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　　同步電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣是一種常用的交流電動(dòng)機(jī),但同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定并具有補(bǔ)償功率因素,能向電網(wǎng)發(fā)送無(wú)功功率,可以有效的改善電網(wǎng)質(zhì)量,在我國(guó)各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但相較于異步電動(dòng)機(jī),同步電動(dòng)機(jī)的故障率更高,尤其是轉(zhuǎn)子回路中的可控勵(lì)磁裝置在使用一段時(shí)間后電子元件老化會(huì)使性能降低,極容易發(fā)生各類(lèi)故障,影響生產(chǎn)和設(shè)備的安全穩(wěn)定。我們就九曲河樞紐管理處所使用的電動(dòng)機(jī)是額定電壓6000V,功率1000千瓦,150轉(zhuǎn)每分鐘,在實(shí)際運(yùn)行中也經(jīng)常發(fā)生故障。下面,本文結(jié)合多年來(lái)的使用經(jīng)驗(yàn),針對(duì)高壓同步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障,就其故障原因和解決措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。
　　高壓同步電動(dòng)機(jī)以其功率因數(shù)高、運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，如大功率風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等。對(duì)于大功率低速負(fù)載，如磨機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)等，使用多極同步電動(dòng)機(jī)不僅可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)，更可以省去變速機(jī)構(gòu)，如齒輪變速箱，降低系統(tǒng)故障率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)。
　　由于同步電機(jī)物理過(guò)程復(fù)雜、控制難度高，以往的高壓同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統(tǒng)的可靠性較低。
　　單元串聯(lián)多電平型變頻器由于具有成本低，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，網(wǎng)側(cè)電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無(wú)畸變，可靠性高等特點(diǎn)，在高壓大容量異步電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)將有效地提高同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，降低同步電機(jī)變頻改造的成本，提高節(jié)能改造帶來(lái)的效益，同時(shí)也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開(kāi)一個(gè)廣闊的新市場(chǎng)。國(guó)電四維技術(shù)人員經(jīng)過(guò)大量的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，解決了變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的諸多關(guān)鍵問(wèn)題，已于2012年底成功地將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應(yīng)用于唐山德龍鋼鐵有限公司的4200kW/10kV同步電動(dòng)機(jī)上。以下將簡(jiǎn)要介紹實(shí)際應(yīng)用中的主要技術(shù)問(wèn)題。
　　2.同步電動(dòng)機(jī)的工頻起動(dòng)投勵(lì)過(guò)程
　　為了更好的說(shuō)明同步電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，先對(duì)同步電機(jī)的工頻起動(dòng)投勵(lì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
　　在電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)投勵(lì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。當(dāng)同步電機(jī)電樞繞組高壓合閘時(shí)，通過(guò)高壓斷路器的輔助觸點(diǎn)告知同步電機(jī)的勵(lì)磁裝置準(zhǔn)備投勵(lì)。此時(shí)，勵(lì)磁裝置自動(dòng)在同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，以防止勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出高壓，同時(shí)在起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)電樞繞組上電后，在起動(dòng)繞組和連有滅磁電阻的勵(lì)磁繞組的共同作用下，電機(jī)開(kāi)始加速。當(dāng)速度到達(dá)95%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁裝置根據(jù)勵(lì)磁繞組上的感應(yīng)電壓選擇合適的時(shí)機(jī)投入勵(lì)磁，電機(jī)被牽入同步速運(yùn)行。如果同步電機(jī)的凸極效應(yīng)較強(qiáng)、起動(dòng)負(fù)載較低，則在勵(lì)磁裝置找到合適的投勵(lì)時(shí)機(jī)之前，同步電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，勵(lì)磁裝置將按照延時(shí)投勵(lì)的準(zhǔn)則進(jìn)行投勵(lì)，即高壓合閘后15秒強(qiáng)行投勵(lì)。
　　3.變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)的起動(dòng)過(guò)程
