同步電動機轉子失磁故障的影響分析

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(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

增安型無刷勵磁同步電動機廣泛應用于石油、化工、化肥、煤炭等行業，用于拖動往復式壓縮機。往復式壓縮機負載的力矩特性較為特殊，其負載轉矩大小隨曲軸角度變化并呈周期性波動。這種周期性波動的負載使同步電動機轉子發生微觀振蕩[1]，所以轉子上的零部件容易發生疲勞損傷，發生轉子勵磁電纜接頭斷裂、磁極引線斷裂等事故。事故發生后勵磁回路被斷開，轉子勵磁電流為零。無刷勵磁同步電動機采用同軸旋轉的勵磁發電機經整流后提供給轉子勵磁，勵磁柜供電、勵磁發電機發電、三相橋式整流電路整流等環節上，也可能存在故障的問題，從而導致轉子失去勵磁。

在以上事故發生后，轉子瞬間失去勵磁，這種突發情況打破了電機的穩態運行，會因轉子突然開路而產生更大的問題和事故。本文對同步電動機轉子突然開路的狀態進行分析，對可能產生的連續事故和影響進行分析。

1 失磁狀態的有限元建模

以一臺1000kW-18極無刷勵磁同步電動機為例，采用有限元軟件進行建模，電機型號為TAW 1000-18/2150，電機功率為1000kW，極數為18，轉速為333r/min，電壓為10kV，功率因數為0.9(超前)，效率為0.94%。電機模型如圖1所示。

圖1 同步電動機模型

在瞬態場分析中，將模型簡化為整個電機的1/18的單元電機模型，并進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 單元電機模型網格劃分

在激勵源中，將定子三相繞組設置為三相交流電壓源，將勵磁繞組設置為電流源，使用if語句將勵磁繞組電流值設置為關于時間的函數，current=if(time≥3，0A，128A)，即當時間在3s以內，勵磁電流為128A，當時間達到3s開始，勵磁電流為0A。

此模型是模擬同步電動機運行過程中轉子勵磁回路突然開路的狀態，此后勵磁電流為零，同步電動機失磁運行。這種模型狀態用于模擬同步電動機轉子引線斷裂事故、磁極引線斷裂事故、勵磁模塊故障等事故狀態。

2 失磁狀態的分析

同步電動機在額定負載工況下穩定運行，當時間為3s的時刻，轉子繞組突然開路，此后同步電動機進入失磁狀態，電機的定子電流大幅波動，定子電流的峰值為額定電流的2.6倍左右，如圖3所示。

圖3 定子電流-時間曲線

電機的轉矩-時間曲線如圖4所示，可以看出，在3s以前，電機的電磁轉矩相對平穩，當轉子繞組突然開路后，電磁轉矩大幅波動，轉矩數值忽大忽小，電機運行不平穩，此時電機在旋轉方向上將出現抖動現象。

圖4 轉矩-時間曲線

電機的轉速-時間曲線如圖5所示，在轉子繞組開路后，轉速下降并伴隨著轉速波動，此時電機運行狀態為失步狀態。電機轉速的波動會引起電機的振動，可以通過現場振動監測來判斷此時電機發生了故障。

圖5 轉速-時間曲線

根據勵磁繞組電壓-時間曲線，可以分析同步電動機失磁運行時勵磁繞組的開路電壓，此時轉子勵磁繞組開路電壓的峰值為1.2kV左右，如圖6所示，開路電壓較大，容易引起絕緣損傷、放電和火花。

圖6 勵磁繞組電壓-時間曲線

電機的阻尼環電流-時間曲線如圖7所示，可以看出電機失磁運行后，阻尼環電流大幅度波動，并且電流值較大，電流峰值達到5000A左右。電機失步運行，阻尼繞組切割定子旋轉磁場產生異步轉矩，這種狀態下阻尼條和阻尼環中電流較大，持續發熱，如果失步運行的時間較長，容易發生阻尼繞組燒壞、燒熔的情況。

圖7 阻尼環電流-時間曲線

3 同步電動機失磁的影響

在運行過程中的同步電動機，由于轉子勵磁回路某處斷路或接觸不良、勵磁繞組匝間短路、勵磁機或晶閘管勵磁系統發生故障等原因，造成轉子失去直流勵磁電流，使轉子磁場消失，這種狀態即為失磁狀態[2]。

圖8為勵磁繞組開路后，磁極絕緣托板損壞的事故。圖9為電機較長時間失步運行后阻尼條損壞的事故。

圖8 轉子磁極絕緣損壞

圖9 阻尼條損壞

同步電動機正常運行時，電磁轉矩與軸上的負載轉矩相平衡。失磁時，轉子繞組開路，產生較大的感應電壓，由于轉子磁場突然衰減，電磁轉矩也突然降低，此時電機失步運行，轉子與定子旋轉磁場有了相對運動，阻尼繞組切割定子旋轉磁場，產生電流和異步電磁轉矩[3]。

同步電動機失步后，阻尼繞組有很大的電流流過，引起阻尼繞組發熱，容易導致阻尼條斷裂和開焊的現象。此時勵磁繞組的開路電壓較大，容易發生匝間短路、匝間絕緣損壞、轉子繞組接地等間接故障。

4 結語

本文對同步電動機的失磁狀態進行分析和研究，在失磁狀態下，勵磁繞組的開路電壓較大，具有再次發生間接事故的風險，并且如果不盡快采取措施，長時間在失磁狀態下運行，會導致電機阻尼條損壞，所以同步電動機的失磁狀態必須加以重視和監測。通過仿真分析，在突然失磁狀態下，電機的定子電流波動較大，電流峰值增加，電機轉速下降并失步運行，因此可以通過對電機定子電流、轉速和振動的監測來判斷失磁狀態的發生，并盡快停機，減少損失。