同步电动机运行中存在的问题及解决的措施

1、同步电动机运行中存在的问题及解决的技术措施薛黎明苏州市友明科技有限公司江苏省苏州市国家高新技术产业开发区滨河路229号电话:0512-* 传真:0512-* 邮编:215011 E-mail:xuelm同步电动机运行中存在的问题及解决的技术措施薛黎明摘要:本文阐述同步电动机频繁损坏的根本原因不在电动机本身,而在老式励磁屏技术性能太差。针对老式励磁屏技术性能的缺陷,提出切实可行,已付诸实施的改造技术。并产生可观的社会效益和经济效益。同步电动机,由于其具有一系列优点,特别是能向电网发送无功功率,支持电网电压,已在各行各业得到广泛应用。但是,长期以来发生同步电动机及其励磁装置损坏事故屡见不鲜。由于同

2、步电动机的频繁损坏,直接影响生产的安全、连续及稳定进行,严重影响企业的经济效益,成为一个十分棘手的问题。一、同步电动机运行中出现的情况同步电动机损坏主要表现在:定子绕组端部绑线崩断,绝缘蹭坏,连接处开焊;导线在槽口处及端点断裂,进而引起短路;转子励磁绕组接头处产生裂纹,开焊,局部过热烤焦绝缘;转子磁级的燕尾楔松动,退出;转子线圈绝缘损伤;起动绕组笼条断裂;电刷滑环松动;风叶裂断;定子铁芯松动,运行中噪声增大等故障。按电机的正常使用寿命(指线圈应在20年左右,若考虑到目前电机运行所带负载及温升等主要技术指标均在额定值以下,电机的正常使用寿命还应更长些。但统计所损坏的同步电动机,运行时间大多在10

3、年以下,有的仅运行23年;有的电动机刚大修好,投入运行不到半年又再次严重损坏。不得不采用增加电机备品备件(如线圈等的方法,一旦发生电机损坏,通过更换备件赶快修复,但是电机损坏事故仍不断发生。电机损坏率高,人们一般认为是电动机制造质量问题,把问题归结到电机制造厂。为此多家电机制造厂,在制造工艺中对某些部位进行种种加强措施,但效果并不显著,电机损坏事故仍不断出现,原因说不清楚。几年来,我们通过对本厂同步电动机及励磁装置运行状况进行长期统计、分析和研究,到许多厂家了解同步电动机运行情况,对大量调查研究数据进行数理统计分析;对电机损坏现象作技术分析研究;对电机的起动过程、投励过程、正常运行中的各种典型

4、状态波形进行摄片,对所摄波形特征进行分析;上述各项分析研究结果表明:导致电机损坏的原因不在电机本身,不是电机制造质量问题所引起,其根本原因在电机外部,是电机所配励磁装置只能满足基本使用功能,技术性能不尽完善所致。1、目前所用的可控硅励磁装置,电机每次起动均受损伤对于主电路为桥式半控励磁装置,其主电路(图-1所示。 图1半控桥式励磁装置主电路图2使用半控桥式励磁屏电机起动时转子回路波形电机在起动过程中,存在滑差,在转子线圈内将感应一交变电势,其正半波通过Z Q形成回路,产生+if;而其负半波则通KQ及RF回路,产生-if,如(图-2所示。由于电路的不对称,形成+if与-if电流不对称,定子电流也

5、因此而强烈脉动,电机将遭受脉振转矩强烈振ttU fI f动,甚至在整个大厅内都可以听到电机起动过程发出的强烈振动声。这种声音一直持续到电机起动结束才消失,电机起动过程所受强烈脉振是电机损伤的重要原因之一。电机起动过程中定子电流及转子电流变化波形如(图-3及(图-2所示。 图3电机起动过程中定子电流波形 图4全控桥式励磁装置主电路对于全控桥(图-4,随着电机起动过程滑差减小,转子线圈内感应电势逐步减小,当转速达到50%以上时,励磁回路感应电流负半波通路不畅,将处于时通时断,似通非通状态,同样形成+if 与-if 电流不对称,由此同样形成脉振转矩,造成电机产生强烈振动,损伤电机。无论是全控桥,还是

6、半控桥,电机起动过程投励时往往听到一声沉闷的冲击声,且起动投励时投励电流越大,声音越响。一般可用减小励磁的方法来减轻电机的冲击,待电机起动结束后,方将励磁调正常。这是由于目前所用的可控硅励磁装置投励时所选择的“转子位置角”极不合理。这种冲击,同样使电机遭受损伤。由于可控硅励磁装置本身存在的上述缺陷,使电机在每次起动过程中均遭受强烈脉振,在投励时遭受冲击损伤,但并不是一次就使电机当场损坏,而是每次启动都使电机产生疲劳效应,造成电机内部暗伤,并逐步累积,发展成电机的内部故障。上述电机起动过程中所出现的脉振,投励时受的冲击,是由于励磁装置起动回路及投励环节设计不合理所造成,通过改善起动回路及投励时合

