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　　同步電動(dòng)機和感應電動(dòng)機一樣是一種常用的交流電動(dòng)機,但同步電動(dòng)機轉速恒定并具有補償功率因素,能向電網(wǎng)發(fā)送無(wú)功功率,可以有效的改善電網(wǎng)質(zhì)量,在我國各行各業(yè)得到了廣泛的應用。但相較于異步電動(dòng)機,同步電動(dòng)機的故障率更高,尤其是轉子回路中的可控勵磁裝置在使用一段時(shí)間后電子元件老化會(huì )使性能降低,極容易發(fā)生各類(lèi)故障,影響生產(chǎn)和設備的安全穩定。我們就九曲河樞紐管理處所使用的電動(dòng)機是額定電壓6000V,功率1000千瓦,150轉每分鐘,在實(shí)際運行中也經(jīng)常發(fā)生故障。下面,本文結合多年來(lái)的使用經(jīng)驗,針對高壓同步電動(dòng)機常見(jiàn)故障,就其故障原因和解決措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。
　　高壓同步電動(dòng)機以其功率因數高、運行轉速穩定、低轉速設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率電氣驅動(dòng)領(lǐng)域有著(zhù)大量的應用，如大功率風(fēng)機、水泵、油泵等。對于大功率低速負載，如磨機、往復式壓縮機等，使用多極同步電動(dòng)機不僅可以提高系統功率因數，更可以省去變速機構，如齒輪變速箱，降低系統故障率，簡(jiǎn)化系統維護。
　　由于同步電機物理過(guò)程復雜、控制難度高，以往的高壓同步電機調速系統必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統的可靠性較低。
　　單元串聯(lián)多電平型變頻器由于具有成本低，網(wǎng)側功率因數高，網(wǎng)側電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無(wú)畸變，可靠性高等特點(diǎn)，在高壓大容量異步電機變頻調速領(lǐng)域取得了非常廣泛的應用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應用于同步電動(dòng)機將有效地提高同步電機變頻調速系統的可靠性，降低同步電機變頻改造的成本，提高節能改造帶來(lái)的效益，同時(shí)也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開(kāi)一個(gè)廣闊的新市場(chǎng)。國電四維技術(shù)人員經(jīng)過(guò)大量的理論分析、計算機仿真和物理系統實(shí)驗，解決了變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機的諸多關(guān)鍵問(wèn)題，已于2012年底成功地將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應用于唐山德龍鋼鐵有限公司的4200kW/10kV同步電動(dòng)機上。以下將簡(jiǎn)要介紹實(shí)際應用中的主要技術(shù)問(wèn)題。
　　2.同步電動(dòng)機的工頻起動(dòng)投勵過(guò)程
　　為了更好的說(shuō)明同步電機的運行特點(diǎn)，先對同步電機的工頻起動(dòng)投勵過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
　　在電網(wǎng)電壓直接驅動(dòng)同步電機工頻運行時(shí)，同步電動(dòng)機的起動(dòng)投勵是一個(gè)比較復雜的過(guò)程。當同步電機電樞繞組高壓合閘時(shí)，通過(guò)高壓斷路器的輔助觸點(diǎn)告知同步電機的勵磁裝置準備投勵。此時(shí)，勵磁裝置自動(dòng)在同步電機的勵磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，以防止勵磁繞組上感應出高壓，同時(shí)在起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉矩。同步電機電樞繞組上電后，在起動(dòng)繞組和連有滅磁電阻的勵磁繞組的共同作用下，電機開(kāi)始加速。當速度到達95%的同步轉速時(shí)，勵磁裝置根據勵磁繞組上的感應電壓選擇合適的時(shí)機投入勵磁，電機被牽入同步速運行。如果同步電機的凸極效應較強、起動(dòng)負載較低，則在勵磁裝置找到合適的投勵時(shí)機之前，同步電機已經(jīng)進(jìn)入同步運行狀態(tài)。在這種情況下，勵磁裝置將按照延時(shí)投勵的準則進(jìn)行投勵，即高壓合閘后15秒強行投勵。
　　3.變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機時(shí)的起動(dòng)過(guò)程
　　用變頻器驅動(dòng)同步電機運行時(shí)，使用與上述方式不同的起動(dòng)方式：帶勵起動(dòng)。
　　在變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵磁裝置向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，然后變頻器再向同步電機的電樞繞組輸出適當的電壓，起動(dòng)電機。
