论现行无刷同步电动机励磁系统技术性能缺陷

减少电机故障损坏、提高电机运行可靠性、
提高企业经济效益重要技术措施

——论现行无刷同步电动机励磁系统技术性能缺陷及失步再整步对电机的重大影响

调查统计资料表明当前我国化肥、石化、钢铁等企业生产中电机损坏及励磁故障太多太频，严重影响工厂的经济效益及能耗、物耗指标，按照目前人们的习惯认识，很自然地首先考虑到电机制造的质量问题，把矛盾归结到电机制造厂。而电机制造厂虽然作了很大努力，但效果并不显著，事故损坏仍不断出现，因而对此也迷惑不解，说不清楚。经过对电机运行情况及故障损坏情况研究分析，充分证明：导致电机根本损坏的原因不在电机本身，不在电机内部、而在电机外部，在于目前所配励磁装置的有关技术性能太差，还在于电机未装合理的失步保护及不根据具体情况错误地进行失步再整步所造成。这些因素对电机所造成的损伤和损坏并非由于过电流所引起的过热而烧坏电机，而主要在于定子磁场和转子磁场在不同步条件下的相互作用，致使电机遭受强烈脉振和冲击（最严重时电机遭受的冲击转矩为电机额定转矩的三十倍左右，这是电机所不能承受的）。表现为：定子绕组端头绑线崩断、绝缘损坏、并逐步过热而烤焦、烧坏，甚至发展成为短路；转子励磁绕组接头处产生裂纹、开焊、局部过热烤焦绝缘；启动绕组鼠笼条与端环联接处开焊、变形、断裂；转子磁极的燕尾楔松动并退出；定子铁芯松动，运行中噪音增大；联轴器或大轴的轴销部位出现裂纹，甚至发展成为“断轴事故”；等等。

励磁系统对电机所造成的损伤在大部分情况下为“暗伤”，逐步发展或多次积累，酿成电机内部故障，极少数情况下造成电机设备的当场严重损伤。特别是不根据具体情况盲目的实施失步再整步，更会造成灾难性的事故。

励磁装置的技术性能，尤其是它的“异步启动性能”、“整步投励性能”和“灭磁性能”及“失步保护性能”，对电机设备的运行安全性具有重大影响。当电机所配的励磁装置技术性能有缺陷时，电机本身的故障就明显增多，目前国产众多励磁装置的技术性能都不同程度地存在着“损害电机设备安全性”的严重问题。

下面就现行无刷同步电动机励磁装置技术性能缺陷及失步再整步对电机设备运行安全性的影响分别加以简要阐述：

一． 无刷同步电动机静态励磁柜存在的问题及解决办法

*投励方式、投励时间及投励角度选择不当对电机的影响

具有现场实际运行经验的技术人员和技术工人都有这样的体会和感受，即：凡配老式励磁或其他相似类型，在技术有缺陷的励磁装置的同步电机，启动过程中在“整步投励”时往往听到一声沉闷的冲击声，电机受到相应的“冲击损伤”，且启动时设定的励磁越大冲击也越大。因此，有经验的技术人员或技术工人经常在启动时用减小励磁的方法来减轻对电机的冲击；有些励磁制造厂在说明书上也提出，启动时应把励磁电流设定为其额定值的三分之一，以减轻对电机的冲击。

深入的研究分析和为数众多的实践证明，上述这种“冲击”，并非不可避免。它之所以发生，完全是由于这类励磁装置的“整步投励”电路设计不合理，它所选定投励方式为：投励时间或投励时刻由静态励磁柜控制，在电机启动中定子电流降到一定的数值，加上一定的时间延时，由静态励磁柜进行投励，旋转整流盘立即将励磁电流送入电动机的励磁绕组，不进行滑差（转速）检测和投励角度的选择，也就是说，投励时它所选择的“投励角度”即“整步投励时的转子位置角”，恰恰是国际公认的最不利角度（即投励时定子和转子等效磁场在如图4b所示的位置，投励所产生的直流励磁电流Ifd与转子感应的电流-if方向相反，只有很小的一部分甚至不能立即送入励磁绕组，如图1），从而导致励磁装置的“整步投励性能”不佳，并使电机遭受相应的“冲击损伤”。而且采用这种投励方式由于电流继电器设定值是经验值，继电器本身又有误差和启动时具体情况往往造成长时间不投励，导致电机启动时间过长，或它投励时电机可能没有达到亚同步转速，至使投励后电机不能同步。这些都是前述“电机损坏率过高”的一个重要原因，这种现象可以简单的比喻为汽车驾驶新手，由于油离配合不当，使汽车受损一样。我公司生产的LD2000系列高技术性能、高可靠性励磁装置，设计中采用了由旋转整流盘上控制电路通过检测滑差、选择投励角度来控制投励时间和投励时刻，由于采用了与国际公认相一致的“最佳投励角度”（即投励时定子和转子等效磁场在如图2a所示的位置，投励所产生的直流励磁电流Ifd与转子感应的电流+if方向相同，使投励后的直流励磁电流较快送入励磁绕组，如图1）以及其他一系列技术措施，不仅保证了正常情况下的百分之百成功投励，而且具有最佳的“整步投励”性能，在“整步”过程中完全没有“冲击”，电机不受损伤，现场也听不到“冲击声”，电机的“整步”过程平稳、可靠、快速。

