大型高壓同步電動機

1、大型高壓同步電動機，由于其具有一系列優(yōu)點，特別是能向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，改善電網(wǎng)質(zhì)量，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。我公司球磨機用同步電動機曾在一段時期內(nèi)頻繁損壞，直接影響到我公司的生產(chǎn)和設(shè)備的安全運行。因此正確分析判斷同步電機的故障原因，并提出相應(yīng)對策，就成了我們的當務(wù)之急。一、事故征象我公司現(xiàn)有16臺1300KW/6KV同步電動機。在2000年以前平均每年要出現(xiàn)23次電機燒損的事故。其事故主要征象為：定子繞組端部綁線崩斷，電機定子繞組過熱，起動繞組籠條開焊、斷裂，電機起動及運行中出現(xiàn)異常聲響，經(jīng)常啟動失敗等現(xiàn)象。尤其是在1999年1月12日我公司7#同步電動機運行過程中突然放炮，造成7#同步電動機

2、定子線圈局部嚴重燒壞，高壓電纜接頭燒損，電流互感器崩壞，由于7#同步機脫扣裝置拒動，保護不能正常動作，持續(xù)大電流引起密地變電所密27選H線保護動作跳閘，影響到選H所帶其它用電設(shè)備停機。二、事故原因的基本判斷分析1、電機質(zhì)量分析：電機的正常使用壽命一般應(yīng)在20年左右。統(tǒng)計我公司所損壞的同步電動機，運行壽命大多在10年以下，尤其是這臺7#同步電動機大修后，投運僅4個月便出現(xiàn)了這次放炮燒損事故。在事故分析中，部分電氣技術(shù)人員將事故的主要原因歸結(jié)到電機的大修上。這種大面積的電機損害事故，將事故原因歸結(jié)到電機質(zhì)量上，我對此提出異議。建議將視線轉(zhuǎn)移到對勵磁系統(tǒng)的分析上；事實證明，電機修理廠在電機返修中對其

3、重點部位進行了種種加強措施，甚至于提高了絕緣等級，但效果并不顯著。損壞事故仍不斷出現(xiàn)。2、勵磁系統(tǒng)原因分析：針對同步電動機起動運行過程中發(fā)生異常聲響、電機定子繞組過熱、起動繞組籠條開焊、斷裂等諸多現(xiàn)象，在排除電機質(zhì)量原因引起事故的條件下，有必要對現(xiàn)行的勵磁系統(tǒng)進行合理的分析，從而找出電機頻繁損壞的真正原因：勵磁系統(tǒng)設(shè)計不合理。三、勵磁系統(tǒng)存在的主要問題與電機故障原因的內(nèi)在聯(lián)系1、勵磁裝置起動回路設(shè)計不合理，使同步電機經(jīng)常處在脈振情形下起動。原主電路為橋式半控勵磁裝置，其原理圖如圖1所示。電機在起動過程中，在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)將感應(yīng)一交變電勢，其正半波通過ZQ形成回路，產(chǎn)生+if;而其負半波則通過KQ及

4、RF形成回路，產(chǎn)生-if。由于負載電路不對稱，形成+if與-if電流不對稱，if曲線如圖2所示。電機定子電流因此也產(chǎn)生強烈脈振，其曲線如圖3。電機因而遭受到脈振轉(zhuǎn)矩的強烈振動。造成整個廠房大廳內(nèi)都可以聽到電機起動過程發(fā)出的強烈振動聲。這種聲音一直持續(xù)到電機起動結(jié)束才消失。另一方面，由于裝置采用的是KGLF-11型老式勵磁裝置模擬控制，其投勵檢測元件老化，檢測不準確，導致投勵時間變化，對電機啟動造成很大影響。隨著電機起動過程滑差減小，轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)感應(yīng)電勢逐步減小，當轉(zhuǎn)速達到50%以上時，勵磁回路感應(yīng)電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態(tài)，形成+if與-if電流不對稱，由此形成脈振轉(zhuǎn)矩，造