　　同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是同步電機在運行時(shí)，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步。
　　變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機的起動(dòng)過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：
　　第一步，勵磁裝置投勵。勵磁系統向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，在同步電機轉子上建立一定的磁場(chǎng)。
　　第二步，變頻器旋轉其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著(zhù)同步電機轉子的轉動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉，轉子磁極將在某一時(shí)刻掠過(guò)定子的異性磁極，或者轉子磁極加速追上旋轉的定子磁極。
　　第三步，變頻器按照預先設定的加速度和V/F曲線(xiàn)，調節輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機的轉子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動(dòng)過(guò)程完成。
　　4.變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機的穩態(tài)運行與運行時(shí)的勵磁調節
　　由于變頻器驅動(dòng)同步電機時(shí)使用無(wú)需安裝速度/位置傳感器的控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機時(shí)的波形相同，因此在運行過(guò)程中，變頻器可以完全等效于一個(gè)正弦電壓源，無(wú)轉矩脈動(dòng)，具有較高的可靠性。
　　由于同步電機的無(wú)功電流僅在電機和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而無(wú)須對電機的勵磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機運行的典型工況下，手動(dòng)調節其勵磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數近似為1，然后調速運行過(guò)程中維持該電流不變即可。對于需要在運行時(shí)實(shí)時(shí)調整勵磁電流的工況，變頻器可以實(shí)測其輸出給同步電機的無(wú)功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調整勵磁電流。
　　5.同步電動(dòng)機的故障滅磁
　　在遇到故障時(shí)，如果僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵磁電流，則旋轉中的同步電機將持續地向其定子側發(fā)出三相交流電壓，危害設備安全，并可能造成事故的擴大。因此在遇到嚴重故障需要停機時(shí)，變頻器必須通知勵磁裝置進(jìn)行滅磁。
　　6.唐山德龍鋼鐵公司的現場(chǎng)應用情況簡(jiǎn)介
　　此次進(jìn)行變頻改造的是唐山德龍鋼鐵公司燒結車(chē)間的主抽風(fēng)機，驅動(dòng)風(fēng)機的是一臺4200kW/10kV同步電動(dòng)機，其相關(guān)參數如下：

　　變頻器選用國電四維同步電機變頻調速系統，旁路方案選用一拖一手動(dòng)旁路柜，如下圖所示。

　　工頻運行時(shí)，QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合，同步電機的起動(dòng)、運行、停車(chē)過(guò)程按照原有邏輯進(jìn)行。
　　變頻運行時(shí)，QS3斷開(kāi)，QS1、QS2閉合，變頻器上電時(shí)，斷路器QF閉合，經(jīng)過(guò)約20秒延時(shí)后，勵磁裝置向同步電機投入勵磁電流，然后從現場(chǎng)向變頻器下達“啟動(dòng)”命令，變頻器按照預設的邏輯向同步電機輸出電壓，同步電機起動(dòng)。
　　變頻停機時(shí)，從現場(chǎng)向變頻器下達“停機”命令，變頻器停止輸出電壓，分斷斷路器QF，由其輔助觸點(diǎn)通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關(guān)閉勵磁裝置電源。
　　遇到故障時(shí)，變頻器在停止電壓輸出的同時(shí)，立即分斷斷路器QF，由其輔助觸點(diǎn)通知勵磁裝置立即滅磁。
　　7.小結
　　單元串聯(lián)多電平型變頻器在同步電動(dòng)機上應用的成功實(shí)現，擴展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)的應用領(lǐng)域，也擴大了國家能源節約政策的實(shí)現途徑，為我國建設節約型社會(huì )提供了更多的技術(shù)保障。
(責任編輯：陳紅霞)
    1、 故障現象
