1、同步電動機勵磁新技術摘 要:采用數字化控制技術的單片機系統，對分立元件器件或集成移相器組成的勵磁裝置進行改進。關鍵詞:晶閘管 勵磁 微機 應用1 同步電動機經常出現的故障及原因分析經常發現的故障現象有:定子鐵芯松動，運行中噪聲大。定子繞阻端部綁線崩斷，絕緣蹭壞，連接處開焊，導線在槽口處端點斷裂引起短路。轉子勵磁繞組接頭處產生裂紋、開焊絕緣局部燒焦。轉子線圈絕緣損傷，起動繞組籠條斷裂。轉子磁極的燕尾楔松動、退出。電刷滑環松動，風葉斷裂等故障。 以上故障現象有的出現在同步電動機僅運行23年內，甚至半年內。一般認為是電動機制造質量問題。但許多電機制造廠，雖對制造工藝中的關鍵部位加強措施，但沒有明顯效

2、果，故障現象仍然屢屢發生。通過對同步電動機及勵磁裝置運行數據進行數理統計分析，對電動機起動，投勵運行中的各種典型狀態波形攝片，研究分析表明，同步電動機出現上述故障，不是制造問題，而是傳統勵磁技術存在缺陷。2 傳統勵磁技術存在的缺陷2.1 勵磁裝置起動回路及環節設計不合理同步電動機勵磁裝置主回路中的主橋分為:全控橋式和半控橋式，下面分別以這兩種方式分析。半控橋式勵磁裝置:由三只大功率晶閘管和一只大功率二極管組成，如圖1所示。電動機在起動過程中，存在滑差，在轉子線圈內將感應-交變電勢，其正半波通過ZQ 形成回路，產生+if，其負半波則通過KQ ，RF 形成回路，產生-if ，如圖2所示，由于回路不

3、對稱，則形成的-if 與+if也不對稱，致使定子電流強烈脈動，波形如圖3所示。使電動機因此而強烈振動，直到起動結束才消失。 全控橋工勵磁裝置:由6只大功率晶閘管組成，如圖4所示。在起動過程中，隨著滑差減小，當轉速達到50%以上時，勵磁感應電流負半波通路時通時斷，同樣形成+if與-if 電流不對稱從而形成脈振轉矩，造成電動機強烈振動。投勵時“轉子位置角”不合理。無論是全控橋還是半控橋，電動機起動過程投勵時，都產生沉悶的沖擊，這種沖擊，同樣會造成電機損害，這是“轉子位置角”不合理所致。以上所出現的脈振、投勵時的沖擊，并不一定一次性使電機損壞，但每次起動都會使電機產生疲勞，造成電機內部損害，積而久之

4、，必然造成電機內部故障。2.2 將GL 型反時限繼電器兼做失步保護傳流動磁裝置將GL 型繼電器兼做失步保護，當電機失步時，它不能動作(如帶風機類負載 或不及時動作(如帶往復式壓縮機類負載 ，使電動機或勵磁裝置損壞。失勵失步:是指同步電動機勵磁繞組失去直流勵磁或嚴重欠勵磁，使同步電動機失去靜態穩定，滑出同步，此時丟轉不明顯，負載基本不變，定子電流過流不大，電機無異常聲音，GL 型繼電器往往拒動或動作時限加長，且失勵失步值班人員-不易發現，待電動機冒煙時，已失步較長時間，已造成了電機或勵磁裝置損害。但不一定當場損壞電機，而是造成電機內部暗傷，經常出現電機冒煙后，停機檢查又查不出毛病，電機還可以再投

5、入運行。失勵失步往往造成:起動繞組(阻尼條 過熱，變形、開焊、甚至波及定子繞組端部。在轉子回路還會產生高電壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞，引起滅磁電阻發熱，嚴重時甚至造成整臺勵磁裝置損壞。帶勵失步:周圍大負荷起動，相鄰母線短路等原因引起母線電壓大幅度波動; 或負載突增(如壓縮機弊壓、軋鋼機咬冷鋼; 以上原因引起電動機短時間欠勵磁或失勵磁(如插接件接觸不良 ，引起失勵失步，又過渡到帶勵失步，或在起動過程中過早投勵等原因引起。電動機帶勵失步，勵磁系統雖仍有直流勵磁，但勵磁電流及定子電流強烈脈振，脈振頻率隨電機滑差而變化，使電動機遭受強烈脈振，有時產生電氣共振和機械共振。定子電流脈振包絡線的高峰值一

