高压同步电动机常见故障处理及高压固态软启动装置的应用

王学平

摘要：我公司是高原矿山企业，矿石矿物组合比较复杂，金属矿物主要有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、菱铁矿、赤铁矿、白铁矿等，选矿分厂主要生产铅精矿、锌精矿、铜精矿和硫精矿。磨矿设备驱动选用1台型号为TDMK1800-30G，10KV/1800KW大型三相同步电动机，是选矿分厂非常重要的设备之一，从2017年9月26日运转到2018年3月发现电动机定子铁芯（硅钢片）发热现象，定子某一点温度高达270℃，球磨机停机次数增多，由于电动机起动采用直接合闸起动方式，频繁起动时对电网冲击导致电网不稳定并且出现电动机故障报警等现象，无法正常运行，严重影响生产，为此，在分析研究过后，先用两台轴流风机对电动机定子进行降温处理，对电动机转子与定子间进行间隙调整，控制磨机处理量降低负荷，将电动机定子铁芯温度控制在230℃以内，待采购新电动机到厂替换后再对故障电动机进行检修处理，并把直接合闸起动控制系统改造为高压固态软启动装置。

关键词：同步电动机、定子铁芯（硅钢片）发热、故障报警、电网冲击、高压固态软启动装置

1 引言

在非金属矿山生产工艺过程中，磨矿工艺是选矿工艺的重要组成部分，而同步电动机则是拖动球磨机磨矿生产作业重要的电气设备之一。高压同步电动机运行稳定，可靠，过载能力较强，速度基本不受负载变化而变化，并且能够在领先功率因数下运行，改善电网总功率因数，向电网补偿无功等优点在高压大功率电气驱动领域应用广泛，如球磨机、大型风机、大型离心水泵等，使用多极同步电动机不仅可以提高系统功率因素，更可以省去变速机构，如齿轮变速箱，从而降低系统故障率，简化设备维护检修。

由于同步电动机控制系统比较复杂，长期以来发生同步电动机及其整流装置损坏故障屡见不鲜，同步电动机频繁发生故障，且维修难度大，直接影响安全、可靠、经济、连续及稳定运行，严重影响经济效益，是降低球磨机磨矿作业率的一个重要因素，因此，设备管理人员、技术人员、检修人员必须懂得同步电动机的工作原理，便于能够准确、快速的处理生产过程中出现的故障，提高设备运转率。

2 同步电动机的启停及工作原理

同步电动机主要用于拖动恒定转速的大型机械设备，如球磨机、大型风机、大型离心水泵等。由于同步电动机的启动转矩为零，不能自行启动，所以采用异步启动方法帮助启动，整个启动过程分为异步启动和牵入同步两个阶段。在启动过程中转子绕组是不能投入励磁电流的，否则将增加启动的困难，即发生堵转或者其它故障报警。同时励磁绕组又不能开路，否则启动时励磁绕组上感应出较高的危险电压，使绕组绝缘击穿受损伤。但是，如果将励磁绕组短路，则会产生很大的启动电流，使励磁装置受到损坏。因此，在启动同步电动机时励磁绕组通常是通过灭磁电阻短接的，灭磁电阻约为励磁绕组电阻值的十倍左右。

3 同步电动机启动时的危害因素

3.1对电网的影响

首先，起动时的大电流对电网的冲击几乎类似于三相电源短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使整个电网失去稳定。其次，起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护器误动作，自动控制失灵等故障。

3.2伤害电动机绝缘、降低电动机寿命

首先，大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化，电动机寿命降低。其次，大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。再次，高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压。

3.3电动力对电机的伤害

大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成夹紧装置松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。

3.4对机械设备的伤害

全压直接起动时起动转矩大约为额定转矩的2倍，如此大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速运转磨损甚至打齿，加速风叶疲劳甚至打断风叶等。

4 同步电动机常见故障的分析及处理方法

4.1同步电动机不能正常起动

导致同步电动机不能顺利启动的正常运行的电气故障，是同步电动机本身和励磁装置等多种原因。如定子绕组短路、断路、转子绕组短裂、接地、励磁装置故障、定转子铁芯扫膛等等。

同步电动机的损坏主要表现在：定子绕组端部扎线绑带蹦断，绝缘损坏，连接处开焊；短路环断裂，转子磁极的燕尾契松动，转子绕组线圈绝缘损坏；启动绕组笼条断裂；定子铁芯松动，运行过程中震动过大，噪音过大等等现象。

4.1.1 故障现象特征

公司选矿分厂Φ4000x7000球磨同步电动机（TDMK1800-30G）出现启动困难，每次启动均要在5次以上，才能把同步电动机牵入同步运行，这样反复启动，有时直至产生电磁共振和机械共振，失步报警等，将使同步电动机产生疲劳效應，引起同步电动机损伤，并且逐步积累和发展，加快了同步电动机的故障率，且会波及到连接的机械设备，严重时出现打齿、断轴等事故。