7、理选择转子位置角,起动过程中的脉振和投励冲击现象完全可以消除。2、传统可控硅励磁装置无可靠的失步保护装置,使电机不断受到失步危害损坏。传统可控硅励磁装置采用GL 型反时限继电器“兼作失步保护”,而电机“过负荷”与电机“失步”是完全不同的两个概念,通过分析电机失步时的暂态过程,现场试验及实拍电机失步的暂态波形,可以充分证明:用过负荷继电器兼作失步保护,当电机失步时,它不能动作,有的虽能动作,但动作时延大大加长,实际上起不到保护作用。同步电机的失步事故分为三类:即失励失步、带励失步和断电失步。失励失步是由于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或严重欠励磁,使同步电动机失去静态稳定

8、,滑出同步。电机发生失励失步时,丢转不明显,负载基本不变,定子电流过流不大,电机无异常声音,GL 型继电器往往拒动或动作时间大大加长。失励失步一般不能被值班人员及时发现,待发现电机冒烟时,电机已失步了相当长时间,并已造成了电机或励磁装置的损伤损坏。应当指出的是,电机的失励失步,大多不当场损坏电机,而是造成电机设备的内部暗伤,经常出现电机冒烟后,停机检查,往往又查不出毛病,电机还能再投入运行。失励失步主要会引起电机转子绕组,尤其是起动绕组(阻尼条的过热、变形、开焊,甚至波及到定子绕组端部。电机失励失步时在转子回路还会产生高电压,造成励磁装置主回路元件损坏,引起灭磁电阻发热,严重时甚至造成整台励磁

9、装置烧坏事故。带励失步,是由于供电线路遭受雷击,避雷器动作;大机组或机组群起动,相邻母线短路等引起母线电压大幅度波动;负载突增(如压缩机憋压,轧钢机咬冷钢;运行中,电机短时间欠励磁或失励磁(如接插件接触不良引起失励失步,从失励失步过渡到带励失步,电机起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。电机在带励失步时,励磁系统虽仍有直流励磁,但励磁电流及定子电流(包络线强烈实际起动电流的包络线t脉动,电机亦遭受强烈脉振,有时甚至产生电气共振和机械共振。带励失步大多引起电机产生疲劳效应,引起电机内部暗伤,并逐步积累和发展。带励失步所造成电机损伤主要表现在:定子绕组绑线崩断,导线变酥,线圈表面绝缘层被振伤(线

10、圈两面呈不均匀的锯齿状,严重时会因绝缘损坏而造成定子钢芯击穿而新线圈表面是平的,并逐步由过热而烤焦、烧坏,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(起动绕组断裂,与端环连接部位开焊变形;转子磁极的燕尾楔松动,退出;电刷滑环松动;定子铁芯松动,运行中嗓声增大;严重时甚至出现断轴事故。由于电机和主机是同轴运行,电机的强烈脉振,同样会波及到主机损伤,如紧固螺丝断裂等。断电失步是由于供电系统自动重合闸ZCH装置或备用电源自动投入BZT装置动作,及人工切换电源,使交流电机供电电源输送渠道短暂中断而导致。它对电机的危害是非同期冲击。这种冲击的大小,与系统容量,线路组抗、

11、电源中断时间、负载性质,特别是与电源重新恢复瞬间的电气分离角有关。所以这种冲击有可能使电机当场损坏,也有可能根本感觉不到。对于380V低压同步电动机,所在电网一般容量不是很大,加上变压器及线路阻抗相对较大,所以断电失步对电机的冲击有限,一般可不加装断电失步保护。3、传统可控硅励磁装置,控制部分技术性能太差,同样影响电机使用寿命。本厂在使用可控硅励磁装置中感到,励磁装置故障率太高,经常出现起动可控硅KQ误导通,接插件接触不良,脉冲丢失,三相电流丢波缺相,不平衡,励磁不稳定,甚至直接引起电机失励等故障,这是由于该励磁装置在控制部分存在种种缺陷,电机运行的可靠性也因此得不到保障,它同样是引起电机损伤