6、般為電機額定電流Ie 幅值的23倍，但其低谷值小于Ie ，甚至可能接近為零，使GL 型繼電器“啟動”又馬上“返回”，如此反復，最終GL 雖能動作，但長達幾十秒，起不到保護作用。帶勵失步造成:定子繞組綁線崩斷，導線變酥，線圈表面絕緣層被振傷，繼而過熱，燒焦、燒環，甚至引起短路。轉子勵磁繞組接頭處產生裂紋，出現過熱、開焊、絕緣層烤焦:鼠籠條(直動繞組 斷裂，與端環連接部位開焊變形，轉子磁極的燕尾楔松動，退出; 電刷滑環松動，定子鐵芯松動噪聲大，嚴重時出現斷軸事故。斷電失步:是由于供電系統的自動重合閘ZCH 裝置，備用電源自動投入BZT 裝置動作或人工切換電源，使電動機暫時失去電源而導致的。它對電動

7、機的危害是非同期沖擊(包括非同期電流和轉矩沖擊 。這種沖擊的大小與系統容量、線路阻抗、電源中斷時間、負載性質，特別是與電源瞬停后又重新恢復瞬間的投入分離角T 密切相關。非同期沖擊電流的最大值出現在T=180+2nq時，一般高達電機出口三相短路沖擊電流的1.41.8倍。非同期沖擊轉矩的最大值對于凸極式同步電動機，將出現在T=(13001350+2n時，對隱極式高速高步電動機，則出現在T=(12001250+2n時，一般可高達電機出口三相短路時量大瞬時短路沖擊轉矩的3倍左右，即為電機額定轉矩的20-30倍左右。它將引起電機定子，轉子繞組崩裂、絕緣、擠壞; 大軸、軸銷和連軸器扭壞，進而引起電機內部短

8、路，起火等事故。但當T=2n+時，非同期沖擊小于電機出口三相短路沖擊，不會引起電機損壞。對于380V 低壓同步電動機，所在電網一般容量不大，加上變壓器及線路陰抗相對較大。斷電失步對電機沖擊有限，一般不加斷電失步保護。勵磁裝置的控制部分存在設計不合理環節。控制部分經常出現晶閘管誤導通、脈沖丟失、三相電流丟波缺相、不平衡、勵磁不穩定，引起電機失勵。同時插接件接觸不良。3 同步電動機采用的勵磁新技術對同步電動機傳流勵磁裝置進行技術改進，采用電腦、數字技術研制成綜合控制器，代替原控制插件，面板采用薄膜按鍵。性能穩定、信號顯示直觀，便于值班人員監控。綜合控制器采用了下列新技術。3.1 主電路的改進改進后

9、的勵磁主電路采用無續流二極管新型半控橋式整流電路，如圖5所示。合理選配滅磁電阻RF ，分極穩定KQ 的開通電壓，當電動機在異步驅動狀態時，使KQ 在較低電壓下便開通，電動機具有良好的異步驅動狀態，有效消除了傳統勵磁裝置在電動機異步暫態過程中所存在脈振，滿足帶載起動及再整步的要求; 而當電動機在同步運行狀態時，KQ 在通過電壓情況下才開通。既保護元器件，又在正常同步運行時，KQ 不誤導通。3.2 電機在起動及再整步過程中按照“準角強勵磁整步”的原則設計。準角強勵磁系指電機轉速進入臨界滑差，按照電動機投勵瞬間在轉子回路中產生的磁場與定子繞組產生的磁場互相吸引力最大(即定子磁場的N 、S 極分別與轉

10、子繞組產生的S 、N 極相吸 。在準角時投入強勵，使吸引力進一步加大，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，可通過數字式功能開關設定，改造后的電動機起動及投勵過程的波形見圖6 所示。對于某些轉速較低、凸極轉矩較強的電機空載或特輕載起動時，往往在尚未投勵的情況下便進入同步，裝置內具有凸極投勵回路，在電機進入同步后12秒內自動投磁電機進入同步后，電腦系統自動控制勵磁電壓由強磁恢復到正常勵磁。3.3 選用數字觸發器，提高觸發脈沖的精度選用數字觸發器8253，提高了觸發脈沖信號的精確度。當同步信號回路出現上升過零時，采用延時結束立即由硬件輸出脈沖的方式，當滿足投勵條件后，電腦發

11、出觸發脈沖指令，經專用集成塊功放由脈沖變壓器輸出寬脈沖，觸發可控硅。在同步信號及主回路處于正常的情況下，電腦系統能保證主電路三相電壓波形平衡，具有自動平衡系統。為使電動機中勵磁電壓不致過高、過低或失控，在控制電路中設有1K 、2K 、3K 功能開關，其中:1K用來設定勵磁電壓的上限;2K 用來設定電機正常運行時的勵磁電壓;3K 用來設定勵磁電壓的下限。投勵時，首先按1K 強勵設定值運行1秒，然后自動移至正常勵磁所設定的位置上。采用數字化薄膜面板開關，按動上升鍵或下降鍵，可在1K 及3K 所設定的范圍內調整勵磁電壓大小。采用電腦控制及數字開關，使裝置性能穩定，完全消除了電位器調節所帶來的溫漂、跳

