围之内；

步骤S40：当所述功率角超出安全运行范围时，调节变频器输出的压频比，控制功率角在安全运行范围之内。

同步电机的定子电压与电流、功率因数及功率角之间存在如下联系：

其中，U、I、

θ、E₀分别为定子电压、电流、功率因数角、功率角和空载电动势，x_d和x_q分别为直轴和交轴的同步电抗。

根据测量的定子电压、电流、功率因数和上述内在联系，可实时计算出功率角和空载电动势，其中计算出的功率角用于电机的失步保护。电机正常安全运行的功率角范围为20°～40°之间，功率角超过40°存在失步的危险。

随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。由于通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频(VVVF)方式调速，因此，变频器在使用前正确地设定其压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，即基准电压/基准频率＝压频比。基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关(电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比)，而且还必须考虑负载的机械特性。变频器正常调速运行时供电频率取决于需要输出的转速，电压与频率之间的关系保持恒压频比(额定电压与额定频率之比)。

再请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的同步电动机失步保护方法方框图。本发明使用变频调速技术，当电机负载加大时，功率角增大，依据计算出的功率角可以了解到电机失步的邻近，通过控制器100改变变频器200的占空比调节输出的压频比(电压增大，频率保持不变)，根据上述公式可使功率角下降，从而有效避免失步的发生。压频比的调节范围受限于需要输出的转速和电机的额定电压，并且转速越低压频比调节的空间越大。例如对于额定电压6300V、额定频率50Hz、额定转速为1000r/min的同步电动机，其基准压频比为126(6300/50)。当电机在600r/min运行时，失步保护的电压调节范围为：3800V～6300V。每次调节电压数值是保持功率角的控制范围在20°～40°之间，自动实现调节。即负载增大时，功率角变大，比如功率角达到50°，通过把电压调高，可使功率角下降，当功率角低于40°后，就不再调高电压了；反之，负载减小，功率角变小，比如功率角达到10°，通过调低电压，可使功率角上升，当功率角超过20°后，就不再调低电压了。电压调节的过程中，频率不变，也是压频比在调高或调低，其控制目标是功率角在一定范围内。

综上所述，本技术方案根据测量的电压、功率因数等电参量，实时计算功率角，通过调节变频器输出的压频比将功率角控制在20°～40°范围内，从而完全避免了失步，彻底克服了现有失步保护技术依据失步发生后检测到的信号进行保护的滞后性和有限性。本发明极大地提高了同步电动机的失步保护，延长了电机和变频器的使用寿命，彻底避免了生产中由于电机失步造成的停车事故，提高了生产效率，极大地促进同步电动机这种高效率、高功率因数的电机应用于变频调速领域。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种同步电动机失步保护方法，其特征在于，包括下列步骤：

测量所述电动机的定子电压、电流和功率因数；

根据上述测量参数值计算电动机的功率角；

判断所述功率角是否在安全运行范围之内；

当所述功率角超出安全运行范围时，调节变频器输出的压频比，控制功率角在安全运行范围之内。

2.根据权利要求1所述的同步电动机失步保护方法，其特征在于，所述功率角的安全运行范围是20°～40°。

3.根据权利要求1所述的同步电动机失步保护方法，其特征在于，使用控制器调节变频器输出的压频比。

4.根据权利要求1所述的同步电动机失步保护方法，其特征在于，调节变频器输出的压频比为增大变频器的电压，变频器的频率保持不变。

5.根据权利要求1所述的同步电动机失步保护方法，其特征在于，所述功率角的计算公式为：

其中，U、I、

θ、E₀分别为定子电压、电流、功率因数角、功率角和空载电动势，x_d和x_q分别为直轴和交轴的同步电抗。

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