同步電動機勵磁系統維護及故障處理

摘 要：同步電動機作為大型機組的主電機應用越來越廣泛，和異步電動機相比，其組成結構和控制系統比較復雜，文章就同步電動機的勵磁系統的正常維護和故障處理進行探討。

關鍵詞：同步電動機；勵磁系統；維護；故障處理

1 前言

同步電動機具有轉速恒定、功率因數可調、抗過載能力強以及轉矩受電源電壓影響較小等優點，尤其是應用無刷勵磁技術的同步電動機取消了滑環、碳刷， 無火花產生， 廣泛應用在石油、化工等易然易爆的場所。基于上述優點，在聚烯烴造粒機組和空分廠壓縮機等大型機組越來越多的采用同步電動機拖動。

同步電動機按照結構形式可以分為旋轉電樞式和旋轉磁極式同步電動機，旋轉磁極式按照磁極的結構不同又分為凸極式和隱極式。對于高速旋轉的同步電機，在轉子結構上采用隱極式；對于低速旋轉的電機，由于圓周速度較低，離心力較小，采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構。本文主要針對某廠采用的西門子無刷勵磁凸極式高壓同步電動機勵磁系統的工作原理、系統維護及故障處理進行探討。

2 同步電動機勵磁系統工作原理

同步電動機的勵磁系統可以分為勵磁控制盤和旋轉勵磁機兩部分。其中勵磁控制盤負責檢測同步電動機的運行狀態和控制旋轉勵磁機的輔助勵磁電流，進而控制轉子電流和轉子電磁力矩；旋轉勵磁部分負責控制同步電動機轉子的勵磁電流和限流電阻的投退等。

待電機以異步電動機形式啟動穩定后，勵磁柜的PLC接到電動機速度傳感器傳來轉速n>96%nN和由電流變送器傳來的電流信號I<120%IN，由PLC控制勵磁柜內的直流輸出裝置DC-MASTER 6RA70輸出輔助勵磁電流投勵磁；輔助勵磁電流投入時以固定勵磁的方式先輸出2秒1.2倍額定輔助勵磁電流強勵，將電動機由異步態強行拉至同步運行，之后輔助勵磁電流降至80%額定輔助勵磁電流，之后5秒鐘之內由旋轉勵磁機內的觸發器控制切斷勵磁繞組上短接的限流電阻RZ，同時安裝在勵磁柜上的多功能表檢測同步機的無功功率QZ>1%QN，則證明電機已經進入同步狀態。2秒鐘之后，輔助勵磁的控制方式由原來的固定勵磁轉換為在勵磁柜上PLC內設置的cos ∮控制模式控制。

3 同步電動機勵磁系統維護步驟

同步電動機勵磁系統維護可以分為兩部分，勵磁柜維護和旋轉勵磁部分維護。

3.1 勵磁柜維護

勵磁柜維護包括檢查柜面指示儀表、信號燈具應完好無損、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、組合開關接觸是否良好，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；接點動作是否可靠。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、脫焊現象；插接頭、座的接觸片應有彈性，無斷裂，膠木無裂紋、炭化和放電痕跡。檢查熔斷器、擊穿保險器是否熔斷或擊穿，接觸應良好，無過熱，瓷質套無裂紋，熔斷指示器指示正確。勵磁柜控制回路和保護回路絕緣檢查。

3.2 旋轉勵磁部分維護

旋轉勵磁備份維護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、觸發器無變形、變色現象，連接處接觸良好。檢查限流電阻有無斷絲、過熱變色，電阻值是否在規定范圍內；瓷質絕緣子外觀良好，無放電痕跡，接線接觸良好。二極管、晶閘管性能測試，觸發器性能測試。勵磁線圈絕緣測試，絕緣電阻不應小于2MΩ。（1）二極管測試。利用萬用表根據二極管正向導通反向不導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，至少應相差百倍為宜。注意數字表的電阻擋不能用來測量二極管和三極管，必需用二極管擋。（2）晶閘管測試。用萬用表R×1kΩ檔測量晶閘管陽極A與陰極K之間的正、反向電阻，正常時均應為幾兆歐（MΩ）；若測得A、K之間的正、反向電阻值為零或阻值均較小，則說明晶閘管內部擊穿短路或漏電。測量門極G與陰極K之間的正、反向電阻值，正常時應有類似二極管的正、反向電阻值，即正向電阻值較小（小于2kΩ），反向電阻值較大（大于80kΩ）。若兩次測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）觸發器測試。用一只直流通斷測試儀，測量端子之間的電阻，如果測量施加的電壓為1.5V，在所示的極性之間測量的電阻值應該為幾千歐姆（kΩ），按相反的極性測量時，測得的電阻應當為無窮大。如果所有電極之間測得的電阻值均為無窮大，則觸發裝置就存在故障，必須予以更換。

