【摘要】介绍鞍山矿业公司齐大山选矿厂同步电动机运行中存在的问题，解决方案及方案的实施。圆满的解决了该厂的同步电动机运行问题。
【关键词】 同步电动机 脉振 失步 励磁装置 投励
齐大山选矿厂共有同步电动机25台，其中一选车间14台、400kW，二选车间9台，1100kW，拖动球磨机运行，是齐大山选矿厂的主体设备。原励磁柜采用分立元件，投励环节采用定时投励，没有强励功能，并且励磁柜老化严重，技术性能太差，保证不了同步电动机的运行稳定，烧损严重。针对老式励磁柜技术性能的缺陷，与厂家共同探讨，提出切实可行的改造方案，付诸实施后，效果良好。
1 同步电动机运行中存在的问题
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；转子磁极的燕尾楔松动，退出：转子线圈绝缘损伤，引起绕组笼条断裂；电刷滑环松动：风叶裂断；定子铁心松动，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5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，一般认为是电动机修理质量问题，把问题归结到电机修理厂。为此多家电机修理厂，在修复时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，我们通过对齐大山选矿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，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，不是电机修理质量问题所引起，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。
1.1 目前所用的晶闸管励磁装置。电机每次起动均受损伤
对于主电路为桥式半控励磁装置，其主电路如图1所示。
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ZQ形成回路，产生＋if；而其负半波则通KQ及Rf回路，产生-if。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，甚至在整个厂房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。电机起动过程中转子电流及定子电流变化波形图如图2及图3所示。
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，电机起动过程投磁时往往听到一声沉闷的冲击声，且起动投磁时投磁电流越大，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晶闸管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。
由于晶闸管励磁装置本身存在上述缺陷，使电机在每次起动过程中遭受强烈脉振，在投励时遭受冲击损伤，但并不是一次就使电机当场损坏，而是每次起动都使电机产生疲劳效应，造成电机内部暗伤，并逐步积累，发展成电机内部故障。
上述电机起动过程中所出现的脉振，投励时遭受冲击，是由于励磁装置起动回路及投励环节设计不合理所造成，通过改善起动回路和投励时合理选择转子位移角，起动过程中的脉振和投励冲击现象完全可以消除。
1.2 原晶闸管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
原晶闸管励磁装置采用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三类：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；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，引起电机的内部暗伤，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铁心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；定子铁心松动，运行中噪声
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，线路阻抗、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。
1.3 原晶闸管励磁装置。控制部分技术性能太差，同样影响电机使用寿命
齐大山选矿厂在使用晶闸管励磁装置中感到，励磁装置故障率太高，经常出现起动晶闸管KQ误导通，接插件接触不良，脉冲丢失，三相电流失波缺相，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。
2 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，统计并分析损坏的同步电动机，绝大部分都是励磁柜技术性能太差所导致。要提高同步电动机运行的可靠性，必须对老式励磁柜进行改造，消除电机起动时的脉振、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，我们经分析、研究，针对造成电机损坏的根本原因，成功地对原励磁柜进行技术改造。
在制订对老式励磁柜改造的方案时，充分考虑齐大山选矿厂的现场实际应用情况，采用现代控制技术及理论，与厂商多次探讨，做到设计原理新颖成熟、功能齐全、控制手段先进、运行可靠，维修简便。
2.1 改造后的励磁柜在技术上的主要特点
