同步电动机经常出现的故障及原因分析

同步电动机经常出现的故障及原因分析
经常发现的故障现象有:①定子铁芯松动，运行中噪声大。

②定子绕阻端部绑线崩断，绝缘蹭坏，连接处开焊，导线在槽口处端点断裂引起短路。

③转子励磁绕组接头处产生裂纹、开焊绝缘局部烧焦。

④转子线圈绝缘损伤，起动绕组笼条断裂。

⑤转子磁极的燕尾楔松动、退出。

⑥电刷滑环松动，风叶断裂等故障。

以上故障现象有的出现在同步电动机仅运行2—3年内，甚至半年内。

一般认为是电动机制造质量问题。

但许多电机制造厂，虽对制造工艺中的关键部位加强措施，但没有明显效果，故障现象仍然屡屡发生。

通过对同步电动机及励磁装置运行数据进行数理统计分析，对电动机起动，投励运行中的各种典型状态波形摄片，研究分析表明，同步电动机出现上述故障，不是制造问题，而是传统励磁技术存在缺陷。

2 传统励磁技术存在的缺陷
2.1 励磁装置起动回路及环节设计不合理
同步电动机励磁装置主回路中的主桥分为:全控桥式和半控桥式，下面分别以这两种方式分析。

①半控桥式励磁装置:由三只大功率晶闸管和一只大功率二极管组成，如图1所示。

电动机在起动过程中，存在滑差，在转子线圈内将感应-交变电势，其正半波通过ZQ形成回路，产生+if，其负半波则通过KQ，RF形成回路，产生-if，
如图2所示，由于回路不对称，则形成的-if与+if也不对称，致使定子电流强烈脉动，波形如图3所示。

使电动机因此而强烈振动，直到起动结束才消失。

②全控桥工励磁装置:由6只大功率晶闸管组成，如图4所示。

在起动过程中，随着滑差减小，当转速达到50%以上时，励磁感应电流负半波通路时通时断，同样形成+if与-if电流不对称从而形成脉振转矩，造成电动机强烈振动。

③投励时“转子位置角”不合理。

无论是全控桥还是半控桥，电动机起动过程投励时，都产生
沉闷的冲击，这种冲击，同样会造成电机损害，这是“转子位置角”不合理所致。

以上所出现的脉振、投励时的冲击，并不一定一次性使电机损坏，但每次起动都会使电机产生疲劳，造成电机内部损害，积而久之，必然造成电机内部故障。

2.2 将GL型反时限继电器兼做失步保护
传流动磁装置将GL型继电器兼做失步保护，当电机失步时，它不能动作(如带风机类负载)或不及时动作(如带往复式压缩机类负载)，使电动机或励磁装置损坏。

①失励失步:是指同步电动机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，此时丢转不明显，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限加长，且失励失步
值班人员-不易发现，待电动机冒烟时，已失步较长时间，已造成了电机或励磁装置损害。

但不一定当场损坏电机，而是造成电机内部暗伤，经常出现电机冒烟后，停机检查又查不出毛病，电机还可以再投入运行。

失励失步往往造成:起动绕组(阻尼条)过热，变形、开焊、甚至波及定子绕组端部。

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损坏。

②带励失步:周围大负荷起动，相邻母线短路等原因引起母线电压大幅度波动;或负载突增(如压缩机弊压、轧钢机咬冷钢);以上原因引起电动机短时间欠励磁或失励磁(如插接件接触不良)，引起失励失步，又过渡到带励失步，或在起动过程中过早投励等原因引起。

电动机带励失步，励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流强烈脉振，脉振频率随电机滑差而变化，使电动机遭受强烈脉振，有时产生电气共振和机械共振。

定子电流脉振包络线的高峰值一般为电机额定电流Ie幅值的2~3倍，但其低谷值小于Ie，甚至可能接近为零，使GL型继电器“启动”又马上“返回”，如此反复，最终GL虽能动作，但长达几十秒，起不到保护作用。

带励失步造成:定子绕组绑线崩断，导线变酥，线圈表面绝缘层被振伤，继而过热，烧焦、烧环，甚至引起短路。

转子励磁绕组接头处产生裂纹，出现过热、开焊、绝缘层烤焦:鼠笼条(直动绕组)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，定子铁芯松动噪声大，严重时出现断轴事故。