5、成電機產(chǎn)生強烈振動。有時在運行中受滅磁插件分立元件性能的影響，滅磁晶閘管KQ誤導通,滅磁電阻發(fā)熱燒紅冒煙。它只有一個高導通電壓，電機起動時，特別在轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓較低時，KQ不能可靠導通，造成主機起動轉(zhuǎn)矩不對稱，使機組產(chǎn)生強烈振動。這正是前述的主要事故征象之一。因此，無論電機質(zhì)量如何優(yōu)異，在如此惡劣的條件下電機頻繁起動，給電機造成的損傷是可想而知的。電機的壽命因此大打折扣。2、投勵環(huán)節(jié)設(shè)計不合理，經(jīng)常造成啟動失敗，重復啟動次數(shù)大大增加。投勵環(huán)節(jié)原設(shè)計為：按同步電動機轉(zhuǎn)子滑差順極性無接點投勵環(huán)節(jié)工作，如圖4所示。MMK7同4y-C?tn由于控制插件采用的是模擬元件，元件老化和溫度漂移以及抗干擾能力弱

6、，造成轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓檢測不準確。主要是由于檢測感應(yīng)信號的穩(wěn)壓管12WY和三極管3BG性能不穩(wěn)定,還有對電容器5C的充放電時間不確定；在同步機進入亞同步時，該投勵觸發(fā)時卻沒有發(fā)出信號，往往造成同步機啟動失敗。這是模擬勵磁裝置的通病，結(jié)果是造成同步機重復啟動，從而帶來對電機的損害。3、勵磁裝置無可靠的失步保護裝置，使電機運行不可靠。同步電動機原投勵裝置采用反時限繼電器“兼作失步保護”,其原理接線如圖五;而電機“過負荷”與電機“失步”是完全不同的兩個概念，通過對電機失步時的示波照相分析其暫態(tài)過程，現(xiàn)場試驗及實拍電機失步的暫態(tài)波形證明：機失步時，不能動作，有的雖能動作，但動作延時加長,所示的過流繼電器原

7、理。用過負荷繼電器兼作失步保護,實際上起不到保護作用。如圖當電52LHoMH:2LHc同步電機的失步事故主要分為失勵失步和帶勵失步兩類。3.1、失勵失步是由于勵磁系統(tǒng)的原因，使同步電動機的勵磁繞組失去直流勵磁。由于球磨機的同步電機過載力矩很大，導致同步電動機失去靜態(tài)穩(wěn)定，滑出同步。電機發(fā)生失勵失步時，負載基本不變，定子電流增大1.53倍，電機聲音異常，而GL型繼電器主要用于起動時的電流保護，其整定值為67倍的額定值，所以GL型繼電器拒動或動作時間過長。在此情況下失勵失步一般不易被值班人員及時發(fā)現(xiàn)，待發(fā)現(xiàn)電機冒煙時，電機已失步了相當長時間，并已造成電機繞組或勵磁裝置的損壞。應(yīng)當指出的是電機的失勵

8、失步，大多不當場損壞電機，出現(xiàn)電機冒煙后，停機常規(guī)檢查，往往又查不出毛病，電機還能再投入運行。由于失步運行，在阻尼繞組中就流過超過額定電流數(shù)倍至數(shù)十倍的電流，重時，由于轉(zhuǎn)差較大，所以流過阻尼繞組電流就更大。阻尼繞組的溫升和熱容量,短時工作制考慮的，由于長期流過大電流，必定會導致阻尼繞組溫度過高，斷裂，甚至于阻尼繞組完全燒毀。正是在這種狀況下，使得電機的壽命大為縮短。尤其是負載較一般是按造成開焊、籠條需要指出的是，電機失勵失步時還會在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生高電壓，滅磁電阻發(fā)熱，嚴重時甚至造成整臺勵磁裝置燒壞。3.2、帶勵失步，是由于負載突增（如球磨機脹肚）造成勵磁裝置主回路元件損壞，引起,電機在運行中短

