勵磁電流過壓引起的電機發(fā)熱原因分析

摘 要：直流電動機的調速方法一般來講有變電樞回路電阻調速、變電樞回路電壓調速和變磁通調速三種。當某種方案選定后，會固定其他變量而通過調節(jié)主調量來實現電機的調速目的。然而，當被固定的變量發(fā)生偏移或者變動時會對整個調速系統產生調速精度下降、效率降低、電機溫升升高等不利影響，而這些干擾往往不易被察覺。文章通過生產實際案例分析直流電動機勵磁電流過壓引起的電機運行環(huán)境惡化及產生原因。

關鍵詞：直流電機；勵磁過壓；過溫；換向火花大顯示對應的拉丁字符的拼音

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）29-0082-02

1 驅動及調整改造需要

平臺泥漿泵采用的是直流電機驅動：電機型號為GE782（800 HP 750 VDC 勵磁電流50.5 A 勵磁回路100v 40-60a），調速系統原先是西門子的模擬電路調速。屬于20世紀70年代產品，因年代久系統故障率高，備件采購成本高且有些配件廠家已不再提供。因此，需要對原調速系統進行升級改造。使調速系統由原來的模擬控制改為數字控制。因為后者具有以下優(yōu)點：

①精度高、速度快、存儲量大，有強大的計算、調節(jié)和邏輯判斷功能，可實現許多過去無法實現的高級復雜的控制方法，從而獲得快速、精密的控制效果。

②可以在統一的硬件電路和基礎軟件上，根據現場需要調整軟件設計來實現不同的控制系統要求，既標準，又靈活，成本低。同時也為系統開發(fā)和升級提供方便，可靠性高。

③有強大的診斷、報警、數據處理及數字通信功能，為實現遠程控制、集中控制提供了條件。

由直流電動機的轉速公式：n=U/CeΦ-TM×（Ra+Rj）/CeCMΦ2

式中：U為電樞電壓；Ce為電動勢常數；CM為轉矩常數；TM為電磁轉矩，TM=CMΦIa；Φ=NIf磁通量；Ra為電樞電阻；Rj為電樞回路調節(jié)電阻。

可見只要改變電樞電壓U，或者改變勵磁電流If，或者調節(jié)電樞回路電阻Rj。那么轉速n都會相應的改變。此次升級采用了現在比較成熟和普遍的調節(jié)電樞電壓調速方案。

2 升級改造方案

設備升級改造的提供方從成本考慮，其解決方案是：使用小功率的直流調速器SIMOREG DC-MASTER系列6RA7018-6S22 0型。

因為泥漿泵原有電機為GE752型，額定功率800HP， 額定電壓750 VDC；勵磁電壓100 VDC，勵磁電流 50.5A。然而此型號的整流控制器功率小，不能直接驅動600v伏KP1600A型SCR，所以要在脈沖觸發(fā)電路上增加功率放大環(huán)節(jié)。實際的接線如圖1所示。

3 改造后出現的問題

在系統投入運行一段時間后，我們發(fā)現泥漿泵電機出現以下問題：

①電機電樞鐵心過溫，用紅外溫槍測試，在正常負荷下溫度85～93℃。

②電動機發(fā)生過燒毀，經檢測是勵磁繞組斷相。

③運行時換向器火花大，換向器表面有比較嚴重的燒蝕；

④碳刷磨損速度快，正常鉆井生產平均20d左右更換一次碳刷。

⑤電機啟動沖擊大，電機傳動軸發(fā)生疲勞剪斷。

4 分析問題原因

然而，對比改造前后的工作環(huán)境（負載轉矩和轉速）和電機都沒有變化，冷卻風機的風壓和風量也沒有變化。問題應該出在整流調速系統上。經檢測我們發(fā)現整流調速器柜上的電量儀表讀數與實際值差別很大，尤其是勵磁電流，表上顯示是50A但實際值是62.5A，相差很大。為什么會有這么大的差別呢？對照推薦接線圖和實際設計接線圖，能夠發(fā)現因為電壓不同驅動的SCR，為了“小馬拉大車”在實際設計中增加了用戶自己制作的驅動放大板和勵磁整流部分，這與原廠的設備匹配會存有差異。而如果還采用原先的整流器板載儀表驅動電路，那么一定會有現實上的誤差。以勵磁電流表為例，勵磁電流表的顯示值通過圖2所示計算得出。因為改造后所采集到的基值不精確，比例值和偏移值的設置誤差，使輸出結果不能真實反映現實的勵磁電流。

如果以此值作為優(yōu)化系統、設定和調整的依據，那么必然出現誤差使電動機工作在非額定狀態(tài)——過勵磁運行。電機工作在過勵磁電流下就會出現上述的一些列問題：

①電機過熱。因為勵磁繞組的電阻熱Q=If2Rf（If勵磁電流Rf勵磁繞組電阻），當勵磁電流增大時，產生的電阻熱增加，電動機的溫升升高。當持續(xù)溫升大于電機的散熱時，電機出現熱絕緣疲勞，嚴重時因為過熱絕緣擊穿最終燒毀。另一方面，勵磁電流過大，鐵心過飽和，部分磁力線要通過電機外殼等構成回路，使機殼因渦流產熱，使電機溫度進一步升高。

②碳刷磨損快，換向器表面火花點蝕嚴重。勵磁電流過大以及交軸電樞反應現象增強的共同作用，使換向電流火花變大。在換向器表面產生的火花燒灼換向器，使換向器表面產生很多的點蝕降低換向器表面的光潔度，反過來粗糙的換向器表面增加了對碳刷的磨損。

大勵磁電流產生的電火花，也使得碳刷的組織結構發(fā)生改變，耐磨度降低。

③啟動沖擊大。電動機的轉矩：TM=T2+T0= TM=CMΦIa

式中：T2 為負載轉矩，T0為空載轉矩。當勵磁電流增大時磁通量增加，電動機的轉矩增加轉速降低，在啟動時電磁轉矩除了克服負載轉矩和空載轉矩外，所余用來使系統加速。即TM=T2+T0+J×dΩ/dt（式中，J為轉動慣量，dΩ/dt為角加速度）。可見當勵磁電流增大時，電磁轉矩增大，而在啟動時負載轉矩很小，電磁轉矩主要轉變?yōu)橄到y的加速上了，所以啟動時的沖擊力很大，電機輸出軸上承受很大的剪力，時間久了就會出現疲勞損傷。

3 結 語

找到使電動機工作環(huán)境惡化的原因和產生不良后果的理論分析，我們將原先的勵磁電流表，改成在勵磁回路串接分流器直接驅動直流電流表，并重新校準勵磁電流和重新做系統優(yōu)化。經調整后開機試驗電機工作平穩(wěn)。后經長時間工作檢驗，換向器火花明顯減小，碳刷使用壽命顯著延長，電擊溫升穩(wěn)定在正常范圍內。前期的問題得到了有效解決。

參考文獻：

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