③断电失步:是由于供电系统的自动重合闸ZCH装置，备用电源自动投入BZ T装置动作或人工切换电源，使电动机暂时失去电源而导致的。

它对电动机的危害是非同期冲击(包括非同期电流和转矩冲击)。

这种冲击的大小与系统容量、线路阻抗、电源中断时间、负载性质，特别是与电源瞬停后又重新恢复瞬间的投入分离角θT密切相关。

非同期冲击电流的最大值出现在θT=180+2nq时，一般高达电机出口三相短路冲击电流的1.4~1.8倍。

非同期冲击转矩的最大值对于凸极式同步电动机，将出现在θT=(1300~1350)+2nπ时，对隐极式高速高步电动机，则出现在θT=(1200~1250)+2nπ时，一般可高达电机出口三相短路时量大瞬时短路冲击转矩的3倍左右，即为电机额定转矩的20-30倍左右。

它将引起电机定子，转子绕组崩裂、绝缘、挤坏;大轴、轴销和连轴器扭坏，进而引起电机内部短路，起火等事故。

但当θT=2nπ+△θ时，非同期冲击小于电机出口三相短路冲击，不会引起电机损坏。

对于380V低压同步电动机，所在电网一般容量不大，加上变压器及线路阴抗相对较大。

断电失步对电机冲击有限，一般不加断电失步保护。

④励磁装置的控制部分存在设计不合理环节。

控制部分经常出现晶闸管误导通、脉冲丢失、三相电流丢波缺相、不平衡、励磁不稳定，引起电机失励。

同时插接件接触不良。

3 同步电动机采用的励磁新技术
对同步电动机传流励磁装置进行技术改进，采用电脑、数字技术研制成综合控制器，代替原
控制插件，面板采用薄膜按键。

性能稳定、信号显示直观，便于值班人员监控。

综合控制器采用了下列新技术。

3.1 主电路的改进
改进后的励磁主电路采用无续流二极管新型半控桥式整流电路，如图5所示。

合理选配灭磁电阻RF，分极稳定KQ的开通电压，当电动机在异步驱动状态时，使KQ在较低电压下便开通，电动机具有良好的异步驱动状态，有效消除了传统励磁装置在电动机异步暂态过程中所存在脉振，满足带载起动及再整步的要求;而当电动机在同步运行状态时，KQ在通过电压情况下才开通。

既保护元器件，又在正常同步运行时，KQ不误导通。

3.2 电机在起动及再整步过程中
按照“准角强励磁整步”的原则设计。

准角强励磁系指电机转速进入临界滑差，按照电动机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大(即定子磁场的N、S极分别与转子绕组产生的S、N极相吸)。

在准角时投入强励，使吸引力进一步加大，这样电机进入同步便轻松、快速、平滑、无冲击。

投励时的滑差大小，可通过数字式功能开关设定，改造后的电动机起动及投励过程的波形见图6 所示。

对于某些转速较低、凸极转矩较强的电机空载或特轻载起动时，往往在尚未投励的情况下便进入同步，装置内具有凸极投励回路，在电机进入同步后1~2
秒内自动投磁电机进入同步后，电脑系统自动控制励磁电压由强磁恢复到正常励磁。

3.3 选用数字触发器，提高触发脉冲的精度
选用数字触发器8253，提高了触发脉冲信号的精确度。

当同步信号回路出现上升过零时，采用延时结束立即由硬件输出脉冲的方式，当满足投励条件后，电脑发出触发脉冲指令，经专用集成块功放由脉冲变压器输出——宽脉冲，触发可控硅。

在同步信号及主回路处于正常的情况下，电脑系统能保证主电路三相电压波形平衡，具有自动平衡系统。

为使电动机中励磁电压不致过高、过低或失控，在控制电路中设有1K、2K、3K功能开关，其中:1K用来设定励磁电压的上限;2K用来设定电机正常运行时的励磁电压;3K用来设定励磁电压的下限。

投励时，首先按1K强励设定值运行1秒，然后自动移至正常励磁所设定的位置上。

采用数字化薄膜面板开关，按动上升键或下降键，可在1K及3K所设定的范围内调整励磁电压大小。

采用电脑控制及数字开关，使装置性能稳定，完全消除了电位器调节所带来的温漂、跳跃、卡死及易受干扰的弊端。

3.4 电脑系统智能分析失步信号，准确可靠地动作
当同步电动机失步时，在其转子回路产生不衰减的交变电流分量，通过测取转子励磁回路分流器上的交变电流毫伏信号，经放大变换后输入电脑系统，对其波形进行智能分析，准确、快速地判断电动机是否同步，对于各类失步，不论其滑差大小、装置均能准确动作。

