同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子失磁故障的影響分析

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(佳木斯電機(jī)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(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工、化肥、煤炭等行業(yè)，用于拖動往復(fù)式壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)負(fù)載的力矩特性較為特殊，其負(fù)載轉(zhuǎn)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(fù)載使同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生微觀振蕩[1]，所以轉(zhuǎn)子上的零部件容易發(fā)生疲勞損傷，發(fā)生轉(zhuǎn)子勵磁電纜接頭斷裂、磁極引線斷裂等事故。事故發(fā)生后勵磁回路被斷開，轉(zhuǎn)子勵磁電流為零。無刷勵磁同步電動機(jī)采用同軸旋轉(zhuǎn)的勵磁發(fā)電機(jī)經(jīng)整流后提供給轉(zhuǎn)子勵磁，勵磁柜供電、勵磁發(fā)電機(jī)發(fā)電、三相橋式整流電路整流等環(huán)節(jié)上，也可能存在故障的問題，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失去勵磁。

在以上事故發(fā)生后，轉(zhuǎn)子瞬間失去勵磁，這種突發(fā)情況打破了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運行，會因轉(zhuǎn)子突然開路而產(chǎn)生更大的問題和事故。本文對同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子突然開路的狀態(tài)進(jìn)行分析，對可能產(chǎn)生的連續(xù)事故和影響進(jìn)行分析。

1 失磁狀態(tài)的有限元建模

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

圖1 同步電動機(jī)模型

在瞬態(tài)場分析中，將模型簡化為整個電機(jī)的1/18的單元電機(jī)模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 單元電機(jī)模型網(wǎng)格劃分

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

此模型是模擬同步電動機(jī)運行過程中轉(zhuǎn)子勵磁回路突然開路的狀態(tài)，此后勵磁電流為零，同步電動機(jī)失磁運行。這種模型狀態(tài)用于模擬同步電動機(jī)轉(zhuǎn)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(tài)。

2 失磁狀態(tài)的分析

同步電動機(jī)在額定負(fù)載工況下穩(wěn)定運行，當(dāng)時間為3s的時刻，轉(zhuǎn)子繞組突然開路，此后同步電動機(jī)進(jìn)入失磁狀態(tài)，電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩-時間曲線如圖4所示，可以看出，在3s以前，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相對平穩(wěn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組突然開路后，電磁轉(zhuǎn)矩大幅波動，轉(zhuǎn)矩數(shù)值忽大忽小，電機(jī)運行不平穩(wěn)，此時電機(jī)在旋轉(zhuǎn)方向上將出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。

圖4 轉(zhuǎn)矩-時間曲線

電機(jī)的轉(zhuǎn)速-時間曲線如圖5所示，在轉(zhuǎn)子繞組開路后，轉(zhuǎn)速下降并伴隨著轉(zhuǎn)速波動，此時電機(jī)運行狀態(tài)為失步狀態(tài)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動會引起電機(jī)的振動，可以通過現(xiàn)場振動監(jiān)測來判斷此時電機(jī)發(fā)生了故障。

圖5 轉(zhuǎn)速-時間曲線

根據(jù)勵磁繞組電壓-時間曲線，可以分析同步電動機(jī)失磁運行時勵磁繞組的開路電壓，此時轉(zhuǎn)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(jī)的阻尼環(huán)電流-時間曲線如圖7所示，可以看出電機(jī)失磁運行后，阻尼環(huán)電流大幅度波動，并且電流值較大，電流峰值達(dá)到5000A左右。電機(jī)失步運行，阻尼繞組切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，這種狀態(tài)下阻尼條和阻尼環(huán)中電流較大，持續(xù)發(fā)熱，如果失步運行的時間較長，容易發(fā)生阻尼繞組燒壞、燒熔的情況。

圖7 阻尼環(huán)電流-時間曲線

3 同步電動機(jī)失磁的影響

在運行過程中的同步電動機(jī)，由于轉(zhuǎn)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(jī)或晶閘管勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障等原因，造成轉(zhuǎn)子失去直流勵磁電流，使轉(zhuǎn)子磁場消失，這種狀態(tài)即為失磁狀態(tài)[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(jī)較長時間失步運行后阻尼條損壞的事故。

圖8 轉(zhuǎn)子磁極絕緣損壞

圖9 阻尼條損壞

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

同步電動機(jī)失步后，阻尼繞組有很大的電流流過，引起阻尼繞組發(fā)熱，容易導(dǎo)致阻尼條斷裂和開焊的現(xiàn)象。此時勵磁繞組的開路電壓較大，容易發(fā)生匝間短路、匝間絕緣損壞、轉(zhuǎn)子繞組接地等間接故障。

4 結(jié)語

本文對同步電動機(jī)的失磁狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，在失磁狀態(tài)下，勵磁繞組的開路電壓較大，具有再次發(fā)生間接事故的風(fēng)險，并且如果不盡快采取措施，長時間在失磁狀態(tài)下運行，會導(dǎo)致電機(jī)阻尼條損壞，所以同步電動機(jī)的失磁狀態(tài)必須加以重視和監(jiān)測。通過仿真分析，在突然失磁狀態(tài)下，電機(jī)的定子電流波動較大，電流峰值增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降并失步運行，因此可以通過對電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)速和振動的監(jiān)測來判斷失磁狀態(tài)的發(fā)生，并盡快停機(jī)，減少損失。