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雙螺旋給料機摘 要：

　　分析同步電動機運行中的故障征象，找出同步電動機頻繁損壞的根本原因，針對這些原因提活化給煤機出了改進同步機勵磁控制系統(tǒng)的對策。

破碎篩分機關(guān)鍵詞：
　
煤礦皮帶輸送機　　同步機 運行分析 勵磁裝置 控制技術(shù)

　　大型高壓同步電動機，由GZ系列電磁振動給料機于其具有一系列優(yōu)點，特別是能向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，改善電網(wǎng)質(zhì)量，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。我公司球磨機用同步電動機曾在一段時期內(nèi)頻繁損壞，直接影響到我公司的生產(chǎn)和設(shè)備的安全運行。因此正確分析判斷同步電機的故障原因，并提出相應(yīng)對策，就成了我們的當務(wù)之急。

一、事故征弧形振動篩象

　　我公司現(xiàn)有16臺1300KW/6KV同步不銹鋼螺旋輸送機電動機。在2000年以前平均每年要出現(xiàn)2～3次電機燒損的事故。其事故主要征象為：定子繞組端部綁線崩斷，電機定子繞組過熱，起動繞組籠條開焊、斷裂，電機起動及運行中出現(xiàn)異常聲響，經(jīng)常啟動失敗等現(xiàn)象。

　　尤其是在1999年1月12日我公司7#同步電動機運行過程中突然放炮，造成7#同步電動機定子線圈局部嚴重?zé)龎?，高壓電纜接頭燒損，電流互感器崩壞，由于7#同步機脫扣裝置拒動，保護不能正常動作，持續(xù)大電流引起密地變電所密27選Ⅱ線保護動作跳顎式碎石機閘，影響到選Ⅱ所帶其它用電設(shè)備停機。

二、事故原因的基本判斷FYBS方型精密篩分機分析

1、振動放礦機電機質(zhì)量分析：

　　電機的正常使用壽命一般應(yīng)在20年左右。統(tǒng)計我公司所損壞的同步電動機，運行壽命大多在10年以下，尤其是這臺7#同步電動機大修后，投運僅4個月粉體輸送機便出現(xiàn)了這次放炮燒損事故。

　　在事故分析中，部分電氣技術(shù)人員將事故的主要原因歸結(jié)到電機的大修上。這種大面積的電機損害事故，將事故原因歸結(jié)到電機質(zhì)量上，我對此提出異議。建議將視線轉(zhuǎn)移到對勵磁系統(tǒng)的分析上；事實證明，電機修理廠在電機返修中對其重點部位進行了種種加強措施，甚至于提高了絕緣等級，但效果并不顯著。損壞事故小型錘式破碎機仍不斷出現(xiàn)。

2、勵磁系電磁振動統(tǒng)原因分析：

　　針對同步電動機起動運行過程中發(fā)生異常聲響、電機定子繞組過熱、起動繞組籠條開焊、斷裂等諸多現(xiàn)象，在排除電機質(zhì)量原因引起事故的條件下，有必要對現(xiàn)行的勵磁系統(tǒng)進行合斗式輸送機理的分析，從而找出電機頻繁損壞的真正原因：勵磁系統(tǒng)設(shè)計不合理。

三、勵磁系統(tǒng)存在的主要問題與電機故障原因的內(nèi)在直排篩聯(lián)系

1、勵磁裝置起動回路設(shè)計不合理，使同步電機經(jīng)常處在脈振情形下起動。

原主電路為橋式半控勵磁裝置，其原理圖如圖1所示。

　　電機在起動過程中，在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)將感應(yīng)一交變電勢，其正半波通過ZQ形成回路，產(chǎn)生+if；而其負半波則通過KQ及RF形成回路，產(chǎn)生-if。由于負載電路不對稱，形成+if與-if電流不對稱，if曲線如圖2所示。電機定子電流因此也產(chǎn)生強烈脈振，其曲線如圖3。電機因而遭受到脈振轉(zhuǎn)矩的強烈振動。造成整個廠房大廳內(nèi)都可以聽到電機起動過程發(fā)出的強烈振動聲。這種聲音一直持續(xù)到電機起動結(jié)束才消失。