根据其具体情况动作于灭磁一再整步，或启动
后备保护环节动作跳闸。

如电机未失步，则不论其如何振荡，装置均不动作。

图7是同步电动机转子回路的几种典型波形，图中(a)、(b)、(c)为电动机已失步，励磁回路出现了不衰减不交变电流信号，失步保护快速准确动作，(d)是同步振荡，电动机未失步，失步保护应不误动作。

对旧电机或已受暗伤的电动机，有时会出现转子回路开路，此时励磁回路电流突然下降为零。

失步保护也快速动作。

3.5 失步自动再整步
电动机失步后，立即停发触发脉冲，励磁控制继电器LCJ吸合(如图8所示)，断开励磁接触器控制回路及励磁主回路，待整流主桥路晶闸管关断后，LCJ释放，电机进入异步驱动状态，装置自动使KQJ继电器入于释放状态，通过KQJ的常闭接点，使晶闸管KQ在很低电压下便开通，以改善电动机异步驱动特性。

合理选择灭磁电阻RF，使电动机异步驱动特性得到改善，电机转速上升，电机转速上升，待进入临界差后，装置自动励磁系统，按准角强励磁对电动机实施整步，使其恢复到同步状态。

当时电动机短时失去电源，在恢复电源的瞬间可能造成非同期冲击，由防冲击检测环节送给综合控制器一对FCJ接点，电脑接收到FCJ接点传递来的信号后，将同样动作于灭磁—异步驱动—再整步。

3.6 失控检测
如触发脉冲回路断线或接触不良，造成脉冲丢失，控制回路同步电源缺相，主回路元件损坏(如熔断器熔断)，造成主回路三相不平衡，缺相运行，但未造成
电机失步，装置能及时检测到，若10秒后故障仍未消除，装置就控制报警继电器BXJ闭合，通过其接点，接通报警回路，并使面板上“失控”信号指示灯亮，发出声光报警信号。

失控及缺相测，是利用电动机进入同步后的直流励磁电压波形，通过对其智能分析，图9是几种典型的励磁电压波形，(a)、(b)均为正常运行，图(c)为缺相运行，图(d)为失控运行。

3.7 晶闸管KQ误导通检测
综合控制器设计时，采取对FQ的开通电压实行分级整定，即电动机在起动过程及失步后的异步驱动暂态过程中，为改善电机的异步驱动特性，使KQ在很低电压下开通;在电机进入同步后，KQ开通电压设定值较高，处于阻断状态，RF 无电流通过，是为了保护电机、晶闸管、二极管、防上过电压，只有在过电压情况下方可开通。

为避免KQ因过压设定值太低，或开通后关不断，造成灭磁电阻RF长时间通过电流而过热，装置内设有KQ误导通检测装置。

若KQ未导通，在KQ与RF回路，直流励磁电压全部降在KQ上，在灭磁电阻RF上无电压，处于冷态;一旦KQ导通，直流电压降落在RF上，装置内继电器RFJ线圈吸合(见图8)，其接点信号输入电脑系统，电脑接收到KQ导通信号(即RFJ接点信号)后，对于因过压引起的导通，电脑会指令其过压消失后自动关断。

对因电压设定值太低造成的KQ误导通，或导通后关不断，电脑会指令报警继电器BXJ闭合，通过其接点接通报警回路，并控制面板上“KQ误导通”信号灯亮，发出声光信号提请操作人员检查处理。

3.8 后备保护环节
在同步电动机或励磁装置出现下列故障，使电机无法正常运行，为保证电机及励磁装置安全，特设后备保护环节，动作于跳闸停机，控制面板上显示“后备保护动作信号，便于分析和记录。

”
①电机起动后或失步长时间不投励。

②起动时间过长。

③再整步不成功。

④电动机在投励后拉不进同步。

⑤励磁装置存在直接影响电机正常运行的永久性故障。

如:熔断器，晶闸管、整流变压器、二极管等元件击穿或损坏。

经过上述技术改进后的励磁装置综合控制器原理见图10。

4 结论
同步电动机励磁装置采用了上述数字化控制技术及半导体可控整流技术，综合运用了同步电动机过渡过程理论、(下转47页)稳态运行理论，通过对同步电动机的运行参数，运行曲线及特性曲线进行优化处理，使同步电动机在异步起动，脉冲形成、脉冲放大、自动投励、自动灭磁、失步保护、过电压保护、抗干扰等方面具有先进而可靠的技术处理方法，达到了对同步电动机的运行智能化控制，即可对传统励磁装置改造，也可直接采用综合控制器。

该技术的推广与应用，必定会带来巨大的社会效益。