談串級調速裝置原理和故障分析

【摘要】繞線式轉子異步電動機在轉子回路串接三相電阻，當改變電阻數值時可以實現電機的調速。這種方法設備簡單、投資少、維護容易，但轉子電阻上消耗大量的電功率，調節性能較差，利用串級調速具有效率高、調節方便等特點，在工業現場中應用較多。串級調速的電路主要由主電路、控制線路和保護線路組成。故障主要結合企業實際線路進行分析排除。

【關鍵詞】串級調速 原理 故障分析

一、串級調速的基本原理

可控硅串級調速是在電動機轉子回路串一可變電勢，通過改變電勢的大小進行調速，電動機的轉子功率經過可控有源逆變器，變為與電網同頻率的交流電能，將轉差功率返回電網，因此效率高。其基本原理如下：先將異步電機的轉子電壓經過三相橋式整流，整成直流（Ud），再在直流側串入一個與其相反的直流電勢（Uβ），Uβ是由可控硅有源逆變器產生，通過改變逆變器的逆變角p來改變Uβ的大小，從而達到調速與節能目的。

二、GKGJA型串級調速裝置的結構及原理

1、結構

本裝置由可控硅整流器、逆變器、電抗器、頻敏變阻器、觸發器、保護部份等組成，主電路見圖1。

2、各部份工作原理簡述

（1）整流器由可控硅串級調速電氣原理圖所示，GZ1～GZ6組成三相整流橋，將電機轉子交流電壓變為直流電壓Ud，作為可控硅逆變壓器的直流電源。整流器正極經平波電抗器接電機定子零線，整流器負極接逆變器陰極。

（2）逆變器KGZ1～KGZ3組成三相零式逆變器，陽極分別接三相交流電壓，陰極接整流器陽極，通過觸發脈沖控制，改變了逆變角p的大小，就可改變逆變器電壓Uβ的大小，從而達到調速的目的；當逆變電壓增加時，回路電流Id減少，電動機的轉子電流亦相應減少，電磁力矩小于機械阻力矩，電機減速，轉差率S增加，直至電磁力矩與機械阻力矩相平衡；反之，Ub減小，Id增大，電動機轉速增加。

（3）平波電抗器平波電抗器DL在串調系統中的作用是保證小電流時連續，限制Δi/Δt電流上升率，使系統工作可靠。本裝置的平波電抗器采用擺動式電抗器，當電流增大時，鐵芯飽和，電感減小。

（4）頻敏變阻器頻敏變阻器BL作限制起動電流用。當1C吸合時，BL接入，電機起動，經過延時，電機加速至接近異步轉速，此時轉子電壓頻率很低，4C或3C吸合，串調或異步運行。

（5）觸發器本裝置可控硅觸發模塊密封成一個模塊，功能接線如圖2。

（6）保護環節在逆變器三相進線設有C110～C112、R110～R112組成的阻容吸收保護，吸收電網操作過電壓，壓敏電阻YR1～YR3作為浪涌電壓吸收，吸收過電壓的峰值。

三、觸發模塊的原理分析

我們將其解剖，發現其電路簡單、巧妙。它采用單相電源即可列相出三相同步信號，來直接觸發主回路的三個可控硅，使用很方便。其電路如圖3。

電源變壓器T1經橋式整流、濾波作觸發模塊放大電路電源。變壓器T2是阻容移相橋的供電電源，移相原理見圖4。

變壓器T2次級電壓相量UAB為常數，電阻兩端電壓量UAD和電容兩端電壓相量UDB互成90°，所以D點的軌跡是半圓，DO為半徑，改變電阻的大小，DO的相位就發生變化。將移相橋的輸出端DO接隔離變壓器T3，T3的副邊經列相，將單相電源分成對稱的三相電源，此三相電源作觸發模塊的同步信號，將同步信號經過V4～V9、R2進行整形放大，在輸出端7、8、9便可得到供可控硅門極的三個互差120°的寬脈沖，調節移相橋的電阻，輸出脈沖可在要求的范圍內進行移相。為了閉環控制方便，將接電阻的兩點間接一橋式整流，整流橋的輸出端接可變電阻或晶體三極管，用晶體三極管代替可變電阻能使觸發模塊方便地用電信號進行控制。