12、的重要原因。二、提高同步电动机运行可靠性所采取的技改措施同步电动机故障率太高,统计并分析所损坏的同步电动机,绝大部分都是励磁屏技术性能太差所导致。要提高同步电动机运行的可靠性,必须对老式励磁屏用较少的投资进行适当改造,消除电机起动过程中的脉振、投励的冲击,增装可靠的失步保护,解决运行中原控制插件经常出现接插件接触不良、欠励、缺相、丢波、三相不平衡、励磁不稳定、灭磁性能差等技术问题。鉴于上述情况,我们经过分析、研究、攻关、针对造成电机损坏的根本原因,研制成功LZK-1型同步电动机综合控制器,并以此作为核心控制部件,成功地对原励磁屏进行了技术改造,同时在此基础上,研制成功新一代LZK系列型同步电动

13、机成套励磁屏。在制定对老式励磁屏改造的方案时,充分考虑工厂现场的实际应用情况,采用现代控制技术及理论,吸取国内外励磁装置制作厂商众家之长,做到设计原理新颖成熟、功能齐全、控制手段先进、现场改造方便、运行可靠、维修简便。1、我公司开发的励磁屏在技术上的主要特点我们对原励磁屏进行改造时,保留原励磁屏上的整流变压器(部分变压器需要对其变比及接法作一些改动、二极管、可控硅等元件。而原控制插件由于存在种种缺陷,采用LZK-1型同步电动机综合控制器替代,该控制器设计原理新颖,并采用先进的电脑控制技术,功能完善,面板采用新型薄膜按键,操作方便,性能稳定可靠,寿命长,信号显示系统直观,完善,有利于运行操作人员

14、监控。其外观尺寸与原控制插件箱大小相仿,正好安置于原控制插件位置上,安装接线十分方便。改造后同步电动机励磁屏在技术上具有以下特点:1改造后电机在异步驱动过程中平滑、快速,完全消除采用老式励磁屏在电机异步暂态过程中所存在的脉振,满足带载起动及再整步的要求。2投励按照“准角强励整步”的原则设计,并具有强励磁整步的功能,电机拉入同步的过程平滑、快速、可靠。3具有先进完善可靠的带励失步,失励失步保护系统,保证电机发生带励失步和失励失步时,快速动作,保护电机,使电机免受损伤。4在电机失步后,具有带载自动再整步的功能,整个过程平滑、快速(仅需数秒种不损伤电机,不必减负载,并设有后备保护环节,以保证电机的安

15、全运行。5具有独立可靠的灭磁系统,使电机在遇到故障被迫跳闸停机时,明显减少其损伤程度。6输出励磁电压和励磁电流的调节范围为电动机额定励磁电压和额定励磁电流的30%120%,在调整范围内调整励磁参数,电动机不会失步,励磁装置不会失控。7具有三相自动平衡系统,即在正常励磁范围内不需调试,励磁装置输出电压波形始终三相平衡,一旦出于外部原因造成丢波、失控(如断线、快熔熔断等,装置具有自动报警系统。8能与防冲击保护配合,动作于灭磁再整步。9采且新型薄膜按键调整励磁电压,分为上升键、下降键和快速键,改变了原采用电位器调整励磁存在的种种弊端。10所有控制过程均自动处理,且有完整的信号系统,当电机出现失步,再

16、整步后备保护跳闸、励磁出现失控、装置是否运行正常等均有信号指示。11采用分级整定灭磁可控硅的开通电压,投励后正常运行时灭磁电阻处于“冷态”。当出现过电压情况开通,装置在过电压消失后有自动关断系统。12核心部件同步电动机综合控制器能指示自身是否发生故障,且具有不停机不减载,不损伤电机的情况下从容在线更换的功能。2、经改造后的励磁屏工作原理原理方框图如图5所示。 图5原理方框图(1主电路:改造后的励磁屏其主电路采用无续流二极管的新型三相桥式半控整流电路(图6 所示），线路简洁、可靠、通过合理选配灭磁 电阻 RF，分级整定 KQ 的开通电压，当电机在 异步驱动状态时，使 KQ 在较低电压下便开通，

17、电动机具有良好的异步驱动特性，有效地消除了 原励磁屏在电机异步暂态过程中所存在的脉振， 满足带载起动及再整步的要求；而当电机在同步 运行状态时，KQ 在过电压情况下才开通，既起 KQ RF ZQ 电机 转子 图 6 改造后的励磁屏主电路 到保护元器件的作用，又使电机在正常同步运行 时，KQ 不易误导通。 （2） 投励方式：电机在起动及再整步过程中，按照“准角强励整步”的原则设计。所谓 准角投励，就物理概念而言，系指电机转速进入临界滑差（即原来所谓的“亚同步”），按 照电机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大（即定子磁 场的 N 极与投励后转子绕组产生的 S 极相吸，

