关于同步电动机运行情况说明

同步电动机，由于其具有一系列优点，特别是能向电网发送无功功率，支持电网电压，已在各行各业得到广泛应用。但是，长期以来发生同步电动机及其励磁装置损坏事故屡见不鲜。由于同步电动机的频繁损坏，直接影响生产的安全、连续及稳定进行，严重影响企业的经济效益，成为一个十分棘手的问题。
一、同步电动机运行中出现的情况
同步电动机损坏主要表现在：定子绕组端部绑线崩断，绝缘蹭坏，连接处开焊；导线在槽口处及端点断裂，进而引起短路；转子励磁绕组接头处产生裂纹，开焊，局部过热烤焦绝缘；转子磁级的燕尾楔松动，退出；转子线圈绝缘损伤；起动绕组笼条断裂；电刷滑环松动；风叶裂断；定子铁芯松动，运行中噪声增大等故障。
按电机的正常使用寿命（指线圈）应在20年左右，若考虑到目前电机运行所带负载及温升等主要技术指标均在额定值以下，电机的正常使用寿命还应更长些。但统计所损坏的同步电动机，运行时间大多在10年以下，有的仅运行2～3年；有的电动机刚大修好，投入运行不到半年又再次严重损坏。不得不采用增加电机备品备件（如线圈等）的方法，一旦发生电机损坏，通过更换备件赶快修复，但是电机损坏事故仍不断发生。
电机损坏率高，人们一般认为是电动机制造质量问题，把问题归结到电机制造厂。为此多家电机制造厂，在制造工艺中对某些部位进行种种加强措施，但效果并不显著，电机损坏事故仍不断出现，原因说不清楚。
几年来，我们通过对本厂同步电动机及励磁装置运行状况进行长期统计、分析和研究，到许多厂家了解同步电动机运行情况，对大量调查研究数据进行数理统计分析；对电机损坏现象作技术分析研究；对电机的起动过程、投励过程、正常运行中的各种典型状态波形进行摄片，对所摄波形特征进行分析；上述各项分析研究结果表明：
导致电机损坏的原因不在电机本身，不是电机制造质量问题所引起，其根本原因在电机外部，是电机所配励磁装置只能满足基本使用功能，技术性能不尽完善所致。
1、 目前所用的可控硅励磁装置，电机每次起动均受损伤
对于主电路为桥式半控励磁装置，其主电路（图-1）所示。

图1半控桥式励磁装置主电路 图2使用半控桥式励磁屏电机起动时转子回路波形


电机在起动过程中，存在滑差，在转子线圈内将感应一交变电势，其正半波通过Z Q形成回路，产生+if； 而其负半波则通KQ及RF回路，产生-if，如（图-2）所示。由于电路的不对称，形成+if与-if电流不对称，定子电流也因此而强烈脉动，电机将遭受脉振转矩强烈振动，甚至在整个大厅内都可以听到电机起动过程发出的强烈振动声。这种声音一直持续到电机起动结束才消失，电机起动过程所受强烈脉振是电机损伤的重要原因之一。电机起动过程中定子电流及转子电流变化波形如（图-3）及（图-2）所示。