我们对原励磁柜进行改造时，保留原励磁柜上的整流变压器(部分变压器需要对其变比及接法作一些改动)。机芯采用先进的电脑控制技术，功能完善，面板采用新型薄膜按键，操作方便，性能稳定可靠，寿命长，信号显示系统直观，完善，有利于运行操作人员监控。改造后同步电动机励磁柜在技术上有以下特点：
(1)改造后电机在异步驱动过程中平滑、快速，完全消除采用老式励磁柜在电机异步暂态过程中所存在的脉振，满足带载起动及再整步的要求。
(2)投励按照“准角强励整步”的原则设计，并具有强励磁整步的功能，电机拉入同步的过程平滑、快速、可靠。
(3)具有先进完善可靠的带励失步，失励失步保护系统，保证电机发生带励失步和失励失步时，快速动作，保护电机，使电机免受损伤。
(4)在电机失步后，具有带载自动再整步的功能，整个过程平滑、快速(仅需数秒钟)。不损伤电机，不必减负载，并设有后备保护环节，以保证电机的安全运行。
(5)具有独立可靠的灭磁系统，使电机在遇到故障被迫跳闸停机时，明显减少其损伤程度。
(6)输出励磁电压和励磁电流的调节范围为电动机额定励磁电压和额定励磁电流的30％～120％，在调整范围内调整励磁参数，电动机不会失步，励磁装置不会失控。
(7)具有三相自动平衡系统，即在正常励磁范围内不需调试，励磁装置输出电压波形始终三相平衡，一旦出于外部原因造成丢波、失控(如断线、快速熔断等)。装置具有自动报警系统，
(8)能与防冲击保护配合，动作于灭磁再整步。
(9)所有控制过程均自动处理，且有完整的信号系统，当电机出现失步，再整步后备保护跳闸、励磁出现失控、装置是否运行正常等均有信号指示。
(10)采用分级整定灭磁晶闸管的开通电压，投励后正常运行时灭磁电阻处于“冷态”。当出现过电压情况开通。装置在过电压消失后有自动关断系统，
(11)核心部件同步电动机综合控制器能指示自身是否发生故障。有故障记忆功能。
2.2 改造后的励磁柜工作原理
原理方框图如图5所示。
(1)主电路
改造后的励磁柜其主电路采用无续流二极管的新型三相桥式半控整流电路(图6所示)，线路简洁、可靠、通过合理选配灭磁电阻Rf，分级整定KQ的开通电压，当电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特性，有效地消除了原励磁屏在电机异步暂态过程中所存在的脉振，满足带载起动及再整步的要求；而当电机在同步运行状态时，KQ在过电压情况下才开通。既起到保护元器件的作用，又使电机在正常同步运行时，KQ不易误导通。
(2)投励方式
电机在起动及再整步过程中，按照“准确强磁整步”的原则设计。所谓准确投磁，就物理概念而言，系指电机转速进入临界滑差(即原来所谓的“亚同步”)，按照电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极与投励后转子绕组产生的S极相吸，定子磁场的S极与投励后转子绕组产生的N极相吸)。在准角时投入强磁，使吸力进一步加大。这样电机进入同步便轻松、快速、平滑、无冲击。投磁时的滑差大小，可通过数字式功能开关5K设定，改造后电机起动及投励过程的波形见图7。
(3)触发脉冲输出
脉冲输出是根据移相角a的换算值(即触发数字表)所确定的，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，以提高输出脉冲的精度和可靠性。当满足投励条件后。电脑发出触发脉冲指令。由脉冲变压器输出一宽脉冲，触发晶闸管。
电路设计时，选用了8253专用定时器，使触发脉冲信号的精度大大提高。在同步信号及主回路处于正常情况下，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。
为使电机运行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，它既作为设定励磁屏输出直流电压的上限，又作为电机起动及再整步投强励的设定值：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秒钟，然后自动移至正常励磁所设定的位置上。装置面板上有薄膜面板开关，按动上升键或下降键。可以在1K及3K所设定的范围内调整励磁电压大小。
由于全部采用数字化开关及电脑控制，使装置性能稳定。
(4)失步保护
失步保护装置用于对同步电动机的失步保护，其基本原理是利用同步电机失步时，具有会在其转子回路产生不衰减交变电流分量的特征，通过测取转子励磁回路交变电流信号，并对其波形特征进行智能分析，快速、准确判断电机是否失步。对于各类失步，不管其滑差大小，装置均能准确动作。根据具体情况，动作于灭磁—再整步，或起动后备保护环节
动作于跳闸。而电机未失步，则不管其振荡多大，装置均不误动作。图8是同步电动机转子回路的几种典型波形。其中图8a、b、c励磁回路已出现不衰减交变电流信号，电机已失步，失步保护环节应快速及时动作：图8d是同步振荡，电机未失步，失步保护环节应不误动作。对某些旧电机或已受暗伤的电机，有时会出现转子回路开路，此时励磁回路电流突然下降至零，失步保护环节也应快速动作。本系统能根据励磁回路电流波形准确快速地分析电机已否失步。
失步保护所取信号，是从串接在励磁回路中的分流器上测取不失真的毫伏信号，此信号经放大变换后输入电脑系统，由电脑系统直接分析。
(5)失步后带载自动再整步过程
正常运行中的同步电动机，经装置检测，判断确认已失步后，立即动作于灭磁一异步驱动一带载再整步。
综合控制器中的灭磁环节，是采用断励续流灭磁。即电机失步后，立即停发触发脉冲，励磁控制继电器LCJ吸合，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。
电机一旦失步进入异步运行，必须改善电机的异步驱动特性。在电机处于异步运行状态情况下，装置自动使KQJ继电器处于释放状态，通过KQJ的常闭接点，使KQ晶闸管在很低电压下便开通，以改善电机的异步驱动特性(图9所示)。