4.1.2分析及处理方法

此类故障容易被误判断为励磁系统原因，因为励磁系统过早投入励磁，就会发生同步电动机堵转现象。所以故认为启动时的震荡现象属励磁装置故障。经过反复调整励磁投入时间、投励环节封锁电压（适当提高了封锁电压）、并对灭磁可控硅导通电压进行多次调整，都不能解决同步电动机启动困难这一难题。因此，我们根据同步电动机启动工作原理，初步分析故障可能在硬件上，即同步电动机启动绕组有问题，于是对球磨同步电动机绕组、铁芯（硅钢片）进行检查，在检查中发现鼠笼条有断裂现象，有连接处过热绝缘层烧焦的情况，导致同步电动机在启动过程不能顺利进行。同时，由于鼠笼条铜条两端受热膨胀，将定子绕组绝缘擦伤，造成定子绕组短路、接地、铁芯变形等。为不影响生产，持续运转同步电动机，我们对转子与定子间间隙进行调整，对发热点进行降温等措施，让同步电动机先稳定运转，等待新电动机到厂更换后返回厂家进行重新组装，重新做绝缘。

4.2同步电动机失步状态的分析

在自由振荡状态，同步电动机的转速、电流、电压、功率以及转矩等均将发生周期性的变化。在正常情况下，自由振荡的幅度被抑制在一定的范围内，不会造成危害，这时同步电动机的转速等于定子旋转磁场的转速。危险的是，一旦自由振荡角频率W0逼近负载转矩基波分量的角频率W1，便会产生共振现象。这时转速的摆幅会迅速增大，而摆脱定子旋转磁场的制约，产生“失步”现象，即工作在异步状态。而失步对同步电动机会造成极大的危害。

一旦失步，转子的转速就低于定子旋转磁场的转速，一个快，一个慢，二者存在着相对运动。在转子的励磁绕组及鼠笼条上就会产生感应电动势，形成较大的感应电流，使鼠笼条长时间发热以至烧断。

4.2.1失步现象的处理方法

为了防止自由振荡角频率W0 接近负载转矩基波分量的角频率W1，即防止上述的共振造成的失步现象，要求同步电动机在额定励磁电流附近运行，不能随意减小励磁电流，以保证自由振荡角频率W0与负载转矩基波分量的角频率W1之比（即W0/W1）在1.2--1.4之间。因为自由振荡角频率W0与励磁电流成正比，减小励磁电流，就降低了自由振荡角频率W0，当自由振荡角频率W0降低到逼近负载转矩基波分量的角频率W1时，就出现前面所说的共振和失步现象。

找到上述原因之后，我们在生产现场进行了多次试验，适当提高励磁电流，将励磁电流控制在额定电流以内，就彻底解决了这一故障。

5 机械故障的分析与处理

5.1机械故障的现象

机械故障是造成同步电动机启动困难的疑难故障之一，是不可忽视的，电气维修人员往往忽视了机械方面的因素，给检修工作带来了许多弯路，浪费了大量时间。

同步电动机在启动过程中发现有点状火花，随着同步电动机转子作圆周运动，同步电动机在启动过程中振动过大，且有异常躁声。

5.2处理方法

重新调整好定、转子气隙达正常值，为避免故障再次出现，在同步电动机底座固定的基础位置安装了定位销，使同步电动机的机座和转子轴承支座在固定位置上，让定、转子气隙获得均匀。

6高压固态软启动装置的应用

6.1起动原理

在软起动器中三相交流电源与被控电动机之间串有三相反并联晶闸管及其电子控制电路，起动时，使晶闸管的导通角从0开始逐渐增大，电动机的端电压便按照预先设置的控制方式从零电压开始逐渐上升，直至达到电源电压。

6.1装置的特点

装置采用组件式结构，模块化安装方式。具有多重过电压吸收、保护技术。瞬态的dv/dt，雷电冲击电压、操作波过电压等暂态过度过程进行多层限幅钳位。对di/dt、启动、停机过程的均压都有独到的措施和方法。采用高抗干扰的数字式触发器，CT隔离传输触发脉冲，使高压装置与低压装置做得一样，安全可靠。

6.2高压固态软启动的优点

6.2.1体积小，结构紧凑，可以节约空间及基建投资；

6.2.2计算机数字控制，功能齐全，便于实现自动控制，远程组网控制；

6.2.3免维护，安全可靠，晶闸管不同于其它类型的产品需经常维护，连续运行数年也无需停机维护，更无爆炸引起高压接地等危险；

6.2.4能实现软停车，可消除骤然停机对大型设备的冲击与损坏，保证设备安全运行，可提高电动机和相关机械设备的使用寿命；

6.2.5无电流冲击，对机械负载的转矩冲击小；

6.2.6负载适应性强，调试方便，可根据负载变化来调整，自由地调整所有参数，从而使得各种负载达到最佳的起动效果；

6.2.7寿命长，晶闸管无触点的电子邮件，一般使用寿命可达十年以上；

7结束语

同步电动机主要故障经常发生在励磁系统上，如果在使用中发生故障或调节失灵，应在停机后仔细检查设备内外有无短路断开现象，快速熔断器是否熔断及热继电器是否动作。然后再根据故障现象，判断故障是在哪一个环节。

参考文献：

[1]陈世坤，电机设计.第二版[M]？北京：机械工业出版社，2004.？

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[5]黄勇，高压固态软启动装置应用中的若干問题，中国高新技术出版社.

（作者单位：青海鸿鑫矿业有限公司选矿分厂）