摘要：同步电动机其具有温度低、运行稳定、输出功率大等一系列优点，特别是能向电网发送无功功率，支持电网电压，提高功率因数。已在水利、排灌、化工等各行各业得到广泛应用。但是，长期以来发生同步电动机及其励磁装置损坏事故屡见不鲜。由于同步电动机的频繁损坏。直接影响安全、可靠、经济、连续及稳定运行，严重影响单位的经济效益。本文阐述同步电动机频繁损坏的根本原因不在电动机本身，而在分立元件励磁装置技术性能太差。针对分立元件励磁装置技术性能的缺陷，提出切实可行，行之有效的改造技术措施。
关键词：同步电动机 励磁装置 损坏 脉振 失步
一、同步电动机运行中经常发生的问题
甘肃景电管理局一、二期工程共有同步电动机63台，其中2240KW同步电动机24台；2000KW同步电动机16台；1400KW同步电动机23台。经过多年运行发现，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，齿压板松动，进而引起短路；转子励磁绕组接头处产生裂纹，开焊；短路环开焊；局部过热烤焦绝缘；转子磁级的燕尾楔松动，退出；转子线圈绝缘损伤；起动绕组笼条断裂；电刷滑环松动；风叶裂断；定子铁芯松动，运行中噪声增大等故障。
按照电机的正常使用寿命（指线圈）应在 20年左右，一般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，因此电机的正常使用寿命还应更长些。但据统计所损坏的同步电动机，运行时间大多在10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。电机损坏率高，人们一般认为是电动机制造质量问题，把问题归结到电机制造厂。为此多家电机制造厂，在制造工艺中对某些环节、部位进行加强措施，但效果并不显著，电机损坏事故仍不断出现。
多年来，我们通过对本单位同步电动机及励磁装置运行长期统计、分析和研究，到许多厂家和单位了解同步电动机运行情况，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、灭磁过程、正常运行中的各种典型状态波形进行摄片，对所摄波形特征进行分析；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，其根本原因在电动机外部，是电动机所配励磁装置只能满足一般基本使用功能，其技术性能很差所致。
1、目前所用的可控硅励磁装置，电机每次起动均受损伤
甘肃景电管理局一期工程同步电动机励磁装置主电路为桥式半控励磁装置，其主电路（图l）所示。
图1半控桥式励磁装置主回路
图2使用半控桥式励磁装置电机起动时转子回路波形
电机在起冲过程中，存在滑差，在转子线圈内将感应一交变电势，其正半波通过Z Q形成回路，产生 if；而其负半波则通KQ及RF回路，产生-if，如（图-2）所示。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。电机起动过程中定子电流及转子电流变化波形如（图-3）及（图-2）所示。
图3电机起动过程中定子电流波形
甘肃景电管理局二期工程同步电动机励磁装置主电路是全控桥（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，损坏电机。
图4全控桥式励磁装置主回路
无论是全控桥，还是半控桥，电机起动过程投励时往往听到一声沉闷的冲击声，且起动投励时投励电流越大，声音越响。一般可用减小励磁电流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可控硅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。
由于可控硅励磁装置本身存在的上述缺陷，使电机在每次起动过程中均遭受强烈脉振，在投励时遭受冲击损伤，但并不是一次就使电机当场损坏，而是每次启动都使电机产生疲劳效应，造成电机内部暗伤，并逐步累积，发展成电机的内部故障。
上述电机起动过程中所出现的脉振，投励时受的冲击，是由于励磁装置起动回路及投励环节设计不合理所造成，通过改善起动回路及投励时合理选择转子位置角，起动过程中的脉振和投励冲击现象完全可以消除。
2、分立元件可控硅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。
分离元件可控硅励磁装置采用GL型反时限继电器或用DL继电器组成的定时限过流保护兼作失步保护，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，现场试验及实拍的电机失步暂态波形，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，实际上起不到保护电机作用。
同步电机的失步事故可分为三类：即欠励失步、过励失步和断电失步。
欠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，转子磁场滞后旋转磁场很大角度(图5-a)使同步电动机失去静态稳定，滑出同步。电动机发生欠励失步时，丢转不明显，负载基本不变，定子电流过流不大，电机无明显异常声音，GL型继电器往往拒动或动作时间大大加长。欠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。
电机的欠励失步，大多不当初损坏电机，而是造成电机设备的内部暗伤，经常出现电机冒烟后，查不出毛病，电机还能再投入运行。但线棒的绝缘已受了很大的损伤。
欠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。电机欠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。
