高壓同步電動(dòng)機(jī)常見故障處理及高壓固態(tài)軟啟動(dòng)裝置的應(yīng)用

王學(xué)平

摘要：我公司是高原礦山企業(yè)，礦石礦物組合比較復(fù)雜，金屬礦物主要有閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦、菱鐵礦、赤鐵礦、白鐵礦等，選礦分廠主要生產(chǎn)鉛精礦、鋅精礦、銅精礦和硫精礦。磨礦設(shè)備驅(qū)動(dòng)選用1臺(tái)型號(hào)為TDMK1800-30G，10KV/1800KW大型三相同步電動(dòng)機(jī)，是選礦分廠非常重要的設(shè)備之一，從2017年9月26日運(yùn)轉(zhuǎn)到2018年3月發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)定子鐵芯（硅鋼片）發(fā)熱現(xiàn)象，定子某一點(diǎn)溫度高達(dá)270℃，球磨機(jī)停機(jī)次數(shù)增多，由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)采用直接合閘起動(dòng)方式，頻繁起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)沖擊導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定并且出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故障報(bào)警等現(xiàn)象，無法正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，為此，在分析研究過后，先用兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)對電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行降溫處理，對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間進(jìn)行間隙調(diào)整，控制磨機(jī)處理量降低負(fù)荷，將電動(dòng)機(jī)定子鐵芯溫度控制在230℃以內(nèi)，待采購新電動(dòng)機(jī)到廠替換后再對故障電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢修處理，并把直接合閘起動(dòng)控制系統(tǒng)改造為高壓固態(tài)軟啟動(dòng)裝置。

關(guān)鍵詞：同步電動(dòng)機(jī)、定子鐵芯（硅鋼片）發(fā)熱、故障報(bào)警、電網(wǎng)沖擊、高壓固態(tài)軟啟動(dòng)裝置

1 引言

在非金屬礦山生產(chǎn)工藝過程中，磨礦工藝是選礦工藝的重要組成部分，而同步電動(dòng)機(jī)則是拖動(dòng)球磨機(jī)磨礦生產(chǎn)作業(yè)重要的電氣設(shè)備之一。高壓同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，過載能力較強(qiáng)，速度基本不受負(fù)載變化而變化，并且能夠在領(lǐng)先功率因數(shù)下運(yùn)行，改善電網(wǎng)總功率因數(shù)，向電網(wǎng)補(bǔ)償無功等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如球磨機(jī)、大型風(fēng)機(jī)、大型離心水泵等，使用多極同步電動(dòng)機(jī)不僅可以提高系統(tǒng)功率因素，更可以省去變速機(jī)構(gòu)，如齒輪變速箱，從而降低系統(tǒng)故障率，簡化設(shè)備維護(hù)檢修。

由于同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，長期以來發(fā)生同步電動(dòng)機(jī)及其整流裝置損壞故障屢見不鮮，同步電動(dòng)機(jī)頻繁發(fā)生故障，且維修難度大，直接影響安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)及穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益，是降低球磨機(jī)磨礦作業(yè)率的一個(gè)重要因素，因此，設(shè)備管理人員、技術(shù)人員、檢修人員必須懂得同步電動(dòng)機(jī)的工作原理，便于能夠準(zhǔn)確、快速的處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

2 同步電動(dòng)機(jī)的啟停及工作原理

同步電動(dòng)機(jī)主要用于拖動(dòng)恒定轉(zhuǎn)速的大型機(jī)械設(shè)備，如球磨機(jī)、大型風(fēng)機(jī)、大型離心水泵等。由于同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，不能自行啟動(dòng)，所以采用異步啟動(dòng)方法幫助啟動(dòng)，整個(gè)啟動(dòng)過程分為異步啟動(dòng)和牽入同步兩個(gè)階段。在啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子繞組是不能投入勵(lì)磁電流的，否則將增加啟動(dòng)的困難，即發(fā)生堵轉(zhuǎn)或者其它故障報(bào)警。同時(shí)勵(lì)磁繞組又不能開路，否則啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出較高的危險(xiǎn)電壓，使繞組絕緣擊穿受損傷。但是，如果將勵(lì)磁繞組短路，則會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，使勵(lì)磁裝置受到損壞。因此，在啟動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)勵(lì)磁繞組通常是通過滅磁電阻短接的，滅磁電阻約為勵(lì)磁繞組電阻值的十倍左右。

3 同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的危害因素

3.1對電網(wǎng)的影響

首先，起動(dòng)時(shí)的大電流對電網(wǎng)的沖擊幾乎類似于三相電源短路對電網(wǎng)的沖擊，常常會(huì)引發(fā)功率振蕩，使整個(gè)電網(wǎng)失去穩(wěn)定。其次，起動(dòng)電流中含有大量的高次諧波，會(huì)與電網(wǎng)電路參數(shù)引起高頻諧振，造成繼電保護(hù)器誤動(dòng)作，自動(dòng)控制失靈等故障。

