同步电动机在铝业生产中的应用

同步电动机在铝业生产中的应用

 

随着生产要求的不断提高，大规模生产设备需要大功率电机来驱动。从电网能量的利用率以及生产设备对驱动机械特性的要求，同步电动机已经越来越展现出它的优势：一方面它能够很好的满足生产驱动要求，另外它还提高了整电网的功率因数。特别是后一个方面，大大地提高了能源的利用率。

同步电动机需要一套完整的励磁设备作为本机的励磁电源，现在均采用可控硅励磁装置。像矿山球磨机、化肥厂联合压缩机以及铝业公司的原料磨等类似的生产设备，对生产中起的作用不同，但就运行方面来讲，对其驱动的要求都是相同的。

同步电动机性能特点

同步电动机具有绝对硬的机械特性，可通过调节励磁电流调节其功率因数：欠励时得到滞后的功率因数，过励时可以得到超前的功率因数。这对于补偿电网的无功损耗是十分有利的，在过载的情况下，可以改变力角产生电磁转矩来平衡过载的转矩。由于同步电动机能满足负载要求且能补偿电网的无功损耗，提高电能的利用率，从这方面讲使用同步电动机特别是大容量的同步电动机优势巨大。

同步电动机的起动及保护

根据同步电动机的工作原理，只有当转子磁场和定子磁场同步旋转亦即相对静止时才能产生一定固定方向的电磁转矩。但在起动时，当把电动机接到交流电网瞬时，它的转子还没有转动，而转子励磁绕组中已有电流通过。这时，由电网电流建立的定子（电枢）旋转磁场以同步转速n1=60 f/p 对转子磁场做相对运动，由于转子的惯性（转动惯量）并不能立即达到同步转速，在定子电流的前半周，定子磁极与转子磁极相互吸引，在后半周又相互排斥阻止转子的转动。显然，在这种情况下是不能获得一个固定方向的转矩，同步机也就转不起来。

所以对电机的起动有下列要求。

不能用同步力矩来起动，起动方法是异步起动。起动时，定子绕组加三相交流电，励磁绕组不加励磁，靠装在极靴上的阻尼绕组产生异步力矩的作用，进行起动，转速达到同步转矩再加励磁，S很小，同步力矩得到急加速，在同异力矩共同作用下，拉入同步。

同步电动机在异步起动时，直流绕组不接电源，但也不允许开路，更不允许短路。原因是在异步起动时，由于直流绕组的匝数多，产生过高电势，如果开路，则过电压易击穿励磁绕组的绝缘，或引起人身安全事故，还有烧坏可控硅的危险。如果短路，则在绕组中产生较大的短路阻抗，产生较强的单项脉动磁势磁场，形成较大的单轴转矩，使电动机的起动特性变坏。解决的方法是：起动时将励磁绕组经放电电阻短接，既可以阻止产生过高的电压，又减小了单轴转矩，起动完毕后立即切除。

在转速达到亚同步转速时，加入直流励磁的瞬时，必须保证顺极性，以便可靠地牵入同步转速（由整流装置完成）。在TD达到亚同步转速时，必须及时加入励磁，不允许长时间的异步运转（由投励环节自动完成）。

同步电动机的保护措施有：（1）过电压的保护；（2）过电流保护；（3）短路保护；（4）欠压保护；（5）单相接地保护；（6）消磁保护。

同步电动机的应用案例

要将小粒度即3?30 mm粒径的料块变到几何尺寸为100μm或更小一直到5 μm时，需要进行球磨工艺，铝业公司的大型球磨机就是采用同步机来驱动的。现在说明一下山东铝业公司某车间同步电动机的有关参数及运行状况。

该球磨机的电机采用某电机有限公司产品，额定功率2 200kW，额定电压6 kV，额定电流248A，功率因数0.9，额定转速187.5 r/min，励磁电流266A，励磁电压112 V，定子ABC三相绕组各装2个测温元件，轴承测温元件一套。

球磨机设备配套有润滑站、气动离合器、循环冷却水系统。润滑站是将润滑油加压到7 MPa，注入轴瓦的高压入口，迫使轴颈和轴瓦分离，并形成厚度0.2 mm的油膜。气动离合器是在起动时，切断电机与磨机主体连接，使同步机在空载情况下起动，避免起动电流过大及起动时间过长。循环水是用来冷却润滑油温度，确保轴瓦处温升在合理的范围内。

球磨机是铝业生产工序的重要设备，运转时轴瓦温度、定子绕组温度、润滑工作站的油压力及气动离合器气压均与球磨机的正常运行密不可分，所以其电路控制较为复杂。

电机高压开关柜由原配电室的旧机柜改造而成，断路器利用旧有真空断路器，电流互感器采用LFC-300/5，两相式接线，零序互感器为LJ-75 ，避雷器采用了阀型氧化锌避雷器，用来防护经线路引入的雷击，电缆由2条YJLV-10 kV  3*120并联使用。由于是高压系统，所有器件均进行了耐压试验。

定子控制回路采用DF3361EB电动机保护测控装置，用来对电机进行运行参数测量及控制，保护装置定值主要有电流速断、过负荷跳闸、零序过流、低压保护、失磁保护跳闸，另外引入一组开关量用来控制外部故障跳闸。本装置输入交流量为经电压互感器、电流互感器二次侧强电信号变换成保护装置所需的弱电信号，输入量为AC相电流、三相电压UA、UB、UC。测量及控制部分必须通过实验装置模拟异常输入量，微机保护装置的有效及可靠性以及互感器进行变比检测，确保运行的参数准确。

转子励磁系统是同步机的重要组成部分，直接影响它的安全运行，要求励磁电源稳定可靠。本机采用长沙某电气自动化工程有限公司产品，采用三相全控整流桥固接励磁线路，保持了同步电动机的固有起动特性。励磁柜功率部分可以分为空气开关、整流变压器、功率单元及保护电路等几部分。

整个磨机控制系统由一台控制柜来完成，控制采用PLC，通过对压力、温度、限位开关、励磁柜运行和高压柜运行开关量等输入量进行采集、判断，确定磨机及配套设备先后的起动运行顺序，输出干接点信号给高压开关柜微机保护装置。一旦系统出现问题时，自动切断同步机电源，完成球磨机停车，避免事故的进一步扩大。

随着铝工业的大规模扩张，大型设备的使用越来越普及，同步电动机也得到进一步的应用。由于同步电动机涉及到高压系统、可控硅励磁以及PLC控制，掌握这些对设备安全运行及维护及其重要。如果巡检及维护不及时，设备出现任何小的偏差都能造成停车，使整个生产线受到严重地影响。