變頻凸極同步電動機阻尼條斷裂故障分析

李金香，田 昕，孫玉田，陳潤年

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

1 前言

凸極同步電機轉子磁極大都由疊片制成。對于發電機，為提高電力系統的穩定性、削弱過電壓的影響、抑制轉子自由振蕩、提高電機承擔不對稱負荷的能力和加速發電機自同期并入系統等，在極靴上加裝阻尼繞組；對于電動機，為了實現異步起動，在極靴上加裝了做為起動繞組的阻尼繞組。通過阻尼環和極間連接片把阻尼條連接起來，形成全阻尼和半阻尼結構。凸極同步電機無論作為發電機還是電動機，阻尼條斷裂時有發生[1]。而變頻凸極同步電動機常用于軋鋼等惡劣情況，阻尼條頻繁受到起、停和突加負載的沖擊，其阻尼系統故障更加頻繁。本鋼變頻凸極同步電動機磁極為疊片式，全阻尼結構。投運后，于2006年上半年（九月份到大修期）發現電機的部分阻尼條斷裂，如圖1所示。為了分析故障的原因，本文對轉子偏心后阻尼繞組電流和電磁力進行了數值分析計算。

2 計算方法

為了準確分析該故障原因，本文采用場路耦合時變電磁場有限元方法對阻尼條電流和電磁力進行分析計算，其計算方法詳見參考文獻[2]～[3]。本文主要考慮靜態偏心對阻尼條電流和電磁力的影響。

圖1 本鋼變頻凸極同步電動機阻尼條故障

由于求解的是電機偏心問題，需對整個電機進行模擬，有限元求解區域如圖2所示。耦合的電路模型如圖3所示。圖3中，Rf、Lf為勵磁繞組端部電阻和電感，Bf_plus、Bf_minus為勵磁繞組的有限元區域，Q1為阻尼繞組，If為勵磁電流源。L_A、L_B和L_C分別為三相定子繞組的端部漏感；BA_plus、BA_minus、BB_plus、BB_minus、BC_plus和 BC_ minus分別為三相定子繞組有限元區域；RA、RB和 RC為定子三相繞組電阻。

圖2 求解區域

圖3 負載電路模型

3 負載磁場

同步電機帶上負載以后，定子三相對稱繞組中流過三相對稱的電流。因此，定子繞組會產生一個電樞磁勢，這時將由勵磁磁勢和電樞磁勢合成一個總磁勢來產生氣隙磁通，在定子繞組中感應電勢。

在進行負載工況計算時，需要設置定轉子磁場的相對位置。對于本電機（額定功率因數為1），不考慮定子繞組電阻時，磁勢—電勢相量圖如圖4所示[4]。

勵磁磁勢、電樞磁勢的夾角θ為 90°＋δ，其中功角δ可根據參數求取。這里以本鋼 4300kW、6600V、10Hz的參數為例進行計算。

（1）功角δ的計算（以下均為標幺值計算）

（2）激勵源給定

首先保證定子A相電流最大時，電樞磁勢處于d軸位置，然后通過給定初相角θ調整電樞磁場位置。

勵磁繞組中通入滿載勵磁電流，定子各相繞組施加的電流為：

圖4 磁勢—電勢相量圖（發電機慣例）

根據磁勢相量圖和本電機不同頻率的具體參數計算得功角δ和初相角θ如表1所示。

表1 內功率因數角和初相角

4 計算結果及分析

采用場路耦合時步有限元方法直接仿真電機的負載運行工況，計算分析電機轉子不同偏心后，阻尼條電流和電磁力的變化情況。計算中假定變頻器的輸出電流為正弦波，未考慮諧波，其大小為額定電流；轉子繞組通以額定勵磁電流。利用第3節的方法確定定轉子磁場的相對位置。首先分析了轉子不偏心時的空載磁場、氣隙磁密和空載電壓波形，分別如圖 5～圖7所示。然后針對偏心分別為2mm和3mm、頻率為10Hz和15Hz的負載工況進行了分析計算，其磁場分布、氣隙磁密波形、阻尼條電流和電磁力分別如圖 8～圖 13所示。表2給出了阻尼條的最大電磁力和離心力，同時給出了阻尼條的電流變化情況。圖10～圖13中阻尼條從磁極的迎風面到背風面的排列順序依次編號為1～5。一號極起始位置位于氣隙最大處，十六號極起始位置位于氣隙最小處。

圖5 空載磁場分布圖

圖6 空載氣隙磁密波形

圖7 空載相電壓波形

圖8 負載磁場分布圖

圖9 10Hz負載工況半個電機氣隙磁密波形（幅值）

圖10 負載無偏心阻尼繞組電流

圖11 負載無偏心阻尼繞組電磁力（幅值）

圖12 15Hz負載工況阻尼條電流（偏心為3mm）

從圖10～圖13可見：阻尼條電流和電磁力按齒頻交變，它們的峰值變化頻率為轉頻頻率；迎風面的阻尼條電磁力明顯大于其他阻尼條的電磁力，與之相鄰的阻尼條電磁力次之。從表2可見：偏心后阻尼條的電磁力顯著增大，為無偏心時的13倍到17倍之多；同一偏心情況下，阻尼條電磁力隨電機頻率（轉速）的增加而有所增大；同一頻率下，阻尼條電磁力隨偏心的增大而增加。偏心時阻尼條最大電磁力比其離心力大得多，且其位于迎風面。這是造成阻尼條斷裂故障的重要原因。

圖13 15Hz負載工況阻尼條電磁力（偏心為3mm）

表2 額定負載工況阻尼條的電流和電磁力

5 結論

本文對無偏心和偏心分別為2mm和3mm情況下電機額定負載工況進行了計算。計算結果表明，阻尼條電磁力按齒頻的頻率交變，其峰值按轉頻變化，且隨著偏心的增大而增加，隨電機頻率（轉速）的增加而增大；迎風面阻尼條的電磁力最大，而背風面阻尼條的電磁力很小；額定負載無偏心，阻尼條的電磁力小于其離心力；當存在偏心時，阻尼條的電磁力顯著增大，幾種情況迎風面阻尼條的最大電磁力均超過了離心力。這給電機造成相當的危害，是阻尼條斷裂的重要原因。

附錄 本鋼變頻凸極同步電動機主要數據

額定容量/kVA 4554 4558

額定功率/kW 4300 4300

額定電壓/V 6600 6600

額定電流/A 398.4 398.8

空載勵磁電流/A 301.02 185.58

額定勵磁電流/A 437.89 379.02

頻率/Hz 10 15

轉速/（r/min） 40 60

極數 30 30

功率因數 1 1

直軸同步電抗/p.u. 1.2904 1.9384

交軸同步電抗/p.u. 0.8581 1.2891

[1]鄧東，孫玉田，譚國偉，李金香. 飛來峽水電站發電機的運行故障分析[J]. 大電機技術, 2003, (6):13-17.

[2]李金香,孫玉田，蔣寶剛. 超高壓發電機短路特性和參數計算[J]. 大電機技術, 2008, (6).

[3]Jean-Eric Torlay, et al. Analysis of Shaft Voltages and Circulating Currents in the Parallel-Connected Windings in Large Synchronous Generator[J].Electric Power Components and Systems, 30:135-149, 2002.

[4]湯蘊璆, 史乃. 電機學[M]. 機械工業出版社（第二版）, 2006.