無刷同步電動機旋轉整流器故障檢測方法的改進

何 亮

（中國石油寧夏石化公司，寧夏 銀川 750021）

1 同步電動機旋轉整流器結構

無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)主要由靜態(tài)勵磁柜、交流勵磁機、旋轉整流器、滅磁（啟動）電阻和轉子線圈5部分組成。其中，旋轉整流器由旋轉盤、電阻模塊、控制模塊、啟動功率模塊、整流功率模塊5部分組成。功率模塊和控制模塊主要由二極管、晶閘管、快熔以及控制單元的集成電路組成。

2 模塊功能介紹

2.1 控制模塊

控制模塊對旋轉整流器的正常運行起著關鍵的控制作用，負責電動機的啟動投勵、導通角調整、導通功率模塊，并控制滅磁電阻的投切。

2.2 整流功率模塊

整流功率模塊是三相半控整流橋的關鍵組成部分，對交流勵磁機發(fā)出的交流電進行整流后，向電動機轉子線圈提供勵磁電壓。

2.3 啟動功率模塊

啟動功率模塊在同步電動機異步啟動后遷入同步過程中起著關鍵作用。啟動電阻投入后，同步電動機的啟動轉矩特性得到改善，進而使同步電動機平穩(wěn)、迅速進入同步運行狀態(tài)，并在控制模塊的作用下對啟動電阻進行投切。

3 主回路原理圖

旋轉整流器采用三相半控整流橋。相對三相全控整流橋有一個明顯的優(yōu)勢：當3個晶閘管中的2個發(fā)生故障不能工作時，該整流橋仍然能夠整流輸出，保證同步電動機正常帶勵運行。旋轉整流器主回路原理如圖1所示。

圖1 旋轉整流器主回路原理圖

4 常見故障類型

旋轉整流器的故障一般通過靜態(tài)勵磁柜的控制器報出，主要有旋轉整流器失控、旋轉整流器缺相、靜態(tài)缺相或失控、長時不投勵跳閘、后備保護跳閘、失步保護動作、斷電失步動作、過勵報警、欠勵報警以及PT斷線等故障。

5 傳統(tǒng)檢測方法

靜態(tài)勵磁柜的控制器是通過從旋轉整流盤返回來的勵磁電流特征波形與相應故障下的勵磁電流波形進行比較判斷相應的故障類型。但是，由于部分故障對應的勵磁電流特征波形比較相似，導致控制器報出的旋轉整流器故障類型并不一定真實，只能反映旋轉整流器內部發(fā)生了故障。這時需要將同步電機停運并交出檢修，打開旋轉整流盤對其中的相關模塊或元器件進行外觀或功能性檢查。傳統(tǒng)檢測方法中，雖然用萬用表能夠準確檢測出快熔、轉子電阻、啟動電阻的完好性，但對整流功率模塊和啟動功率模塊無法使用萬用表進行可靠檢測。針對這兩個關鍵模塊，一般通過1 000 V絕緣搖表檢測二極管和晶閘管的正向、反向絕緣電壓，憑經驗判斷二極管和晶閘管的導通特性。由于熱態(tài)或冷態(tài)時二極管及晶閘管的泄漏電流大小不一致，導致傳統(tǒng)的絕緣檢測方法往往不能可靠判斷二極管和晶閘管的性能是否發(fā)生下降，導致性能下降或不可靠的模塊或元器件仍被繼續(xù)使用，進而可能在較短的運行周期內再次出現(xiàn)旋轉整流器報警的隱患，給現(xiàn)場維護工作帶來了一定困擾。另外，針對含集成電路的控制模塊，在傳統(tǒng)檢測方法中沒有可靠的檢測手段。一般是在排除或消除其他模塊故障后重新啟動同步電機，如果仍然報警，則判斷為控制模塊故障并進行更換；或者將控制模塊寄回原廠家進行功能性檢測，在這期間設備將停運不能熱備，會對生產造成一定影響。因此，需提出一種更有效、更可靠的旋轉整流器故障檢測方法。本文針對旋轉整流器的工作原理，提出通過靜態(tài)小電流燈泡試驗來檢測控制模塊，并通過晶閘管伏安特性測試儀來檢測整流功率模塊和啟動功率模塊的綜合法?，F(xiàn)場實際應用表明，該方法對控制模塊和功率模塊的檢測可靠，提高了現(xiàn)場檢修效率。

6 靜態(tài)小電流燈泡試驗法

6.1 接線方法

采用三相調壓器模擬交流勵磁機發(fā)電[1]，為旋轉整流器提供工作電源。為了使整流橋輸出為小電流，在啟動電阻回路中串聯(lián)一只燈泡BD2，在同步電動機轉子繞組中串聯(lián)一只燈泡BD1。將三相調壓器輸出電壓值調至60 V左右，如果燈泡亮度較低，可適當增大調壓器的輸出電壓，最大不能超過勵磁機銘牌上的額定值。試驗接線方法如圖2所示。