　　用變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用與上述方式不同的起動(dòng)方式：帶勵(lì)起動(dòng)。
　　在變頻器向同步電機(jī)定子輸出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，然后變頻器再向同步電機(jī)的電樞繞組輸出適當(dāng)?shù)碾妷�，起�?dòng)電機(jī)。
　　同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。
　　變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：
　　第一步，勵(lì)磁裝置投勵(lì)。勵(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場(chǎng)。
　　第二步，變頻器旋轉(zhuǎn)其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時(shí)刻掠過(guò)定子的異性磁極，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極。
　　第三步，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和V/F曲線，調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程完成。
　　4.變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)
　　由于變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)時(shí)使用無(wú)需安裝速度/位置傳感器的控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機(jī)時(shí)的波形相同，因此在運(yùn)行過(guò)程中，變頻器可以完全等效于一個(gè)正弦電壓源，無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有較高的可靠性。
　　由于同步電機(jī)的無(wú)功電流僅在電機(jī)和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而無(wú)須對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機(jī)運(yùn)行的典型工況下，手動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數(shù)近似為1，然后調(diào)速運(yùn)行過(guò)程中維持該電流不變即可。對(duì)于需要在運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流的工況，變頻器可以實(shí)測(cè)其輸出給同步電機(jī)的無(wú)功功率，向勵(lì)磁裝置下達(dá)勵(lì)磁給定信號(hào)，調(diào)整勵(lì)磁電流。
　　5.同步電動(dòng)機(jī)的故障滅磁
　　在遇到故障時(shí)，如果僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵(lì)磁電流，則旋轉(zhuǎn)中的同步電機(jī)將持續(xù)地向其定子側(cè)發(fā)出三相交流電壓，危害設(shè)備安全，并可能造成事故的擴(kuò)大。因此在遇到嚴(yán)重故障需要停機(jī)時(shí)，變頻器必須通知?jiǎng)?lì)磁裝置進(jìn)行滅磁。
　　6.唐山德龍鋼鐵公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況簡(jiǎn)介
　　此次進(jìn)行變頻改造的是唐山德龍鋼鐵公司燒結(jié)車(chē)間的主抽風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的是一臺(tái)4200kW/10kV同步電動(dòng)機(jī)，其相關(guān)參數(shù)如下：

　　變頻器選用國(guó)電四維同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，旁路方案選用一拖一手動(dòng)旁路柜，如下圖所示。

　　工頻運(yùn)行時(shí)，QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合，同步電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行、停車(chē)過(guò)程按照原有邏輯進(jìn)行。
　　變頻運(yùn)行時(shí)，QS3斷開(kāi)，QS1、QS2閉合，變頻器上電時(shí)，斷路器QF閉合，經(jīng)過(guò)約20秒延時(shí)后，勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)投入勵(lì)磁電流，然后從現(xiàn)場(chǎng)向變頻器下達(dá)“啟動(dòng)”命令，變頻器按照預(yù)設(shè)的邏輯向同步電機(jī)輸出電壓，同步電機(jī)起動(dòng)。
　　變頻停機(jī)時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)向變頻器下達(dá)“停機(jī)”命令，變頻器停止輸出電壓，分?jǐn)鄶嗦菲鱍F，由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置滅磁，滅磁完成后關(guān)閉勵(lì)磁裝置電源。
　　遇到故障時(shí)，變頻器在停止電壓輸出的同時(shí)，立即分?jǐn)鄶嗦菲鱍F，由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置立即滅磁。
　　7.小結(jié)
　　單元串聯(lián)多電平型變頻器在同步電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的成功實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，也擴(kuò)大了國(guó)家能源節(jié)約政策的實(shí)現(xiàn)途徑，為我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)提供了更多的技術(shù)保障。
(責(zé)任編輯：陳紅霞)
    1、 故障現(xiàn)象
    正昊化纖材料有限公司空壓站共有8臺(tái)空壓機(jī)，承擔(dān)著整個(gè)生產(chǎn)裝置供氣的任務(wù)，確�？諌簷C(jī)的長(zhǎng)、滿、安、穩(wěn)、優(yōu)運(yùn)行十分重要。