12、躍、卡死及易受干擾的弊端。3.4 電腦系統智能分析失步信號，準確可靠地動作當同步電動機失步時，在其轉子回路產生不衰減的交變電流分量，通過測取轉子勵磁回路分流器上的交變電流毫伏信號，經放大變換后輸入電腦系統，對其波形進行智能分析，準確、快速地判斷電動機是否同步，對于各類失步，不論其滑差大小、裝置均能準確動作。根據其具體情況動作于滅磁一再整步，或啟動后備保護環節動作跳閘。如電機未失步，則不論其如何振蕩，裝置均不動作。圖7是同步電動機轉子回路的幾種典型波形，圖中(a、(b、(c為電動機已失步，勵磁回路出現了不衰減不交變電流信號，失步保護快速準確動作，(d是同步振蕩，電動機未失步，失步保護應不誤動作。

13、對舊電機或已受暗傷的電動機，有時會出現轉子回路開路，此時勵磁回路電流突然下降為零。失步保護也快速動作。3.5 失步自動再整步電動機失步后，立即停發觸發脈沖，勵磁控制繼電器LCJ 吸合(如圖8所示 ，斷開勵磁接觸器控制回路及勵磁主回路，待整流主橋路晶閘管關斷后，LCJ 釋放，電機進入異步驅動狀態，裝置自動使KQJ 繼電器入于釋放狀態，通過KQJ 的常閉接點，使晶閘管KQ 在很低電壓下便開通，以改善電動機異步驅動特性。 合理選擇滅磁電阻RF ，使電動機異步驅動特性得到改善，電機轉速上升，電機轉速上升，待進入臨界差后，裝置自動勵磁系統，按準角強勵磁對電動機實施整步，使其恢復到同步狀態。當時電動機短時

14、失去電源，在恢復電源的瞬間可能造成非同期沖擊，由防沖擊檢測環節送給綜合控制器一對FCJ 接點，電腦接收到FCJ 接點傳遞來的信號后，將同樣動作于滅磁異步驅動再整步。3.6 失控檢測如觸發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，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，裝置能及時檢測到，若10秒后故障仍未消除，裝置就控制報警繼電器BXJ 閉合，通過其接點，接通報警回路，并使面板上“失控”信號指示燈亮，發出聲光報警信號。失控及缺相測，是利用電動機進入同步后的直流勵磁電壓波形，通過對其智能分析，圖9是幾種典型的勵磁電壓波形，(a、(b均為正

15、常運行，圖(c為缺相運行，圖(d為失控運行。3.7 晶閘管KQ 誤導通檢測綜合控制器設計時，采取對FQ 的開通電壓實行分級整定，即電動機在起動過程及失步后的異步驅動暫態過程中，為改善電機的異步驅動特性，使KQ 在很低電壓下開通; 在電機進入同步后，KQ 開通電壓設定值較高，處于阻斷狀態，RF 無電流通過，是為了保護電機、晶閘管、二極管、防上過電壓，只有在過電壓情況下方可開通。為避免KQ 因過壓設定值太低，或開通后關不斷，造成滅磁電阻RF 長時間通過電流而過熱，裝置內設有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在KQ 上，在滅磁電阻RF 上無電壓，處于冷態;

16、 一旦KQ 導通，直流電壓降落在RF 上，裝置內繼電器RFJ 線圈吸合(見圖8 ，其接點信號輸入電腦系統，電腦接收到KQ 導通信號(即RFJ 接點信號 后，對于因過壓引起的導通，電腦會指令其過壓消失后自動關斷。對因電壓設定值太低造成的KQ 誤導通，或導通后關不斷，電腦會指令報警繼電器BXJ 閉合，通過其接點接通報警回路，并控制面板上“KQ誤導通”信號燈亮，發出聲光信號提請操作人員檢查處理。3.8 后備保護環節在同步電動機或勵磁裝置出現下列故障，使電機無法正常運行，為保證電機及勵磁裝置安全，特設后備保護環節，動作于跳閘停機，控制面板上顯示“后備保護動作信號，便于分析和記錄。”電機起動后或失步長時間不投勵。起動時間過長。再整步不成功。電動機在投勵后拉不進同步。勵磁裝置存在直接影響電機正常運行的永久性故障。如:熔斷器，晶閘管、整流變壓器、二極管等元件擊穿或損壞。經過上述技術改進后的勵磁裝置綜合控制器原理見圖10。4 結論同步電動機勵磁裝置采用了上述數字化控制技術及半導體可控整流技術，綜合