9、時間嚴重欠勵磁;或電機起動過程中勵磁系統(tǒng)過早投勵等原因引起的。電機在帶勵失步時，勵磁系統(tǒng)雖仍有直流勵磁，但勵磁電流及定子電流（包絡(luò)線）強烈脈動，電機亦遭受強烈脈振，有時甚至產(chǎn)生電氣共振和機械共振。帶勵失步與失勵失步對電機造成的危害其性質(zhì)是一樣的。嚴重時甚至出現(xiàn)斷軸事故。由于電機和主機是同軸運行，電機的強烈脈振，同樣會波及到主機損傷，如緊固螺絲斷裂等。四、勵磁系統(tǒng)改進對策我公司球磨機用同步電機損壞頻繁的主要原因如上述三條，其對策主要為：1、主電路：采用無續(xù)流二極管的新型三相橋式半控整流電路（圖6所示），線路簡潔、可靠，通過設(shè)計合理選配滅磁電阻RF,分級整定KQ的開通電壓，當電機在異步驅(qū)動狀態(tài)時，

10、使KQ在較低電壓下便開通，電動機具有良好的異步驅(qū)動特性，有效地消除了原勵磁屏在電機異步暫態(tài)過程中所存在的脈振，滿足帶載起動及再整步的要求；而當電機在同步運行狀態(tài)時，KQ在過電壓情況下才開通，既起到保護元器件的作用，又使電機在正常同步運行時，KQ不會誤導通。電機轉(zhuǎn)子2、投勵環(huán)節(jié)改進：電機在起動及再整步過程中，按照“準角強勵磁整步”的原則設(shè)計。就物理概念而言，系指電機轉(zhuǎn)速進入臨界滑差（即原來所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生的磁場與定子繞組產(chǎn)生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的S極相吸，定子磁場的S極與投勵后轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的N極相吸）。在準角時投入強勵，使

11、吸力進一步加大，這樣電機進入同步便輕松、快速、平滑、無沖擊。投勵時的滑差大小，可通過數(shù)字式功能開關(guān)設(shè)定；對電機滑差大小的檢測，是根據(jù)裝置回路內(nèi)Uf,通過變換整形，變成方波，再經(jīng)過光電隔離，輸測取的轉(zhuǎn)子電壓波形，經(jīng)采樣后取得入電腦系統(tǒng)，最后準確投勵。電軌開.停位式信號0>-電源散字觸發(fā)豁昧仲功放同步電路打單片收不第,罌加各功能顯示改造后電機起動及投勵過程的波形見圖為使電機運行中勵磁電壓不致過高、過低或失控，在控制電路中設(shè)有1K、2K、3K功能開關(guān)。其中1K用來設(shè)定勵磁電壓的上限，它既作為設(shè)定勵磁裝置輸出直流電壓的上限，又作為電機起動及再整步投強勵的設(shè)定值；2K用來設(shè)定電機正常運行時的勵磁電

12、壓；3K用來設(shè)定勵磁電壓的下限。投勵時，首先按1K強勵設(shè)定值運行1秒鐘，然后自動移至正常勵磁所設(shè)定的位置上。選用的LZK-3型裝置面板上有薄膜面板開關(guān)，按動上升鍵或下降鍵，可以在1K及3K所設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)整勵磁電壓大小。由于全部采用數(shù)字化開關(guān)及電腦控制，使裝置性能穩(wěn)定。完全消除采用電位器控制時存在的諸多弊端。3、失步保護裝置：其基本原理是利用同步電動機失步時，在其轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生不衰減交變電流分量的特征，通過測取轉(zhuǎn)子勵磁回路交變電流信號，并對其波形特征進行智能分析，快速、準確判斷電機是否失步。對于各類失步，不管其滑差大小，裝置均能準確動作。根據(jù)具體情況，動作于滅磁、再整步，或啟動后備保護環(huán)節(jié)動作于跳

13、閘。而電機未失步，則不管其振蕩多大，裝置均不誤動作。:曰加加皿皿皿皿L,同帶勵先步.，十-At失勵失步t(0)同步振蕩其中圖8(a)、(b)、(c)勵磁回路已出現(xiàn)不衰減的交變電流信號，電機已失步，失步保護環(huán)節(jié)應(yīng)快速及時動作；圖8(d)是同步振蕩，電機未失步，失步保護環(huán)節(jié)應(yīng)不誤動作。對某些舊電機或已受暗傷的電機，有時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子回路開路，此時勵磁回路電流突然下降至零，失步保護環(huán)節(jié)就應(yīng)快速動作。本系統(tǒng)能根據(jù)勵磁回路電流波形準確快速地分析電機是否已失步。失步保護所取信號，是從串接在勵磁回路中的分流器上測取不失真的毫伏信號。此信號經(jīng)放大變換后輸入電腦系統(tǒng)，由電腦系統(tǒng)直接分析，并做出判斷輸出。4、失步后帶