二． 无刷同步电动机旋转整流盘存在的问题及改进办法

1．“启动回路”及“启动控制电路”技术性能对电机的影响

由于励磁装置“异步启动回路”以及相应的“启动控制电路”设计不合理，导致电机异步启动欠佳，并使电机设备遭受相应损伤。数十家化肥、化工以及冶金、石化等企业现场实际的调查结果和理论分析研究结果表明：凡配用这类励磁装置的同步电机，在电机启动到转速达50%至80%以上时，电机开始出现脉振，并越来越强烈和明显，直到电机进入同步才稳定下来。实质上，这是由于励磁装置的“异步启动回路”及“启动控制电路”（图1）设计不合理，致使电机启动过程中，当滑差减小到一定程度时，励磁回路感应电流的负半周期（-if）通道不畅，处于时通时断、似通非通状态（图2）（启动可控硅SCR1、SCR2开通值为300V，太高）；与此相应，与励磁绕组闭合回路相关的“异步驱动转矩”分量基本消失，致使电机的“异步驱动转矩特性”M=f(s)由（图3）中的曲线（A）跃迁到曲线（B），因而在电机异步启动过程的后期，电机异步驱动转矩特性，在（图3）中曲线（A）和（B）之间往返跃迁，形成转矩特性的“脉动分量”，造成电机的脉振。除此以外，由（图2）可见，由于励磁回路感应电流if=f(t),在一定滑差条件下所出现的”正“、“负”半波不对称，相当于在励磁回路中出现了一个“直流励磁分量”，并由此而产生相应的“脉振”转矩分量，致使电机产生更加强烈的脉振，并遭受相应的“脉振损伤”。

应当强调指出的是：上述种种问题，并非电机本身所固有的特性，并非电机制造工艺质量差所引起，问题的产生及其实质与电机本身无关，而完全取决于电机所配励磁装置技术性能。由于励磁装置本身设计中所存在的问题，导致了电机启动过程中电机遭受不同程度的“脉振损伤”，成为同步电机运行中损伤率过高的重要根源之一。我公司生产的WDZ-202型旋转整流盘由于合理的设计，使启动可控硅在电机启动时，处于低开通，开通值设计为10～36V。圆满的解决了上述的问题，使电机免受冲击。

2．启动电组不正常发热

如图1，在电机异步启动进行中，RF通过D12、D13、SCR1、SCR2接入转子回路，电机加速启动，投励后通过D11、D12、关断SCR1、SCR2使RF退出。这在正常情况下是可行的，但是如果SCR1、SCR2或控制触发器有问题，导致RF长期带电，容易发热烧毁，虽然报警器有反应，但其在旋转盘上高速旋转，工作人员不易察觉，静态励磁柜不能感知，不能引起工作人员的注意，存在很大的安全隐患。

我公司生产的LD2000励磁装置，很好的解决了这些问题。只要电组RF不正常发热，旋转盘上的控制部分将进行关断，如果在一定时间内关断不了，则静态励磁柜将感受到RF发热故障（不用任何光电或电磁传感装置），而进行报警或停车，由工作人员处理。

3．投励可控硅导致电流瓶颈

如图1，电机的励磁电流完全由一个SCR3承担，所以SCR3的可靠性及额定容量将严重影响励磁系统的可靠性及最大载流量。我公司采用的励磁方式如图5所示，取消了投励可控硅，消除了电流瓶颈，使整个装置的可靠性大大提高。

4． 控制电路电源范围太窄

如图1，触发器控制电源范围太窄（60V～200V）不适合电机运行的要求，我公司WDZ-202产品控制电源范围不小于12倍（21V～270V），适应电机各种运行状态的需要。