3.2傷害電動(dòng)機(jī)絕緣、降低電動(dòng)機(jī)壽命

首先，大電流產(chǎn)生的焦耳熱反復(fù)作用于導(dǎo)線外絕緣，使絕緣加速老化，電動(dòng)機(jī)壽命降低。其次，大電流產(chǎn)生的機(jī)械力使導(dǎo)線相互摩擦，降低絕緣壽命。再次，高壓開關(guān)合閘時(shí)觸頭的抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)在電機(jī)定子繞組上產(chǎn)生操作過電壓。

3.3電動(dòng)力對電機(jī)的傷害

大電流在電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會(huì)造成夾緊裝置松動(dòng)、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。

3.4對機(jī)械設(shè)備的傷害

全壓直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，如此大的力矩突然加在靜止的機(jī)械設(shè)備上，會(huì)加速運(yùn)轉(zhuǎn)磨損甚至打齒，加速風(fēng)葉疲勞甚至打斷風(fēng)葉等。

4 同步電動(dòng)機(jī)常見故障的分析及處理方法

4.1同步電動(dòng)機(jī)不能正常起動(dòng)

導(dǎo)致同步電動(dòng)機(jī)不能順利啟動(dòng)的正常運(yùn)行的電氣故障，是同步電動(dòng)機(jī)本身和勵(lì)磁裝置等多種原因。如定子繞組短路、斷路、轉(zhuǎn)子繞組短裂、接地、勵(lì)磁裝置故障、定轉(zhuǎn)子鐵芯掃膛等等。

同步電動(dòng)機(jī)的損壞主要表現(xiàn)在：定子繞組端部扎線綁帶蹦斷，絕緣損壞，連接處開焊；短路環(huán)斷裂，轉(zhuǎn)子磁極的燕尾契松動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組線圈絕緣損壞；啟動(dòng)繞組籠條斷裂；定子鐵芯松動(dòng)，運(yùn)行過程中震動(dòng)過大，噪音過大等等現(xiàn)象。

4.1.1 故障現(xiàn)象特征

公司選礦分廠Φ4000x7000球磨同步電動(dòng)機(jī)（TDMK1800-30G）出現(xiàn)啟動(dòng)困難，每次啟動(dòng)均要在5次以上，才能把同步電動(dòng)機(jī)牽入同步運(yùn)行，這樣反復(fù)啟動(dòng)，有時(shí)直至產(chǎn)生電磁共振和機(jī)械共振，失步報(bào)警等，將使同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，引起同步電動(dòng)機(jī)損傷，并且逐步積累和發(fā)展，加快了同步電動(dòng)機(jī)的故障率，且會(huì)波及到連接的機(jī)械設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)打齒、斷軸等事故。

4.1.2分析及處理方法

此類故障容易被誤判斷為勵(lì)磁系統(tǒng)原因，因?yàn)閯?lì)磁系統(tǒng)過早投入勵(lì)磁，就會(huì)發(fā)生同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以故認(rèn)為啟動(dòng)時(shí)的震蕩現(xiàn)象屬勵(lì)磁裝置故障。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整勵(lì)磁投入時(shí)間、投勵(lì)環(huán)節(jié)封鎖電壓（適當(dāng)提高了封鎖電壓）、并對滅磁可控硅導(dǎo)通電壓進(jìn)行多次調(diào)整，都不能解決同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難這一難題。因此，我們根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作原理，初步分析故障可能在硬件上，即同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)繞組有問題，于是對球磨同步電動(dòng)機(jī)繞組、鐵芯（硅鋼片）進(jìn)行檢查，在檢查中發(fā)現(xiàn)鼠籠條有斷裂現(xiàn)象，有連接處過熱絕緣層燒焦的情況，導(dǎo)致同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程不能順利進(jìn)行。同時(shí)，由于鼠籠條銅條兩端受熱膨脹，將定子繞組絕緣擦傷，造成定子繞組短路、接地、鐵芯變形等。為不影響生產(chǎn)，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)，我們對轉(zhuǎn)子與定子間間隙進(jìn)行調(diào)整，對發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行降溫等措施，讓同步電動(dòng)機(jī)先穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，等待新電動(dòng)機(jī)到廠更換后返回廠家進(jìn)行重新組裝，重新做絕緣。

4.2同步電動(dòng)機(jī)失步狀態(tài)的分析

在自由振蕩狀態(tài)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率以及轉(zhuǎn)矩等均將發(fā)生周期性的變化。在正常情況下，自由振蕩的幅度被抑制在一定的范圍內(nèi)，不會(huì)造成危害，這時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。危險(xiǎn)的是，一旦自由振蕩角頻率W0逼近負(fù)載轉(zhuǎn)矩基波分量的角頻率W1，便會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這時(shí)轉(zhuǎn)速的擺幅會(huì)迅速增大，而擺脫定子旋轉(zhuǎn)磁場的制約，產(chǎn)生“失步”現(xiàn)象，即工作在異步狀態(tài)。而失步對同步電動(dòng)機(jī)會(huì)造成極大的危害。