14、載自動再整步：正常運轉(zhuǎn)中的同步電動機，經(jīng)裝置檢測，判斷確認已失步后，立即動作于滅磁、異步驅(qū)動、帶載再整步。LZK-3型綜合控制器中的滅磁環(huán)節(jié)，是采用斷勵續(xù)流滅磁，即電機失步后，立即停發(fā)觸發(fā)脈沖，勵磁控制繼電器LCJ吸合，斷開勵磁接觸器控制回路及勵磁主回路。待整流主橋路可控硅關(guān)斷后，LCJ釋放，電機進入異步驅(qū)動狀態(tài)。電機一旦失步進入異步運行，必須改善電機的異步驅(qū)動特性。在電機處于異步運行狀態(tài)情況下，裝置自動使KQJ繼電器處于釋放狀態(tài)，通過KQJ的常閉接點，使KQ可控硅在很低電壓下便開通，以改善電機的異步驅(qū)動特性（圖9所示）。同步電動機異步起動時轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)出很高的電壓，此電壓會直接危及電機轉(zhuǎn)子的

15、繞組絕緣，因此勵磁裝置要及時地在主機起動過程中串接適當?shù)臏绱烹娮?。該勵磁裝置起動滅磁回路中晶閘管KQ導通電壓采用高、低通電壓分級整定，保證主機良好的異步驅(qū)動性能，如圖9所示。主機起動時，通過電阻R7、R8、穩(wěn)壓管DW3分壓限幅將轉(zhuǎn)子兩端感應(yīng)的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓信號Uf,再經(jīng)RC（不在圖中）濾波、過零比較器處理、光電耦合器隔離后送至單片機系統(tǒng)。單片機檢測到該信號和合閘接觸器動作信號后，使繼電器KM1處于釋放狀態(tài)，KQ在很低電壓（約12V）下便導通，轉(zhuǎn)子回路的正向電流經(jīng)KQ、滅磁電阻RF流過，反向電流經(jīng)二極管ZQ、RF流過，保證了正反向電流的對稱性，使主機起動平穩(wěn)。當主機起動結(jié)束進入同步后，微機自

16、動讓繼電器KM1、KM3動作，KQ導通電壓轉(zhuǎn)入高通值（約250V）運行，KQ自動關(guān)斷。為避免KQ因過電壓設(shè)定值太低或?qū)ê笥捎谡麟妷狠^高使整流電壓波形無過零點等原因關(guān)不斷，或因運行中由于某種原因誤導通，造成RF長時間通電發(fā)熱燒壞，在裝置內(nèi)設(shè)有KQ誤導通檢測電路。若KQ未導通，在KQ與RF回路中，直流勵磁電壓全部降在KQ上，RF兩端無過電壓，處于冷態(tài)；一旦出現(xiàn)KQ導通后，直流勵磁全部降落在RF上，繼電器KM2線圈得電吸合，其動合觸點閉合，電腦系統(tǒng)接收到KQ誤導通信號后，先停發(fā)200ms脈沖，使整流電路轉(zhuǎn)入失控狀態(tài)，KQ在電流波形過零點自然關(guān)斷。若關(guān)不斷，電腦指令繼電器KM4（不在圖中）動作，通

17、過觸點接通報警回路，電鈴響起，并在液晶面板上使用漢字顯示“KQ誤導通”，提請現(xiàn)場值班人員檢查處理。經(jīng)改造后，電機在起動過程，轉(zhuǎn)子電流If波形曲線趨向平滑，KQ兩端的電壓U1一直為零，無任何尖端和毛刺，說明滅磁晶閘管導通非常及時，起動回路特性很好。投勵后U1自動轉(zhuǎn)為正常勵磁電壓，KQ已自動關(guān)斷。當供電系統(tǒng)出現(xiàn)“自動重合閘”、“備用電源自切”或“人工切換電源”時，將出現(xiàn)電能,由防沖擊檢測環(huán)節(jié)輸送渠道的短暫中斷。為防止電源恢復瞬間可能造成的“非同期沖擊送給本裝置一對接點FCJ。電腦接收到FCJ接點信號后，將同樣動作于滅磁、異步驅(qū)動、帶載再整步。5、后備保護環(huán)節(jié)：在同步電機或勵磁裝置出現(xiàn)再整步不成功、