4 同步電動機勵磁系統故障處理

4.1 勵磁系統停

（1）輔助勵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；輔助勵磁定子線圈是否故障。檢查勵磁柜電源供電是否正常； 檢查DC-MASTER 6RA70是否報故障停機；檢查多功能表UMG507是否檢測準確，工作正常；通過操作面板OP277事件記錄器查看PLC是否發出報警。是否有保護動作或連鎖停機信號發生。案例1：某年春季因“晃電”造成系統供電電壓波動，10kV、6kV、0.4kV電動機均未停車，僅有同步電動機勵磁柜輸出電流降為零使勵磁部分停導致同步機停車。經檢查為DC-MASTER 6RA70停導致輔助勵磁輸出停止，檢查6RA70內部設定值發現，當供電電壓下降至正常值85%時，DC-MASTER 6RA70停機。后通過為勵磁柜增加UPS電源，消除了電壓波動對DC-MASTER 6RA70的影響，從而保證了電壓波動時勵磁部分不受到影響。案例2：某次同步機因勵磁系統停導致停機，經檢查勵磁柜操作面板的時間記錄，PLC與操作面板OP277出現“通訊中斷”報警。此報警屬于報警類信息，不會直接導致勵磁停，只有PLC和6RA70報故障類信息才能導致勵磁系統停機。經檢查，勵磁柜的狀態信號“報警”和“故障”兩組信號線并接后按“勵磁柜故障”信息傳給上級控制系統。當“通訊中斷”發生時，上級控制系統按“勵磁柜故障”連鎖停同步機，導致此次停車。后將“報警”和“故障”兩個信號分開，當“報警”信號在勵磁柜上出現時，可以根據報警信息的提示來查找相應部位狀況并進行處理，從而減少同步機的停機事件發生。（2）勵磁機線圈故障。勵磁線圈斷路或短路，可以通過目視檢查并測量線圈回路，可以檢查出勵磁線圈情況。（3）轉子線圈故障。轉子線圈斷路或短路，可以通過目視檢查并測量線圈回路，可以檢查出轉子線圈情況。（4）二極管擊穿。用一個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試儀來探測發生故障的可控硅。（7）觸發器故障。觸發器為同步機旋轉勵磁部分的核心，有其控制旋轉勵磁部分的正常工作。因其是西門子同步機的核心裝置，無法修復，故檢測發生故障后，更換觸發器即可。

4.2 勵磁電流異常

（1）勵磁輸出電流太小。勵磁輸出電流過小則會引起電機因勵磁欠勵導致同步機失步停機。輸出電流過小可能的原因有：勵磁供電電源異常；DC-MASTER 6RA70參數設置錯誤或運行異常，導致輸出輔助勵磁電流過小；多功能表UMG507故障，不能真實檢測同步機的電壓、電流及功率因數；旋轉勵磁部分個別晶閘管開路。對于檢測發現異常的部件，應予以更換。

（2）勵磁輸出電流太大。旋轉勵磁部分故障，導致轉子電磁力矩減小，導致勵磁電流增加。應檢查旋轉勵磁部分二極管和晶閘管性能，更換故障的元件。案例3：在一次正常停機后，再啟動時發現該電機空載輔助勵磁電流由原來的10A增大到20A（額定電流是58A），稍加負載后，電流即緩慢上升，幾秒鐘后，因過電流而保護停機。檢查負荷無問題，高壓柜控制正常，增大輔助勵磁繞組勵磁電流時，電機定子電流減小。故障分析處理：因電機能正常啟動，說明電機控制回路基本正常，問題可能出在勵磁回路，根據同步電動機的特性：如果在欠勵區，勵磁電流增加，電機定子電流減小，由上述現象，得到電機工作在欠勵狀態。檢查勵磁柜供電電壓、多功能表、直流裝置DC-MASTER均正常，所以問題可能在旋轉勵磁部分。檢查發現可控硅故障，引起勵磁繞組一相短路，產生欠勵導致電磁轉矩變小。

4.3 輔助勵磁輸出電流波動

（1）系統供電電壓偏低，檢查供電電壓是否異常。（2）供電線路附近有強磁場干擾，應檢查供電線路的屏蔽情況，做好屏蔽層接地。（3）同步機勵磁線圈中存在匝間短路。檢查勵磁線圈的絕緣和直阻，對比三相線圈直阻差別及與歷史數據對比判斷，確認是否存在匝間短路。（4）從正常運行值突然減小到某一值，時而又恢復到正常運行值，或者多次減小與返回，其變化特點增減值為一常數，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特性變壞或者插接件接觸不良，加以消除。（5）轉子線圈故障，轉子線圈存在匝間短路，導致電磁力矩存在波動，導致輔助勵磁電流存在波動。

4.4 旋轉勵磁裝置內部異常過熱

大多是運行中滅磁回路誤導通，限流電阻接入散發大量熱量所致；若多次出現，則應更換觸發器，并檢查限流電阻外觀和電阻值是否正常。

5 結束語

通過對勵磁系統的深入了解，掌握各部分的功能和故障處理方法，從而可以及時準確的排除勵磁系統出現的各種問題，保障設備長期穩定運行。

參考文獻

[1]西門子高壓同步電動機說明書《Three-phase synchronous motor Salient pole rotor》.

[2]石油化工設備維護檢修規程編制委員會編.石油化工設備維護檢修規程.第六冊.電氣設備.中國石化出版社.