四、故障分析和排除

1、起動投調速后，電機轉速下降，調節失控。

因起動時，電機運轉正常，只是切換至調速后，出現電機轉速下降，故可判斷為觸發模塊工作不正常。

重點檢查觸發電路，測量模塊的輸入電壓為220V，正常；測量觸發模塊的輸出電壓為零，說明觸發模塊沒有工作。

經拆開模塊檢查，通過靜態測量，發現電源變壓器T1損壞，造成模塊工作電源消失，沒有輸出電壓。

2、起動并投調速后過流動作跳閘，保護停機本故障出現較多，其原因也較多，分析如下：

（1）可控硅損壞。可控硅損壞后一般會引起快速熔斷器熔斷，但如果未熔斷時，就會引起GLJ動作停機，通過測量可控硅的陰、陽兩極的電阻，就可判斷出可控硅的好壞。

（2）觸發回路接觸不良。本故障出現較多，如果觸發回路接觸不良，將會引起各觸發信號錯亂，可控硅導通角發生錯亂，引起逆變失敗，從而引發過流動作。

對于這故障，可以采用送上控制電源后，測量模塊輸出端到可控硅輸入端的線路壓降就可以反映線路的接觸情況，正常電壓應為零，故障時會有一定電壓。在本裝置中，因觸發信號經過穿心螺栓引入另一面的可控硅；由于該裝置放曝氣池附近，受曝氣池潮濕、腐蝕空氣的影響，長時間的作用下，螺栓易生銹而產生接觸不良，處理后正常。

（3）觸發模塊損壞。觸發模塊損壞后，將會引起某一相可控硅全導通，引起過流動作；模塊內一般是三極管V5、V7、V9中某一個或多個擊穿引起可控硅某一相或多相全導通，引起直流電流大造成GLJ動作，通過靜態測量來找出損壞的三極管更換即可。

3、起動后電動機電流偏大，投調速時發現直流電壓不隨直流電流而改變。

起動電機并投調速后，發現直流電壓表為滿偏，直流電流為60A，測量自動開關ZK下面的輸入交流電流為75A，比額定值略大，調節調速電位器RP時，發現直流電流增加，但直流電壓不下降，后檢查電動機，發現電動機并沒有轉動！仔細檢查各交流接觸器的觸頭后，發現為定子主回路交流接觸器2C有一相觸頭接觸不良，造成定子繞組跑單相，而電機負載較大，無法起動。因電機控制裝置離電機較遠，操作人員不能及時發現，還以為是調速裝置有故障。

為什么出現跑單相時，會引起這種現象呢？

電動機跑單相堵轉時，電機轉差率為1，頻敏變阻器工作在頻率高、阻抗大的狀態下，電機定子電流增加不大，熱繼電器不能迅速工作，這時電機的定、轉子繞組，相當于變壓器初、次級繞組，轉子繞組的交流電壓經過整流器GZ1～GZ6整流后的直流電壓為一定值，這時調節調速電位器時，當然會產生直流電流上升而直流電壓不下降的現象。而當時測量輸入端的交流電流的方法不對，沒有考慮逆變器的影響，因逆變時交流接觸器5C閉合，和電機定子繞組并聯，把轉子電壓逆變回電網，會使各相均有電流流過，并不反映電動機有無缺相，應直接測量電動機定子繞組的電流。

4、電機滑環易發生燒壞

本故障主要為電機長時間運轉（一般為24小時運轉），碳粉積集在滑環、碳刷架上引起絕緣下降造成短路。尤其是電機在速度較低下運行時，因轉差率較大，這時轉子繞組感應的電壓較高，易擊穿短路，在潮濕的天氣更厲害；輕者可以見到碳刷架上碳粉在冒火，重者將滑環、碳刷架燒壞。通過將原銅質滑環更換成鋼質滑環減少磨損，將D201型碳刷改為較難磨損的J201型碳刷，平時加強檢查和保養，解決了該問題。

5、運行中頻敏變阻器燒壞

頻敏變阻器BL僅在電機啟動時使用，平時不通電，一般不會燒壞，除非多次啟動過程燒壞，但現在是在運行中燒壞，說明控制線路有故障；經檢查發現控制線路中的中間繼電器ZJ線圈已開路。在正常運行工作狀態中間繼電器ZJ是通電工作的，并通過其輔助觸點斷開控制頻敏變阻器BL的交流接觸器1C，使得頻敏變阻器在起動完畢后撤出工作狀態。若在運行中，中間繼電器ZJ線圈回路斷開，使得ZJ失電導致1C接通，頻敏變阻器投入長期工作，因頻敏變阻器設計是短時工作制的，長時間通電必然造成過熱燒壞。

五、總結

通過以上分析增強了檢修中的針對性，提高了檢修效率，可控硅串級調速裝置運轉正常，其效率高，節約了大量電費，取得了很好的經濟效益。