同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)維護(hù)及故障處理

摘 要：同步電動(dòng)機(jī)作為大型機(jī)組的主電機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，和異步電動(dòng)機(jī)相比，其組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，文章就同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的正常維護(hù)和故障處理進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：同步電動(dòng)機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；維護(hù)；故障處理

1 前言

同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速恒定、功率因數(shù)可調(diào)、抗過載能力強(qiáng)以及轉(zhuǎn)矩受電源電壓影響較小等優(yōu)點(diǎn)，尤其是應(yīng)用無刷勵(lì)磁技術(shù)的同步電動(dòng)機(jī)取消了滑環(huán)、碳刷， 無火花產(chǎn)生， 廣泛應(yīng)用在石油、化工等易然易爆的場(chǎng)所。基于上述優(yōu)點(diǎn)，在聚烯烴造粒機(jī)組和空分廠壓縮機(jī)等大型機(jī)組越來越多的采用同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

同步電動(dòng)機(jī)按照結(jié)構(gòu)形式可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)磁極式按照磁極的結(jié)構(gòu)不同又分為凸極式和隱極式。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的同步電機(jī)，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上采用隱極式；對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，由于圓周速度較低，離心力較小，采用制造簡單、勵(lì)磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。本文主要針對(duì)某廠采用的西門子無刷勵(lì)磁凸極式高壓同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)維護(hù)及故障處理進(jìn)行探討。

2 同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)可以分為勵(lì)磁控制盤和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)兩部分。其中勵(lì)磁控制盤負(fù)責(zé)檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和控制旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)的輔助勵(lì)磁電流，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電磁力矩；旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分負(fù)責(zé)控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流和限流電阻的投退等。

待電機(jī)以異步電動(dòng)機(jī)形式啟動(dòng)穩(wěn)定后，勵(lì)磁柜的PLC接到電動(dòng)機(jī)速度傳感器傳來轉(zhuǎn)速n>96%nN和由電流變送器傳來的電流信號(hào)I<120%IN，由PLC控制勵(lì)磁柜內(nèi)的直流輸出裝置DC-MASTER 6RA70輸出輔助勵(lì)磁電流投勵(lì)磁；輔助勵(lì)磁電流投入時(shí)以固定勵(lì)磁的方式先輸出2秒1.2倍額定輔助勵(lì)磁電流強(qiáng)勵(lì)，將電動(dòng)機(jī)由異步態(tài)強(qiáng)行拉至同步運(yùn)行，之后輔助勵(lì)磁電流降至80%額定輔助勵(lì)磁電流，之后5秒鐘之內(nèi)由旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的觸發(fā)器控制切斷勵(lì)磁繞組上短接的限流電阻RZ，同時(shí)安裝在勵(lì)磁柜上的多功能表檢測(cè)同步機(jī)的無功功率QZ>1%QN，則證明電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入同步狀態(tài)。2秒鐘之后，輔助勵(lì)磁的控制方式由原來的固定勵(lì)磁轉(zhuǎn)換為在勵(lì)磁柜上PLC內(nèi)設(shè)置的cos ∮控制模式控制。

3 同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)維護(hù)步驟

同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)維護(hù)可以分為兩部分，勵(lì)磁柜維護(hù)和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分維護(hù)。

3.1 勵(lì)磁柜維護(hù)

勵(lì)磁柜維護(hù)包括檢查柜面指示儀表、信號(hào)燈具應(yīng)完好無損、工作正常。接線端子緊固檢查，接地情況檢查，整流變壓器、同步變壓器、各穩(wěn)壓電源變壓器、電抗器等檢查是否有過熱變色。檢查電源開關(guān)、組合開關(guān)接觸是否良好，操作是否靈活，外殼是否有破損。檢查繼電器、接觸器，其線圈是否變色、斷線；接點(diǎn)動(dòng)作是否可靠。檢查插接件和印刷電路板，印刷電路板無變色、污臟、線路無開路、短路；阻容器件、晶體管、集成塊沒有變色過熱，無斷腳，無虛焊、脫焊現(xiàn)象；插接頭、座的接觸片應(yīng)有彈性，無斷裂，膠木無裂紋、炭化和放電痕跡。檢查熔斷器、擊穿保險(xiǎn)器是否熔斷或擊穿，接觸應(yīng)良好，無過熱，瓷質(zhì)套無裂紋，熔斷指示器指示正確。勵(lì)磁柜控制回路和保護(hù)回路絕緣檢查。

3.2 旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分維護(hù)

旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁備份維護(hù)包括散熱器吹灰清掃，端子緊固檢查，元件與散熱器之間緊固檢查。檢查晶閘管、二極管、觸發(fā)器無變形、變色現(xiàn)象，連接處接觸良好。檢查限流電阻有無斷絲、過熱變色，電阻值是否在規(guī)定范圍內(nèi)；瓷質(zhì)絕緣子外觀良好，無放電痕跡，接線接觸良好。二極管、晶閘管性能測(cè)試，觸發(fā)器性能測(cè)試。勵(lì)磁線圈絕緣測(cè)試，絕緣電阻不應(yīng)小于2MΩ。（1）二極管測(cè)試。利用萬用表根據(jù)二極管正向?qū)ǚ聪虿粚?dǎo)通的特性即可判別二極管的極性。一般二極管的正向電阻為幾十歐到幾千歐，反向電阻為幾兆歐以上，正反向電阻差值越大越好，至少應(yīng)相差百倍為宜。注意數(shù)字表的電阻擋不能用來測(cè)量二極管和三極管，必需用二極管擋。（2）晶閘管測(cè)試。用萬用表R×1kΩ檔測(cè)量晶閘管陽極A與陰極K之間的正、反向電阻，正常時(shí)均應(yīng)為幾兆歐（MΩ）；若測(cè)得A、K之間的正、反向電阻值為零或阻值均較小，則說明晶閘管內(nèi)部擊穿短路或漏電。測(cè)量門極G與陰極K之間的正、反向電阻值，正常時(shí)應(yīng)有類似二極管的正、反向電阻值，即正向電阻值較?。ㄐ∮?kΩ），反向電阻值較大（大于80kΩ）。若兩次測(cè)量的電阻值均很大或均很小，則說明該晶閘管G、K極之間開路或短路。若正、反向電阻值均相等或接近，則說明該晶閘管已失效。（3）觸發(fā)器測(cè)試。用一只直流通斷測(cè)試儀，測(cè)量端子之間的電阻，如果測(cè)量施加的電壓為1.5V，在所示的極性之間測(cè)量的電阻值應(yīng)該為幾千歐姆（kΩ），按相反的極性測(cè)量時(shí)，測(cè)得的電阻應(yīng)當(dāng)為無窮大。如果所有電極之間測(cè)得的電阻值均為無窮大，則觸發(fā)裝置就存在故障，必須予以更換。

4 同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障處理

4.1 勵(lì)磁系統(tǒng)停

（1）輔助勵(lì)磁輸出電流為零或正常輸出突然降為零。檢查直流輸出回路是否斷線；輔助勵(lì)磁定子線圈是否故障。檢查勵(lì)磁柜電源供電是否正常； 檢查DC-MASTER 6RA70是否報(bào)故障停機(jī)；檢查多功能表UMG507是否檢測(cè)準(zhǔn)確，工作正常；通過操作面板OP277事件記錄器查看PLC是否發(fā)出報(bào)警。是否有保護(hù)動(dòng)作或連鎖停機(jī)信號(hào)發(fā)生。案例1：某年春季因“晃電”造成系統(tǒng)供電電壓波動(dòng)，10kV、6kV、0.4kV電動(dòng)機(jī)均未停車，僅有同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁柜輸出電流降為零使勵(lì)磁部分停導(dǎo)致同步機(jī)停車。經(jīng)檢查為DC-MASTER 6RA70停導(dǎo)致輔助勵(lì)磁輸出停止，檢查6RA70內(nèi)部設(shè)定值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)供電電壓下降至正常值85%時(shí)，DC-MASTER 6RA70停機(jī)。后通過為勵(lì)磁柜增加UPS電源，消除了電壓波動(dòng)對(duì)DC-MASTER 6RA70的影響，從而保證了電壓波動(dòng)時(shí)勵(lì)磁部分不受到影響。案例2：某次同步機(jī)因勵(lì)磁系統(tǒng)停導(dǎo)致停機(jī)，經(jīng)檢查勵(lì)磁柜操作面板的時(shí)間記錄，PLC與操作面板OP277出現(xiàn)“通訊中斷”報(bào)警。此報(bào)警屬于報(bào)警類信息，不會(huì)直接導(dǎo)致勵(lì)磁停，只有PLC和6RA70報(bào)故障類信息才能導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)停機(jī)。經(jīng)檢查，勵(lì)磁柜的狀態(tài)信號(hào)“報(bào)警”和“故障”兩組信號(hào)線并接后按“勵(lì)磁柜故障”信息傳給上級(jí)控制系統(tǒng)。當(dāng)“通訊中斷”發(fā)生時(shí)，上級(jí)控制系統(tǒng)按“勵(lì)磁柜故障”連鎖停同步機(jī)，導(dǎo)致此次停車。后將“報(bào)警”和“故障”兩個(gè)信號(hào)分開，當(dāng)“報(bào)警”信號(hào)在勵(lì)磁柜上出現(xiàn)時(shí)，可以根據(jù)報(bào)警信息的提示來查找相應(yīng)部位狀況并進(jìn)行處理，從而減少同步機(jī)的停機(jī)事件發(fā)生。（2）勵(lì)磁機(jī)線圈故障。勵(lì)磁線圈斷路或短路，可以通過目視檢查并測(cè)量線圈回路，可以檢查出勵(lì)磁線圈情況。（3）轉(zhuǎn)子線圈故障。轉(zhuǎn)子線圈斷路或短路，可以通過目視檢查并測(cè)量線圈回路，可以檢查出轉(zhuǎn)子線圈情況。（4）二極管擊穿。用一個(gè)DC直流電源，檢查二極管的阻斷性能。如果二極管擊穿，則需要更換。（5）Snubber circuit緩沖電路故障。Snubber circuit緩沖電路的電阻器和電容器故障損壞，則需重新更換。（6）晶閘管故障擊穿。晶閘管故障的一般原因是觸發(fā)端的損壞（喪失雙向阻斷性能）和中斷，可以借助于直流通斷測(cè)試儀來探測(cè)發(fā)生故障的可控硅。（7）觸發(fā)器故障。觸發(fā)器為同步機(jī)旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分的核心，有其控制旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分的正常工作。因其是西門子同步機(jī)的核心裝置，無法修復(fù)，故檢測(cè)發(fā)生故障后，更換觸發(fā)器即可。