图3电机起动过程中定子电流波形 图4全控桥式励磁装置主电路

对于全控桥（图-4），随着电机起动过程滑差减小，转子线圈内感应电势逐步减小，当转速达到50%以上时，励磁回路感应电流负半波通路不畅，将处于时通时断，似通非通状态，同样形成+if与-if电流不对称，由此同样形成脉振转矩，造成电机产生强烈振动，损伤电机。
无论是全控桥，还是半控桥，电机起动过程投励时往往听到一声沉闷的冲击声，且起动投励时投励电流越大，声音越响。一般可用减小励磁的方法来减轻电机的冲击，待电机起动结束后，方将励磁调正常。这是由于目前所用的可控硅励磁装置投励时所选择的“转子位置角”极不合理。这种冲击，同样使电机遭受损伤。
由于可控硅励磁装置本身存在的上述缺陷，使电机在每次起动过程中均遭受强烈脉振，在投励时遭受冲击损伤，但并不是一次就使电机当场损坏，而是每次启动都使电机产生疲劳效应，造成电机内部暗伤，并逐步累积，发展成电机的内部故障。
上述电机起动过程中所出现的脉振，投励时受的冲击，是由于励磁装置起动回路及投励环节设计不合理所造成，通过改善起动回路及投励时合理选择转子位置角，起动过程中的脉振和投励冲击现象完全可以消除。
2、传统可控硅励磁装置无可靠的失步保护装置，使电机不断受到失步危害损坏。
传统可控硅励磁装置采用GL型反时限继电器“兼作失步保护”，而电机“过负荷”与电机“失步”是完全不同的两个概念，通过分析电机失步时的暂态过程，现场试验及实拍电机失步的暂态波形，可以充分证明：用过负荷继电器兼作失步保护，当电机失步时，它不能动作，有的虽能动作，但动作时延大大加长，实际上起不到保护作用。
同步电机的失步事故分为三类：即失励失步、带励失步和断电失步。
失励失步是由于励磁系统的种种原因，使同步电动机的励磁绕组失去直流励磁或严重欠励磁，使同步电动机失去静态稳定，滑出同步。电机发生失励失步时，丢转不明显，负载基本不变，定子电流过流不大，电机无异常声音，GL型继电器往往拒动或动作时间大大加长。失励失步一般不能被值班人员及时发现，待发现电机冒烟时，电机已失步了相当长时间，并已造成了电机或励磁装置的损伤损坏。
应当指出的是，电机的失励失步，大多不当场损坏电机，而是造成电机设备的内部暗伤，经常出现电机冒烟后，停机检查，往往又查不出毛病，电机还能再投入运行。
失励失步主要会引起电机转子绕组，尤其是起动绕组（阻尼条）的过热、变形、开焊，甚至波及到定子绕组端部。电机失励失步时在转子回路还会产生高电压，造成励磁装置主回路元件损坏，引起灭磁电阻发热，严重时甚至造成整台励磁装置烧坏事故。
带励失步，是由于供电线路遭受雷击，避雷器动作；大机组或机组群起动，相邻母线短路等引起母线电压大幅度波动；负载突增（如压缩机憋压，轧钢机咬冷钢）；运行中，电机短时间欠励磁或失励磁（如接插件接触不良）引起失励失步，从失励失步过渡到带励失步，电机起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。
电机在带励失步时，励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流（包络线）强烈脉动，电机亦遭受强烈脉振，有时甚至产生电气共振和机械共振。带励失步大多引起电机产生疲劳效应，引起电机内部暗伤，并逐步积累和发展。带励失步所造成电机损伤主要表现在：定子绕组绑线崩断，导线变酥，线圈表面绝缘层被振伤（线圈两面呈不均匀的锯齿状，严重时会因绝缘损坏而造成定子钢芯击穿而新线圈表面是平的），并逐步由过热而烤焦、烧坏，甚至发展成短路；转子励磁绕组接头处产生裂纹，出现过热、开焊、绝缘烤焦；鼠笼条（起动绕组）断裂，与端环连接部位开焊变形；转子磁极的燕尾楔松动，退出；电刷滑环松动；定子铁芯松动，运行中嗓声增大；严重时甚至出现断轴事故。由于电机和主机是同轴运行，电机的强烈脉振，同样会波及到主机损伤，如紧固螺丝断裂等。
断电失步是由于供电系统自动重合闸ZCH装置或备用电源自动投入BZT装置动作，及人工切换电源，使交流电机供电电源输送渠道短暂中断而导致。它对电机的危害是非同期冲击。这种冲击的大小，与系统容量，线路组抗、电源中断时间、负载性质，特别是与电源重新恢复瞬间的电气分离角有关。所以这种冲击有可能使电机当场损坏，也有可能根本感觉不到。对于380V低压同步电动机，所在电网一般容量不是很大，加上变压器及线路阻抗相对较大，所以断电失步对电机的冲击有限，一般可不加装断电失步保护。
3、传统可控硅励磁装置，控制部分技术性能太差，同样影响电机使用寿命。
本厂在使用可控硅励磁装置中感到，励磁装置故障率太高，经常出现起动可控硅KQ误导通，接插件接触不良，脉冲丢失，三相电流丢波缺相，不平衡，励磁不稳定，甚至直接引起电机失励等故障，这是由于该励磁装置在控制部分存在种种缺陷，电机运行的可靠性也因此得不到保障，它同样是引起电机损伤的重要原因。

二、提高同步电动机运行可靠性所采取的技改措施
同步电动机故障率太高，统计并分析所损坏的同步电动机，绝大部分都是励磁屏技术性能太差所导致。要提高同步电动机运行的可靠性，必须对老式励磁屏用较少的投资进行适当改造，消除电机起动过程中的脉振、投励的冲击，增装可靠的失步保护，解决运行中原控制插件经常出现接插件接触不良、欠励、缺相、丢波、三相不平衡、励磁不稳定、灭磁性能差等技术问题。鉴于上述情况，我们经过分析、研究、攻关、针对造成电机损坏的根本原因，研制成功LZK-1型同步电动机综合控制器，并以此作为核心控制部件，成功地对原励磁屏进行了技术改造，同时在此基础上，研制成功新一代LZK系列型同步电动机成套励磁屏。
在制定对老式励磁屏改造的方案时，充分考虑工厂现场的实际应用情况，采用现代控制技术及理论，吸取国内外励磁装置制作厂商众家之长，做到设计原理新颖成熟、功能齐全、控制手段先进、现场改造方便、运行可靠、维修简便。