过励失步，是由于励磁装置故障或调节不当等原因造成励磁电流增大，电机在过励失步时，励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流都很大并且产生强烈脉振，转子磁场超前旋转磁场很大角度(图5-b),有时甚至产生电磁共振和机械共振。过励失步大多引起电机产生疲劳效应，引起电机内部暗伤，并逐步积累和发展。过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，并逐步由过热而烤焦、烧坏，甚至发展成短路；转子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；定了铁芯松动。运行中噪声增大；严重时甚至出现断轴事故。由于电机和水泵是同轴运行，电机的强烈脉振，同样会波及到水泵损伤，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，线路组抗，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。这种运行状态是最为危险的。
3、分离元件可控硅励磁装置，控制部分技术性能太差，同样影响电动机使用寿命。
在多年使用可控硅励磁装置中感到，励磁装置故障率太高，经常出现起动可控硅KQ误导通，插件接触不良，脉冲丢失，三相电流丢波缺相，不平衡，励磁电流、电压不稳定，甚至直接引起电机失励等故障，这是由于该励磁装置的控制部分存在很多缺陷，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。
二、为了减少同步电动机频繁损坏所采取的技改措施
同步电动机故障率高，据统计绝大部分都是励磁装置技术性能太差所导致。要提高同步电动机运行的可靠性，必须对老式励磁装置用较少的投资进行适当改造，消除电机起动过程中的脉振、投励的冲击，增装可靠的的失步保护，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、励磁电流、电压不稳定、灭磁性能差等技术问题。鉴于上述情况，我们和甘肃省科学院科技开发中心有关专家经过分析、研究、攻关、针对造成电机损坏的根本原因，研制成功WJ-KLF10系列同步电动机综合控制器，并以此作为核心控制部件，成功地对原励磁装置进行了技术改造。
在制定对老式励磁装置改造方案时，充分考虑工厂现场的实际应用情况，采用现代控制技术及理论，吸取国内外励磁装置制作厂商众家之长，做到设计原理新颖成熟、功能齐全、控制手段先进、现场改造方便、投入资金少、运行可靠、维修简便。
1、 改造的励磁装置在技术上的主要特点
我们对原励磁装置进行改造时，保留原励磁装置上的整流变压器（部分变压器需要对其变化及接法作一些改动）、快速熔断器、二极管、可控硅等元件。主回路基本上没有改变。而原控制插件由于存在种种缺陷，采用WJ-KLF10系列同步电动机综合控制器替代，该控制器设计原理新颖，并采用先进的微机控制技术，功能完善，操作方便，性能稳定可靠，寿命长，信号显示系统直观，，有利于运行操作人员监控。其外观尺寸与原控制插件箱大小相仿，正好安置于原控制插件位置上，安装接线十分方便。改造后同步电动机励磁装置在技术上具有以下特点：
（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。
（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） 具有先进完善的过励失步，欠励失步保护系统，保证电机发生过励失步和欠励失步时，快速动作，以免电机受损伤。
（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（仅需数秒种）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%并且连续可调，在调整范围内调整励磁参数，电动机不会失步。
（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，快熔熔断等），装置具有自动报警系统。
（8）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。
（9）采用分级整定灭磁可控硅的开通电压，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。
（10）综合控制器能指示自身是否发生故障。
2、经改造后励磁装置工作原理
原理方框图如图6所示
（1）主电路：改造后的励磁装置其主电路采用无续流二级管的新型三相桥式全控整流电路（图7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“准角强励整步”的原则设计。所谓准角投励，就物理概念而言，系指电机转速进入临界滑差（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）。在准角时投入强励，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。投励时的滑差大小，可通过电位器来设定，改造后电机起动及投励过程的波形见图8。
（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，微机发出触发脉冲指令，经专用集成块功放输出宽脉冲，触发可控硅。本装置采用了数字脉冲控制，在同步电路中采用单相同步等间隔触发，使直流输出波形始终保持一致，与普通的三相同步电路相比，单相数字脉冲同步具有更高的抗干扰能力，更准的频率跟随特性，可保证非常精确的触发控制。并可在更换晶闸管后仍然保持这种一致性，不需人工调节。
（4）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，或启动后备保护环节动作用于跳闸。而电机未失步，则不管其振荡多大，装置均不误动作。图9是同步电动转子回路的几种典型波形。其中图9（a）、(b)、 (c)励磁回路已出现不衰减的交变电流信号，电机已失步，失步保护环节应快速及时动作；图9（d）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
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