4.2 勵(lì)磁電流異常

（1）勵(lì)磁輸出電流太小。勵(lì)磁輸出電流過小則會(huì)引起電機(jī)因勵(lì)磁欠勵(lì)導(dǎo)致同步機(jī)失步停機(jī)。輸出電流過小可能的原因有：勵(lì)磁供電電源異常；DC-MASTER 6RA70參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤或運(yùn)行異常，導(dǎo)致輸出輔助勵(lì)磁電流過??；多功能表UMG507故障，不能真實(shí)檢測(cè)同步機(jī)的電壓、電流及功率因數(shù)；旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分個(gè)別晶閘管開路。對(duì)于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)異常的部件，應(yīng)予以更換。

（2）勵(lì)磁輸出電流太大。旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電磁力矩減小，導(dǎo)致勵(lì)磁電流增加。應(yīng)檢查旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分二極管和晶閘管性能，更換故障的元件。案例3：在一次正常停機(jī)后，再啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)該電機(jī)空載輔助勵(lì)磁電流由原來的10A增大到20A（額定電流是58A），稍加負(fù)載后，電流即緩慢上升，幾秒鐘后，因過電流而保護(hù)停機(jī)。檢查負(fù)荷無問題，高壓柜控制正常，增大輔助勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)定子電流減小。故障分析處理：因電機(jī)能正常啟動(dòng)，說明電機(jī)控制回路基本正常，問題可能出在勵(lì)磁回路，根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的特性：如果在欠勵(lì)區(qū)，勵(lì)磁電流增加，電機(jī)定子電流減小，由上述現(xiàn)象，得到電機(jī)工作在欠勵(lì)狀態(tài)。檢查勵(lì)磁柜供電電壓、多功能表、直流裝置DC-MASTER均正常，所以問題可能在旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分。檢查發(fā)現(xiàn)可控硅故障，引起勵(lì)磁繞組一相短路，產(chǎn)生欠勵(lì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變小。

4.3 輔助勵(lì)磁輸出電流波動(dòng)

（1）系統(tǒng)供電電壓偏低，檢查供電電壓是否異常。（2）供電線路附近有強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，應(yīng)檢查供電線路的屏蔽情況，做好屏蔽層接地。（3）同步機(jī)勵(lì)磁線圈中存在匝間短路。檢查勵(lì)磁線圈的絕緣和直阻，對(duì)比三相線圈直阻差別及與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比判斷，確認(rèn)是否存在匝間短路。（4）從正常運(yùn)行值突然減小到某一值，時(shí)而又恢復(fù)到正常運(yùn)行值，或者多次減小與返回，其變化特點(diǎn)增減值為一常數(shù)，處理方法是用示波器觀察電流輸出波形，確定哪一相脈沖插件，檢查主回路的哪一相晶閘管觸發(fā)特性變壞或者插接件接觸不良，加以消除。（5）轉(zhuǎn)子線圈故障，轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路，導(dǎo)致電磁力矩存在波動(dòng)，導(dǎo)致輔助勵(lì)磁電流存在波動(dòng)。

4.4 旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁裝置內(nèi)部異常過熱

大多是運(yùn)行中滅磁回路誤導(dǎo)通，限流電阻接入散發(fā)大量熱量所致；若多次出現(xiàn)，則應(yīng)更換觸發(fā)器，并檢查限流電阻外觀和電阻值是否正常。

5 結(jié)束語

通過對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的深入了解，掌握各部分的功能和故障處理方法，從而可以及時(shí)準(zhǔn)確的排除勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題，保障設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]西門子高壓同步電動(dòng)機(jī)說明書《Three-phase synchronous motor Salient pole rotor》.

[2]石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程編制委員會(huì)編.石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程.第六冊(cè).電氣設(shè)備.中國石化出版社.