一旦失步，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就低于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，一個(gè)快，一個(gè)慢，二者存在著相對運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組及鼠籠條上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，形成較大的感應(yīng)電流，使鼠籠條長時(shí)間發(fā)熱以至燒斷。

4.2.1失步現(xiàn)象的處理方法

為了防止自由振蕩角頻率W0 接近負(fù)載轉(zhuǎn)矩基波分量的角頻率W1，即防止上述的共振造成的失步現(xiàn)象，要求同步電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁電流附近運(yùn)行，不能隨意減小勵(lì)磁電流，以保證自由振蕩角頻率W0與負(fù)載轉(zhuǎn)矩基波分量的角頻率W1之比（即W0/W1）在1.2--1.4之間。因?yàn)樽杂烧袷幗穷l率W0與勵(lì)磁電流成正比，減小勵(lì)磁電流，就降低了自由振蕩角頻率W0，當(dāng)自由振蕩角頻率W0降低到逼近負(fù)載轉(zhuǎn)矩基波分量的角頻率W1時(shí)，就出現(xiàn)前面所說的共振和失步現(xiàn)象。

找到上述原因之后，我們在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了多次試驗(yàn)，適當(dāng)提高勵(lì)磁電流，將勵(lì)磁電流控制在額定電流以內(nèi)，就徹底解決了這一故障。

5 機(jī)械故障的分析與處理

5.1機(jī)械故障的現(xiàn)象

機(jī)械故障是造成同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的疑難故障之一，是不可忽視的，電氣維修人員往往忽視了機(jī)械方面的因素，給檢修工作帶來了許多彎路，浪費(fèi)了大量時(shí)間。

同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)狀火花，隨著同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子作圓周運(yùn)動(dòng)，同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中振動(dòng)過大，且有異常躁聲。

5.2處理方法

重新調(diào)整好定、轉(zhuǎn)子氣隙達(dá)正常值，為避免故障再次出現(xiàn)，在同步電動(dòng)機(jī)底座固定的基礎(chǔ)位置安裝了定位銷，使同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座和轉(zhuǎn)子軸承支座在固定位置上，讓定、轉(zhuǎn)子氣隙獲得均勻。

6高壓固態(tài)軟啟動(dòng)裝置的應(yīng)用

6.1起動(dòng)原理

在軟起動(dòng)器中三相交流電源與被控電動(dòng)機(jī)之間串有三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路，起動(dòng)時(shí)，使晶閘管的導(dǎo)通角從0開始逐漸增大，電動(dòng)機(jī)的端電壓便按照預(yù)先設(shè)置的控制方式從零電壓開始逐漸上升，直至達(dá)到電源電壓。

6.1裝置的特點(diǎn)

裝置采用組件式結(jié)構(gòu)，模塊化安裝方式。具有多重過電壓吸收、保護(hù)技術(shù)。瞬態(tài)的dv/dt，雷電沖擊電壓、操作波過電壓等暫態(tài)過度過程進(jìn)行多層限幅鉗位。對di/dt、啟動(dòng)、停機(jī)過程的均壓都有獨(dú)到的措施和方法。采用高抗干擾的數(shù)字式觸發(fā)器，CT隔離傳輸觸發(fā)脈沖，使高壓裝置與低壓裝置做得一樣，安全可靠。

6.2高壓固態(tài)軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

6.2.1體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可以節(jié)約空間及基建投資；

6.2.2計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，功能齊全，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程組網(wǎng)控制；

6.2.3免維護(hù)，安全可靠，晶閘管不同于其它類型的產(chǎn)品需經(jīng)常維護(hù)，連續(xù)運(yùn)行數(shù)年也無需停機(jī)維護(hù)，更無爆炸引起高壓接地等危險(xiǎn)；

6.2.4能實(shí)現(xiàn)軟停車，可消除驟然停機(jī)對大型設(shè)備的沖擊與損壞，保證設(shè)備安全運(yùn)行，可提高電動(dòng)機(jī)和相關(guān)機(jī)械設(shè)備的使用壽命；

6.2.5無電流沖擊，對機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩沖擊小；

6.2.6負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)試方便，可根據(jù)負(fù)載變化來調(diào)整，自由地調(diào)整所有參數(shù)，從而使得各種負(fù)載達(dá)到最佳的起動(dòng)效果；

6.2.7壽命長，晶閘管無觸點(diǎn)的電子郵件，一般使用壽命可達(dá)十年以上；

7結(jié)束語

同步電動(dòng)機(jī)主要故障經(jīng)常發(fā)生在勵(lì)磁系統(tǒng)上，如果在使用中發(fā)生故障或調(diào)節(jié)失靈，應(yīng)在停機(jī)后仔細(xì)檢查設(shè)備內(nèi)外有無短路斷開現(xiàn)象，快速熔斷器是否熔斷及熱繼電器是否動(dòng)作。然后再根據(jù)故障現(xiàn)象，判斷故障是在哪一個(gè)環(huán)節(jié)。

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（作者單位：青海鴻鑫礦業(yè)有限公司選礦分廠）