圖2 靜態(tài)小電流燈泡試驗接線圖

6.2 試驗器材

0.5～3 kVA三相調壓器1臺、二極管1N4007（1 A）1只、220 V白熾燈（100 W）2只、2.5平方短接線1根、三相移動式臨時電源箱1個。

6.3 旋轉整流器自動投勵性能測試

先合K1刀閘，經過10～12 s，BD1燈應該會亮。如果接入示波器，顯示的整流橋輸出電壓波形為全波整流波形，如圖3所示。旋轉整流器自動投勵性能測試現(xiàn)象如表1所示。

圖3 全波整流波形

6.4 KQ開通、關斷性能檢測

電機啟動期間，KQ應導通；旋轉整流盤投勵后，KQ應由導通轉為關斷。K1斷開后，將二極管D1按試驗接線圖與C（或A、或B）相可控硅并聯(lián)，合刀閘K1、BD2、BD1燈全為半亮，整流橋波形為失控波形；經10～12 s，控制模塊自動投勵，BD1由半亮轉為亮，BD2由半亮轉為滅，整流橋波形為全波整流波形。用短接線短接二極管ZQ的兩端，BD2、BD1燈轉為半亮，示波器顯示的整流橋波形為失控波形，如圖4所示。KQ開通、關斷性能檢測試驗現(xiàn)象如表2所示。

表1 旋轉整流器自動投勵性能測試現(xiàn)象

試驗結束后拆除電燈泡、試驗電源及二極管D1，恢復啟動電阻、轉子繞組及交流勵磁機的接線。

圖4 失控波形

表2 自動投勵性能檢測試驗現(xiàn)象

7 晶閘管伏安特性測試儀

7.1 功能介紹

KC-H031晶閘管伏安特性綜合測試儀不僅可以檢測晶閘管、二極管的正反向絕緣特性，還可以檢測晶閘管的觸發(fā)特性。檢測絕緣特性時，不用考慮熱態(tài)或冷態(tài)時二極管和晶閘管泄漏電流大小不一致的問題，相比傳統(tǒng)檢測方法更科學、全面和可靠。該儀器配置了電壓、電流數(shù)碼顯示窗口以及泄漏電流示波器窗口，配置了插針式觸發(fā)特性檢測接線端子和激勵信號調節(jié)旋鈕或方向變換等按鈕，接線及操作直觀簡單。晶閘管伏安特性測試儀如圖5所示。

7.2 晶閘管伏安特性及觸發(fā)特性試驗方法

7.2.1 接 線

先接通測試儀的工作電源，再分別將晶閘管的陽極、陰極、觸發(fā)極接于測試儀的A、K、G接線孔。

7.2.2 操作步驟

設定測試儀保護定值20 A，旋轉高壓調節(jié)旋鈕將電壓由0 V逐漸升至2 600 V，如果泄漏電流為1 mA以內，則晶閘管正向絕緣特性較好，再將電壓調至0 V，并按觸發(fā)按鈕，測試儀保護動作，且觸發(fā)電壓為5 V以內，觸發(fā)電流為5 mA以內，說明晶閘管觸發(fā)特性較好[2]；復位后，將電壓調至0 V，并按下反向按鈕，再將電壓逐漸調至2 600 V，如果泄漏電流為1 mA以內，則晶閘管反向絕緣特性較好，不論正反向，只要泄漏電流大于5 mA，均應更換該模塊。

圖5 晶閘管伏安特性測試儀

7.3 二極管伏安特性試驗方法

7.3.1 接 線

先接通測試儀的工作電源，再分別將二極管的陽極、陰極接于測試儀的A、K接線孔。

7.3.2 操作步驟

設定測試儀保護定值20 A，旋轉高壓調節(jié)旋鈕將電壓升至1 V左右時，測試儀保護動作，說明二極管正向導通特性較好；復位后，將電壓調至0 V，并按下反向按鈕，再將電壓逐漸調至1 600 V，如果泄漏電流為1 mA以內，則晶閘管反向截止特性較好，只要泄漏電流大于5 mA，均應更換該模塊。

8 結 論

對同步電動機旋轉整流器傳統(tǒng)故障檢測方法改進后，現(xiàn)場實際應用表明，本文提出的通過靜態(tài)小電流燈泡試驗來檢測控制模塊，并通過晶閘管伏安特性測試儀來檢測整流功率模塊和啟動功率模塊的綜合法，對控制模塊和功率模塊的檢測可靠，提高了旋轉整流器的故障處理效率。因此，該綜合法可以在采用旋轉整流器實現(xiàn)無刷勵磁的同步電動機的企業(yè)中推廣應用。