    2001年6月7日，操作人員發(fā)現(xiàn)高壓配電室內(nèi)有焦糊味，4#空壓機(jī)定子電流勵(lì)磁電流波動(dòng)大，按停車(chē)按鈕和現(xiàn)場(chǎng)緊急停車(chē)按鈕均無(wú)法使空壓機(jī)停運(yùn)，斷路器拒分，跳閘線圈燒毀。立即用斷路器機(jī)械緊急跳閘裝置停車(chē)，使斷路器斷開(kāi)。
    2、 故障分析
    空壓機(jī)采用KGLFⅡ型晶閘管勵(lì)磁裝置，為6Kv高壓同步機(jī)提供直流勵(lì)磁。高壓斷路器采用SN10-10型號(hào)少油斷路器。引起斷路器跳閘的原因一般是：（1）電源低電壓保護(hù)；（2）過(guò)流速斷保護(hù)；（3）空壓 機(jī)故障；（4）勵(lì)磁柜故障。
    SN10-10型斷路器采用CD10型電磁操作機(jī)構(gòu)。正常情況下，分閘回路是靠與機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的輔助開(kāi)關(guān)切斷的，若遇以下情況可能造成分閘線圈燒毀：（1）機(jī)構(gòu)卡澀。（2）機(jī)構(gòu)調(diào)整不當(dāng)。（3）輔助開(kāi)關(guān)調(diào)整不當(dāng)。
    從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，跳閘線圈的絕緣將鐵芯粘住，接通跳閘線路后，跳閘鐵芯無(wú)法向上沖擊連桿機(jī)構(gòu)，四連桿機(jī)構(gòu)無(wú)法動(dòng)作，使分閘線圈長(zhǎng)期帶電，造成分閘線圈燒毀。
    什么原因引起斷路器跳閘呢？分析認(rèn)為低電壓信號(hào)與其他幾臺(tái)高壓同步機(jī)引自同一高壓PT柜，而其他幾臺(tái)高壓同步機(jī)運(yùn)行正常，不可能引起此故障；排溫、水壓、油壓從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)看指標(biāo)均正常；通過(guò)對(duì)高壓同步機(jī)及高壓電纜的搖測(cè)看，均合格且過(guò)流保護(hù)繼電器也沒(méi)有動(dòng)作、掉牌報(bào)警，因此引起高壓斷路器跳閘的原因只有勵(lì)磁柜故障了。
該勵(lì)磁裝置的脈沖信號(hào)是通過(guò)移相位信號(hào)與電壓負(fù)反饋信號(hào)綜合后，形成移相控制電壓加到脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)，控制輸出直流電壓的高低。用示波器觀察輸出電壓波形，脈沖產(chǎn)生電路和整流晶閘管工作正常。接著檢查移相給定電路。
    用萬(wàn)用表測(cè)量移相環(huán)節(jié)輸出，發(fā)現(xiàn)輸出電壓時(shí)高時(shí)低，檢查給定電壓部分一切正常。用萬(wàn)用表測(cè)量電壓負(fù)反饋輸出端電壓忽大忽小，可能是電位器接觸不良。經(jīng)查電位器引出焊片和電阻體鉚接處有松動(dòng)，致使輸出端時(shí)高時(shí)低不穩(wěn)定。
    認(rèn)真檢查勵(lì)磁裝置回路，發(fā)現(xiàn)一快速熔斷器熔斷，同步機(jī)碳刷粉末堆積很多，有放電痕跡。原來(lái)是勵(lì)磁裝置移相環(huán)節(jié)中電壓負(fù)反饋信號(hào)不穩(wěn)定，造成勵(lì)磁電壓突然升高，致使碳刷粉堆積過(guò)多的集電環(huán)對(duì)地?cái)嗦�，引起快速熔斷器熔斷，微�?dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，高壓斷路器跳閘。由于跳閘鐵芯卡澀無(wú)法斷開(kāi)熔斷器輔助觸點(diǎn)，而將熔斷器線圈燒毀，最終導(dǎo)致高壓熔斷器拒分，空壓機(jī)無(wú)法停車(chē)。
    3、 故障處理
  （1） 重新繞制跳閘線圈并浸漆烘干，清掃鐵芯干凈，裝配好跳閘線圈。
  （2） 檢查軸銷(xiāo)有無(wú)銹蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，加注潤(rùn)滑油。
  （3） 檢查定位止釘?shù)逆i母有無(wú)松動(dòng)，將止釘位置調(diào)到110%額定合閘電壓能合上，而65%額定分閘電壓能順利分閘試驗(yàn)，并對(duì)松動(dòng)鎖母進(jìn)行堅(jiān)固處理。
  （4） 調(diào)整輔助開(kāi)關(guān)與水平線成45°角。
  （5） 重新鉚緊電位器。
  （6） 清掃粉末，去除碳化部分并進(jìn)行絕緣處理。
  （7） 更換快速熔斷器。
  （8） 重新調(diào)試勵(lì)磁裝置，各保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)試車(chē)一切正常。

實(shí)例分析
    我們公司有4臺(tái)高壓10KV3500kw電機(jī)，我不明白的是為什么要把功率因數(shù)調(diào)到超前0.94，而不是電力公司定的0.92以上就可以了，功率因數(shù)超前有什么危害，還有是什么好處？
    功率因數(shù)超前會(huì)似整個(gè)電網(wǎng)的電壓升高，如果供配電設(shè)備的絕緣效果跟不上，會(huì)造成絕緣層擊穿，嚴(yán)重的會(huì)引起相間短路。
    因?yàn)殡娐分羞�有其它的電感性負(fù)載，將同步電機(jī)功率因數(shù)超前，相當(dāng)于電容性負(fù)載，可以補(bǔ)償電路中其它電感性負(fù)載，使整體電路的功率因數(shù)更接近于1，相當(dāng)于起到補(bǔ)償電容的作用。
    整個(gè)電網(wǎng)都超前？這幾乎是不可能的，因?yàn)檎麄�(gè)電路中感性負(fù)載太多了，如果整個(gè)電路真的超前，那確實(shí)沒(méi)有什么好處。

三相高壓同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置故障失磁后，電機(jī)能否變異步運(yùn)行？
    如果勵(lì)磁回路的滅磁電阻正常接入，且負(fù)載較小，不會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁線圈交流電流過(guò)大，可以正常運(yùn)行；若負(fù)載太大，長(zhǎng)期異步運(yùn)行會(huì)使電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈電流過(guò)大，會(huì)發(fā)熱燒壞的。
    同步電機(jī)勵(lì)磁失磁的話，如果勵(lì)磁回路的滅磁電阻不能正常接入，即使負(fù)載不大，勵(lì)磁繞組無(wú)電流可能造成轉(zhuǎn)子上的阻尼條燒壞。
    同步電機(jī)勵(lì)磁失磁的話若是負(fù)載情況下決不可運(yùn)行。因?yàn)檫@樣可能造成轉(zhuǎn)子上的阻尼條燒壞。