    正昊化纖材料有限公司空壓站共有8臺空壓機，承擔著(zhù)整個(gè)生產(chǎn)裝置供氣的任務(wù)，確保空壓機的長(cháng)、滿(mǎn)、安、穩、優(yōu)運行十分重要。
    2001年6月7日，操作人員發(fā)現高壓配電室內有焦糊味，4#空壓機定子電流勵磁電流波動(dòng)大，按停車(chē)按鈕和現場(chǎng)緊急停車(chē)按鈕均無(wú)法使空壓機停運，斷路器拒分，跳閘線(xiàn)圈燒毀。立即用斷路器機械緊急跳閘裝置停車(chē)，使斷路器斷開(kāi)。
    2、 故障分析
    空壓機采用KGLFⅡ型晶閘管勵磁裝置，為6Kv高壓同步機提供直流勵磁。高壓斷路器采用SN10-10型號少油斷路器。引起斷路器跳閘的原因一般是：（1）電源低電壓保護；（2）過(guò)流速斷保護；（3）空壓 機故障；（4）勵磁柜故障。
    SN10-10型斷路器采用CD10型電磁操作機構。正常情況下，分閘回路是靠與機構聯(lián)動(dòng)的輔助開(kāi)關(guān)切斷的，若遇以下情況可能造成分閘線(xiàn)圈燒毀：（1）機構卡澀。（2）機構調整不當。（3）輔助開(kāi)關(guān)調整不當。
    從現場(chǎng)情況來(lái)看，跳閘線(xiàn)圈的絕緣將鐵芯粘住，接通跳閘線(xiàn)路后，跳閘鐵芯無(wú)法向上沖擊連桿機構，四連桿機構無(wú)法動(dòng)作，使分閘線(xiàn)圈長(cháng)期帶電，造成分閘線(xiàn)圈燒毀。
    什么原因引起斷路器跳閘呢？分析認為低電壓信號與其他幾臺高壓同步機引自同一高壓PT柜，而其他幾臺高壓同步機運行正常，不可能引起此故障；排溫、水壓、油壓從現場(chǎng)觀(guān)測看指標均正常；通過(guò)對高壓同步機及高壓電纜的搖測看，均合格且過(guò)流保護繼電器也沒(méi)有動(dòng)作、掉牌報警，因此引起高壓斷路器跳閘的原因只有勵磁柜故障了。
該勵磁裝置的脈沖信號是通過(guò)移相位信號與電壓負反饋信號綜合后，形成移相控制電壓加到脈沖產(chǎn)生環(huán)節，控制輸出直流電壓的高低。用示波器觀(guān)察輸出電壓波形，脈沖產(chǎn)生電路和整流晶閘管工作正常。接著(zhù)檢查移相給定電路。
    用萬(wàn)用表測量移相環(huán)節輸出，發(fā)現輸出電壓時(shí)高時(shí)低，檢查給定電壓部分一切正常。用萬(wàn)用表測量電壓負反饋輸出端電壓忽大忽小，可能是電位器接觸不良。經(jīng)查電位器引出焊片和電阻體鉚接處有松動(dòng)，致使輸出端時(shí)高時(shí)低不穩定。
    認真檢查勵磁裝置回路，發(fā)現一快速熔斷器熔斷，同步機碳刷粉末堆積很多，有放電痕跡。原來(lái)是勵磁裝置移相環(huán)節中電壓負反饋信號不穩定，造成勵磁電壓突然升高，致使碳刷粉堆積過(guò)多的集電環(huán)對地斷路，引起快速熔斷器熔斷，微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，高壓斷路器跳閘。由于跳閘鐵芯卡澀無(wú)法斷開(kāi)熔斷器輔助觸點(diǎn)，而將熔斷器線(xiàn)圈燒毀，最終導致高壓熔斷器拒分，空壓機無(wú)法停車(chē)。
    3、 故障處理
  （1） 重新繞制跳閘線(xiàn)圈并浸漆烘干，清掃鐵芯干凈，裝配好跳閘線(xiàn)圈。
  （2） 檢查軸銷(xiāo)有無(wú)銹蝕，轉動(dòng)是否靈活，加注潤滑油。
  （3） 檢查定位止釘的鎖母有無(wú)松動(dòng)，將止釘位置調到110%額定合閘電壓能合上，而65%額定分閘電壓能順利分閘試驗，并對松動(dòng)鎖母進(jìn)行堅固處理。
  （4） 調整輔助開(kāi)關(guān)與水平線(xiàn)成45°角。
  （5） 重新鉚緊電位器。
  （6） 清掃粉末，去除碳化部分并進(jìn)行絕緣處理。
  （7） 更換快速熔斷器。
  （8） 重新調試勵磁裝置，各保護裝置聯(lián)動(dòng)試車(chē)一切正常。

實(shí)例分析
    我們公司有4臺高壓10KV3500kw電機，我不明白的是為什么要把功率因數調到超前0.94，而不是電力公司定的0.92以上就可以了，功率因數超前有什么危害，還有是什么好處？
    功率因數超前會(huì )似整個(gè)電網(wǎng)的電壓升高，如果供配電設備的絕緣效果跟不上，會(huì )造成絕緣層擊穿，嚴重的會(huì )引起相間短路。
    因為電路中還有其它的電感性負載，將同步電機功率因數超前，相當于電容性負載，可以補償電路中其它電感性負載，使整體電路的功率因數更接近于1，相當于起到補償電容的作用。
    整個(gè)電網(wǎng)都超前？這幾乎是不可能的，因為整個(gè)電路中感性負載太多了，如果整個(gè)電路真的超前，那確實(shí)沒(méi)有什么好處。

三相高壓同步電動(dòng)機勵磁裝置故障失磁后，電機能否變異步運行？
    如果勵磁回路的滅磁電阻正常接入，且負載較小，不會(huì )導致勵磁線(xiàn)圈交流電流過(guò)大，可以正常運行；若負載太大，長(cháng)期異步運行會(huì )使電動(dòng)機勵磁線(xiàn)圈電流過(guò)大，會(huì )發(fā)熱燒壞的。
    同步電機勵磁失磁的話(huà)，如果勵磁回路的滅磁電阻不能正常接入，即使負載不大，勵磁繞組無(wú)電流可能造成轉子上的阻尼條燒壞。
    同步電機勵磁失磁的話(huà)若是負載情況下決不可運行。因為這樣可能造成轉子上的阻尼條燒壞。