由于合理选配灭磁电阻RF，使电机异步驱动特性得到改善，电机转速将上升，待进入临界滑差后，装置自动控制励磁系统，按准角强励磁对电机实施整步，使电机恢复到同步状态。
当供电系统出现“自动重合闸”、或“人工切换电源”时，将出现电能输送渠道的短暂中断。为防止电源恢复瞬间可能造成的“非同期冲击”，由防冲击检测环节送给本装置一对接点FCJ。电脑接收到FCJ信号后，将同样动作于灭磁—异步驱动—再整步。
(6)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，装置中特设一后备保护环节，动作于跳闸停机：
(a)再整步不成功；
(b)电机起动后或失步后长时间不投励：
(c)电机在投励后拉不进同步：
(d)起动时间过长：
(e)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、二极管、整流变压器损坏。
后备保护动作跳闸后，控制面板上留有“后备保护动作”信号，便于分析和记录。
(7)KO晶闸管误导通检测
本装置设计时采取对KQ晶闸管的开通电压实行分级整定，即电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在很低电压下便开通：而当电机进入同步后，KQ开通电压设定值较高。设计原则是为了保护电机，保护晶闸管、二极管，防止过电压，因此，仅在出现过电压情况下方开通。
由于采取对KQ晶闸管实施开通电压分级整定，当电机进入同步后，KQ晶闸管便处于阻断状态，RF上无电流流过，处于冷态：而当励磁回路出现过电压时，为防止电机及励磁柜上元件安全，KQ晶闸管又将及时开通。
为避免KQ晶闸管，因过电压设定值太低，或开通后关不断，造成灭磁电阻RF长时间通电而过热，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落在KQ上，在灭磁电阻RF二端无电压，灭磁电阻RF处于冷态；一旦出现KQ导通后，直流电压降落在灭磁电阻上，装置内继电器RFJ线圈得电吸合(见图9)，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，对于因过电压引起的导通，电脑系统指令其过电压消失后自动关断。对因电压设定值太低造成的KQ误导通，或导通。电脑系统指令其过电压消失后自动关断。对因电压设定值太低造成的KQ误导通，或导通后关不断，电脑指令控制报警继电器BXJ闭合，通过其接点接通报警回路，并控制面板上“KQ误导通”信号指示灯亮，发出声光信号提请操作人员检查处理。
(8)失控检测
正常运行中三相晶闸管具有自动平衡系统，不须任何调试，三相晶闸管导通角一致。
由于外部因素，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或消失，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(若失步，则由失步再整步回路或后备保护环节处理)，装置能及时检测到，若10秒钟后故障仍未消除，装置就控制报警继电器BXJ闭合，通过其接点，接通报警回路，并控制面板上的“失控”指示灯亮，发出声光信号。
失控或缺相检测，基本原理是利用电机进入同步后的正常运行情况下，对直流励磁电压波形特征进行分析，图10是几种典型的励磁电压波形，图10a、b为正常运行，图10c为缺相运行，图10d为失控运行。
(9)信号系统说明
装置具有完善直观的信号系统。
(a)电脑系统有自动诊断系统。能自动判断电脑系统的好坏。控制器通电后，运行指示灯将每秒闪一次，表示电脑系统运行正常。
(b)A、B、C三相触发脉冲在面板上有指示灯指示。
(c)当控制检测到电机出现失步、励磁装置出现KQ晶闸管导通、失控由控制器后备保护环节动作于电机跳闸时，控制器面板上分别有各自的指示灯。按复归按钮，指示灯复位。其中KQ晶闸管导通、失控，除有灯光信号外，电脑还控制报警继电器吸合，由B)(J接点接通音响报警回路。按复位按钮，报警继电器BXJ复位。
3 励磁柜改造后同步电动机运行情况
2002年齐大山选矿厂对二选车间的11台励磁柜进行改造，无论是励磁柜的运行状况及同步机的运行状态，均得到了极大的改善。为齐大山选矿厂球磨机作业率的提高起到了重要作用，原球磨机的作业率在92％左右，现球磨机的作业率在95％以上。
以二选车间为例，2000年齐大山选矿厂二选车间同步机烧损13台次，2001年同步机烧损11台次。2002年同步机烧损6台次，而2003年实现了同步机烧损台数为零的目标。通过励磁装置的改进，极大地改善了齐大山选矿厂同步电动机的运行状态，为保证齐大山选矿厂生产任务的完成起到了重要作用。
4 年经济效益计算
(1)原来同步机大修期为5年左右，励磁柜改造后大修期按10年计算
(a)1100kW同步机12台，每年节约大修费
9台×8.5万元/台÷5年＝15.3万元
(b)400kW同步机14台，每年节约大修费
14台×4.2万元/台÷5年＝11.76万元
(2)每年节约中修费
(a)1100kW同步机2000年、2001年、2002年3年平均每年烧10台，2台大修，8台中修。节约修理费
8台×1.9＝15.2万元
(b)400kW同步机2000年、2001年、2002年平均每年烧8台，4台中修，4台大修。节约修理费
4台×0.7＝2.8万元
(3)影响生产经济效益
(a)1100kW同步机烧损后更换备品的时间为6h，影响产量的效益为：6h×26t/h×230元/t＝15.5万元
(b)400kW同步机烧损后更换备品的时间为5h，影响产量的效益为：5h×13t/h×230元/t＝14.9万元
上述年经济效益合计为：75.46万元。