18、 定子磁场的 S 极与投励后转子绕组产生的 N 极 相吸）。在准角时投入强励，使吸力进一步加大，这样电机进入同步便轻松、快速、平滑、 无冲击。投励时的滑差大小，可通过数字式功能开关 5K 设定，改造后电机起动及投励过程 的波形见图 7。 对于某些转速较低，凸极转矩较强的电机空载或特轻载起动时，往往在尚未投励的情况 下便自动进入同步，装置内具有凸极性投励回路，在电机进入同步后的 1-2 秒内自动投励。 电机进入同步后，电脑系统自动控制励磁电压由强励恢复到正常励磁。 Uf 0 If 0 t t 图7 电机整步时转子回路电压、电流暂态波形 （3） 触发脉冲输出： 脉冲输出是根据移相角 的换算值（即触

19、发数字表）所确定的，当同步信号回路出现上 升过零时，采用延时结束立即由硬件输出脉冲的方式，以提高输出脉冲的精度和可靠性。当 满足投励条件后，电脑发出触发脉冲指令，经专用集成块功放由脉冲变压器输出一宽脉冲， 触发可控硅。 电路设计时， 选用了 8253 专用定时器,使触发脉冲信号的精度大大提高。在同步信号及主 回路处于正常情况下，电脑系统能保证主电路三相电压波形平衡，具有自动平衡系统。 为使电机运行中励磁电压不致过高、过低或失控，在控制电路中设有 1K、2K、3K 功能 开关。其中 1K 用来设定励磁电压的上限，它既作为设定励磁屏输出直流电压的上限，又作 为电机起动及再整步投强励的设定值；2K

20、用来设定电机正常运行时的励磁电压；3K 用来设 定励磁电压的下限。投励时，首先按 1K 强励设定值运行 1 秒钟，然后自动移至正常励磁所 设定的位置上。LZK1 型装置面板上有薄膜面板开关，按动上升键或下降键，可以在 1K 及 3K 所设定范围内调整励磁电压大小。 由于全部采用数字化开关及电脑控制，使装置性能稳定。完全消除采用电位器控制时存 在的诸多弊端。 （4）失步保护装置用于对同步电动机的失步保护，其基本原理是利用同步电机失步时， 具有会在其转子回路产生不衰减交变电流分量的特征， 通过测取转子励磁回路交变电流信号， 并对其波形特征进行智能分析，快速、准确判断电机是否失步。对于各类失步，不管

21、其滑差 大小，装置均能准确动作。根据具体情况，动作于灭磁再整步，或启动后备保护环节动作 于跳闸。而电机未失步，则不管其振荡多大，装置均不误动作。图 8 是同步电动机转子回路 6 的几种典型波形。其中图 8（a）、（b）、（c）励磁回路已出现不衰减的交变电流信号，电 机已失步，失步保护环节应快速及时动作；图 8（d）是同步振荡，电机未失步，失步保护环 节应不误动作。对某些旧电机或已受暗伤的电机，有时会出现转子回路开路，此时励磁回路 电流突然下降至零，失步保护环节也应快速动作。本系统能根据励磁回路电流波形准确快速 地分析电机已否失步。 失步保护所取信号，是从串接在励磁回路中的分流器上测取不失真的毫

22、伏信号。图 5 所 示，此信号经放大变换后输入电脑系统，由电脑系统直接分析。 If t (a带励失步 If If If t (b带励失步 t (c失励失步 t (d同步振荡 图8 转子回路电流的几种特征波形 （5） 失步后带载自动再整步过程：正常运行中的同步电动机，经装置检测，判断确认已 失步后，立即动作于灭磁异步驱动带载再整步。 LZK-1 型综合控制器中的灭磁环节，是采用断励续流灭磁，即电机失步后，立即停发触 发脉冲，励磁控制继电器 LCJ 吸合，断开励磁接触器控制回路及励磁主回路。待整流主桥路 可控硅关断后，LCJ 释放，电机进入异步驱动状态。 电机一旦失步进入异步运行，必须改善电机的异

23、步驱动特性。在电机处于异步运行状态 情况下，装置自动使 KQJ 继电器处于释放状态，通过 KQJ 的常闭接点，使 KQ 可控硅在很低 电压下便开通，以改善电机的异步驱动特性（图 9 所示）。 ZQ RF 10 5 2 8 D1 R4 DW2 R3 DW1 R2 R6 R5 R1 KQ 1 KC6(RFJ KC6(RFJ DW3 R8 R7 6 LZJ U 4 9 7 KQJ f SA 图9 KQ 控制及误导通检测、励磁电压信号变换 由于合理选配灭磁电阻 RF，使电机异步驱动特性得到改善，电机转速将上升，待进入临 界滑差后，装置自动控制励磁系统，按准角强励磁对电机实施整步，使电机恢复到同步状态。

