电励磁同步机原理及其电控调速系统应用
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国传电气技术交流
产品技术
2023年第23期
总第101期
2023年07月03日发布
电励磁同步机原理及其电控调速系统应用
变频技术研发部 凌 臧
导读：电励磁同步机是矿山提升机较为常见的提升电机设备。其提升电控系统与其它电机控制系统存在很大的差异性。
凌臧是我司变频控制研发部长，对电励磁同步电机控制系统有很深的研究，同时具备丰富的现场调试经验。今天，我们邀请凌博士为大家介绍电励磁同步电机发展及其矿山应用方面的知识，让我们一起学习。
电励磁同步电机发展及应用
1890年美国西屋电气研制出第一台交流同步电机，此后的100多年里，凭借其过载能力强、效率高、功率因数可调以及弱磁方便等优点，在许多大型设备传动系统，如轧钢机、大功率提升机中得到广泛应用。
同步电机的磁场采用直流励磁，因此可以在任何功率因数下工作；在没有变频电源的情况下，大型同步电机存在失步、振荡及启动困难的问题，无法对转速进行控制，最初只用于拖动恒速负载或改善功率因数的场合。
随着可控硅的出现，变流器供电的同步电机调速系统得到了重视，国外专家学者进行了广泛研究，同步电机调速理论才有了长足的进步。
近些年来，随着电力电子器件、大规模集成电路、变流技术、计算机技术及现代控制理论的发展，使得同步电机调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能。
1981年西门子公司研制成功第一台交交变频同步机调速系统，使得大容量同步机调速系统登上高性能调速的舞台。由于交交变频存在着输出频率低、电网功率因数低、旁频谐波影响大等缺点。2000年前后西门子和ABB各自推出了交直交变频同步电机调速系统，该系统具有输出频率高、电网谐波污染小、功率因数高等优点。
2008年，国传电气研制的第一套气隙磁链定向同步电机矢量控制系统在开滦集团东欢坨矿副井顺利投产应用。
2011年，国传电气ACD2000风冷变频驱动系统成功应用于永煤集团陈四楼主井转子外置式提升机系统。
2013年，国传电气ACD5000水冷变频驱动系统成功应用于冀中能源赤峪矿主井4.2MW主井提升系统。
电励磁同步电机基本原理
电励磁同步电机定子上装有三相对称绕组，互差120°电角度。转子上安放直流励磁绕组。
一、 同步电动机的主要特点：
（1）定子电源的频率与同步电动机的转速之间存在着确定的关系 ，而感应电机的转子转速 n＜ns。
（2）同步电动机可以在任何功率因数（超前、滞后或者1）下运行。
（3）电励磁同步电动机的转子为凸极结构，在分析时需采用双反应原理。
（4）电励磁同步电动机电磁关系变得十分复杂。
二、电励磁同步电机传动系统的优势。
异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数。当功率因数=1时，电枢铜损最小，可以节约变压变频装置的容量。
同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。
异步电动机需要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。
矿井提升机和钢铁厂主轧机的同步电机调速系统要求大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行，对变频器的控制要求特别严格，这是普通异步电机及其变频器所不能解决的，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机。
另外大功率同步电机在水泥、船舶、冶金、化工、电力行业、造纸行业等领域已有较多的应用。
同步机矢量控制系统的矿山应用
电励磁同步电机变频驱动系统自投入运行以来，提升系统运行状态稳定、速度曲线、行程跟踪精准、保护完善、故障诊断能力强，各参数性能均达到预期目标；
一、性能控制方面方面：
1、主提升系统运行效果：
以下为主提升现场运行效果波形(满载提升工况下运行波形，提升机最高转速为13m/s，从图中可明显看出提升过程中系统均具有良好的动态响应特性和速度跟踪特性。
2、电机控制运行效果：
电机磁链模型采用非线性气隙磁链观测模型（专利），其中的电压模型速度调节范围比较宽，可提供准确的隐含期望值，可在极低速运行状态下准确观测气隙磁链，系统具有良好的低速运行性能。
3、整流有源前端运行效果：
在负载动态变化过程中直流母线电压保持恒定，有功电流、无功电流均具有良好的动态跟随性能。网侧电流正弦度高，谐波含量极低，整流器实现单位功率因数运行。
4、电能质量方面：
主提升系统在满载、全速工况下，由国家电控配电设备质量监督检验中心进行检测，结果如下：
5、振动噪声运行效果：
大型机电设备的振动特性是影响系统运行性能和可靠性的重要指标，同时噪声是对环境舒适度影响的关键因素。本项目通过第三方测试机构对比了新老系统振动和噪声特性。
通过测试数据对比，新系统提升机运行时产生的振动和噪声明显小于原进口系统运行时产生的振动和噪声。
二、节能降耗方面：
副井大罐提升系统在运行72小时后，用电14006度（老系统提同样勾数，用电17394度），与老系统相比，节电3388度，节电19.4%，另外考虑到原系统的无功冲击引起的变压器损耗和线路损耗，实际系统节电超过20%。
三、经济效益方面：
主井提升机电控系统通过变频驱动系统改造后，解决了系统高速运行机电耦合震荡问题，使得提升运行速度可以达到设计的额定速度13m/s，提升时间由原系统86s，缩减至75秒，提升能力增加了150万吨/年。
四、安全可靠性方面：
创新设计的交互式保护测试系统，节省了保护系统测试时间，提高了保护系统可靠性。
零速悬停和钢丝绳张力释放控制，杜绝了起停车的冲击蠕动、重载倒转。大幅增加了大型矿山提升机系统安全可靠性。
基于物联网的远程故障预测诊断系统，形成全矿井提升机控制系统集中管理和远程监控及故障预测诊断，提高矿井智能化水平。
（本稿件由国传电气（原中矿传动）市场部整理编辑，经国传电气技术支持团队审核授权发布！）
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