18、電機起動后或失步后長時間不投勵、電機在投勵后拉不進同步、起動時間過長或熔斷器、可控硅、二極管、整流變壓器損壞等故障，使電機無法正常運行時；為保證電機及勵磁裝置安全，裝置中特設(shè)了一個后備保護環(huán)節(jié)，動作于跳閘停機。后備保護動作跳閘后，控制面板上留有“后備保護動作”信號，也便于分析和記錄。6、可控硅誤導通檢測：設(shè)計時采取了對KQ可控硅的開通電壓實行分級整定，即電機在起動過程及失步后的異步驅(qū)動暫態(tài)過程中，為改善電機的異步驅(qū)動特性，使KQ在很低電壓下便開通；而當電機進入同步后，KQ開通電壓設(shè)定值較高，主要是為了保護電機，保護可控硅、二極管，防止過電壓，因此，僅在出現(xiàn)過電壓情況下開通。為避免KQ可控硅因過

19、電壓設(shè)定值太低，或開通后關(guān)不斷，造成滅磁電阻RF長時間通電而過熱，裝置內(nèi)設(shè)有KQ誤導通檢測裝置，若KQ未導通，在KQ與RF回路，直流勵磁電壓全部降落在KQ上，在滅磁電阻RF兩端無電壓，滅磁電阻RF處于冷態(tài)；一旦出現(xiàn)KQ導通后，直流電壓降落在滅磁電阻上，裝置內(nèi)繼電器RFJ線圈得電吸合（見圖9）,其接點信號輸入電腦系統(tǒng)，電腦接收到KQ導通信號（即RFJ接點信號）后，對于因過電壓引起的導通，電腦系統(tǒng)指令其過電壓消失后自動關(guān)斷。對因電壓設(shè)定值太低造成的KQ誤導通，或?qū)ê箨P(guān)不斷，電腦指令控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點接通報警回路，并控制面板上“KQ誤導通”信號指示燈亮，發(fā)出聲光信號提請操作人員檢

20、查處理。7、失控檢測系統(tǒng)：由于外部因素，如觸發(fā)脈沖回路斷線或接觸不良，造成脈沖丟失，控制回路同步電源缺相或消失，主回路元件損壞（如熔斷器熔斷）造成主回路三相不平衡、缺相運行，但未造成電機失步（若失步，則由失步再整步回路或后備保護環(huán)節(jié)處理），裝置失控或缺相檢測，波形特征進行分析，圖（c）為缺相運行，圖對直流勵磁電壓為正常運行，圖10能及時檢測到，若10秒鐘后故障仍未消除，裝置就控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點，接通報警回路，并控制面板上的“失控”信號指示燈亮，發(fā)出聲光信號?；驹硎抢秒姍C進入同步后的正常運行情況下，10是幾種典型的勵磁電壓波形，圖10（a）、（b）10（d）為失控運行。'''44一tS）注市（6工常（匚田才E9）兒推當控制器檢測到電機出現(xiàn)失步、勵磁裝置出現(xiàn)KQ可控硅誤導通、失控或由控制器后備保護環(huán)節(jié)動作于電機跳閘時，控制器面板上分別備有各自的指示燈。按復歸按鈕，指示燈復位。其中KQ可控硅誤導通、失控，除有燈光信號外，電腦還控制報警繼電器吸合，由BXJ接點接通音響報警回路。按復位按鈕，報警繼電器BXJ復位。五、技術(shù)改造后的效果1 .同步電動機勵磁裝置改造后，在異步驅(qū)動過程中平滑、快速，完全消除了采用老式勵磁屏在電機異步暫態(tài)過程中所存在的脈