24、 7 当供电系统出现“自动重合闸”、“备用电源自切”、或“人工切换电源”时，将出现 电能输送渠道的短暂中断。为防止电源恢复瞬间可能造成的“非同期冲击”，由防冲击检测 环节送给本装置一对接点 FCJ。 电脑接收到 FCJ 接点信号后， 将同样动作于灭磁异步驱动 再整步。 （6） 后备保护环节：在同步电机或励磁装置出现下列故障，使电机无法正常运行，为保 证电机及励磁装置安全，装置中特设一后备保护环节，动作于跳闸停机： （a） 再整步不成功； （b） 电机起动后或失步后长时间不投励； （c） 电机在投励后拉不进同步； （d） 起动时间过长； （e） 励磁装置存在直接影响电机正常运行的永久性故障，如：

25、熔断器、可控硅、二极管、 整流变压器损坏 后备保护动作跳闸后，控制面板上留有“后备保护动作”信号，便于分析和记录。 （7） KQ 可控硅误导通检测： 本装置设计时采取对 KQ 可控硅的开通电压实行分级整定， 即电机在起动过程及失步后的异步驱动暂态过程中，为改善电机的异步驱动特性，使 KQ 在 很低电压下便开通；而当电机进入同步后，KQ 开通电压设定值较高，设计原则是为了保护 电机，保护可控硅、二极管，防止过电压，因此，仅在出现过电压情况下方开通。 由于采取对 KQ 可控硅实施开通电压分级整定，当电机进入同步后，KQ 可控硅便处于阻 断状态，RF 上无电流流过，处于冷态；而当励磁回路出现过电压时

26、，为保护电机及励磁屏上 元件安全，KQ 可控硅又将及时开通。 为避免 KQ 可控硅，因过电压设定值太低，或开通后关不断，造成灭磁电阻 RF 长时间通 电而过热，装置内设有 KQ 误导通检测装置，若 KQ 未导通，在 KQ 与 RF 回路，直流励磁电 压全部降落在 KQ 上，在灭磁电阻 RF 二端无电压，灭磁电阻 RF 处于冷态；一旦出现 KQ 导 通后，直流电压降落在灭磁电阻上，装置内继电器 RFJ 线圈得电吸合（见图 9），其接点信 号输入电脑系统，电脑接收到 KQ 导通信号（即 RFJ 接点信号）后，对于因过电压引起的导 通，电脑系统指令其过电压消失后自动关断。对因电压设定值太低造成的 K

27、Q 误导通，或导 通后关不断，电脑指令控制报警继电器 BXJ 闭合，通过其接点接通报警回路，并控制面板上 “KQ 误导通”信号指示灯亮，发出声光信号提请操作人员检查处理。 （8） 失控检测：经采用 LZK1 型同步电动机综合控制器改造后的励磁屏，正常运行 中三相可控硅具有自动平衡系统，不须任何调试，三相可控硅导通角一致。 由于外部因素，如触发脉冲回路断线或接触不良，造成脉冲丢失，控制回路同步电源缺 相或消失，主回路元件损坏（如熔断器熔断）造成主回路三相不平衡、缺相运行，但未造成 电机失步（若失步，则由失步再整步回路或后备保护环节处理），装置能及时检测到，若 10 秒钟后故障仍未消除，装置就控制

28、报警继电器 BXJ 闭合，通过其接点，接通报警回路，并控 制面板上的“失控”信号指示灯亮，发出声光信号。 失控或缺相检测，基本原理是利用电机进入同步后的正常运行情况下，对直流励磁电压 波形特征进行分析，图 10 是几种典型的励磁电压波形，图 10（a）、（b）为正常运行，图 10（c）为缺相运行，图 10（d）为失控运行。 8 Uf Uf t ( a 正常 Uf t ( b 正常 Uf t ( c 缺相 t 图 10 励磁电压波形 ( d 失控 （9） 信号系统说明：装置具有完善直观的信号系统。 （a） 电脑系统有自动诊断系统，能自动判断电脑系统的好坏，控制器通电后，运行指示 灯将每秒闪一次，表示电脑系统运行正常 （b） A、B、C 三相触发脉冲在面板上有指示灯指示。 （c） 当控制器检测到电机出现失步、励磁装置出现 KQ 可控硅误导通、失控或由控制