　　另一方面，由于裝置采用的是KGLF-11型老式勵磁裝置模擬控制，其投勵檢測元件老化，檢測不準確，導(dǎo)致投勵時間變化，對電機啟動造成很大影響。隨著電機起動過程滑差減小，轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)感應(yīng)電勢逐步減小，當轉(zhuǎn)速達到50％以上時，勵磁回路感應(yīng)電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態(tài)，形成+if與-if電流不對稱，由此形成脈振轉(zhuǎn)矩，造成電機產(chǎn)生強烈振動。有時在運行中受滅磁插件分立元件性能的影響，滅磁晶閘管KQ誤導(dǎo)通，滅磁電阻發(fā)熱燒紅冒煙。它只有一個高導(dǎo)通電壓，電機起動時，特別在轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓較低時，KQ不能可靠導(dǎo)通，造成主機起動轉(zhuǎn)矩不對稱，使機組產(chǎn)生強烈振動。這正是前述的主要事故征象之一。

　　因此，無論電機質(zhì)量如何優(yōu)異，在如此惡劣的條件下電機頻繁起動，給電機造成的損傷是可想而知的。電機的壽命因此大打折扣。

2、投勵環(huán)節(jié)設(shè)計不合理，經(jīng)常造成啟動失敗，重復(fù)啟動次數(shù)大大增加。

投勵環(huán)節(jié)原設(shè)計為：按同步電動機轉(zhuǎn)子滑差順極性無接點投勵環(huán)節(jié)工作，如圖4所示。



　　由于控制插件采用的是模擬元件，元件老化和溫度漂移以及抗干擾能力弱，造成轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓檢測不準確。主要是由于檢測感應(yīng)信號的穩(wěn)壓管12WY和三極管3BG性能不穩(wěn)定，還有對電容器5C的充放電時間不確定；在同步機進入亞同步時，該投勵觸發(fā)時卻沒有發(fā)出信號，往往造成同步機啟動失敗。這是模擬勵磁裝置的通病，結(jié)果是造成同步機重復(fù)啟動，從而帶來對電機的損害。

3、勵磁裝置無可靠的失步保護裝置，使電機運行不可靠。

　　同步電動機原投勵裝置采用反時限繼電器“兼作失步保護”，其原理接線如圖五；而電機“過負荷”與電機“失步”是完全不同的兩個概念，通過對電機失步時的示波照相分析其暫態(tài)過程，現(xiàn)場試驗及實拍電機失步的暫態(tài)波形證明：用過負荷繼電器兼作失步保護，當電機失步時，不能動作，有的雖能動作，但動作延時加長，實際上起不到保護作用。如圖5所示的過流繼電器原理。



同步電機的失步事故主要分為失勵失步和帶勵失步兩類。

　　3．1、失勵失步是由于勵磁系統(tǒng)的原因，使同步電動機的勵磁繞組失去直流勵磁。由于球磨機的同步電機過載力矩很大，導(dǎo)致同步電動機失去靜態(tài)穩(wěn)定，滑出同步。電機發(fā)生失勵失步時，負載基本不變，定子電流增大1.5～3倍，電機聲音異常，而GL型繼電器主要用于起動時的電流保護，其整定值為6～7倍的額定值，所以GL型繼電器拒動或動作時間過長。在此情況下失勵失步一般不易被值班人員及時發(fā)現(xiàn)，待發(fā)現(xiàn)電機冒煙時，電機已失步了相當長時間，并已造成電機繞組或勵磁裝置的損壞。應(yīng)當指出的是電機的失勵失步，大多不當場損壞電機，出現(xiàn)電機冒煙后，停機常規(guī)檢查，往往又查不出毛病，電機還能再投入運行。

　　由于失步運行，在阻尼繞組中就流過超過額定電流數(shù)倍至數(shù)十倍的電流，尤其是負載較重時，由于轉(zhuǎn)差較大，所以流過阻尼繞組電流就更大。阻尼繞組的溫升和熱容量，一般是按短時工作制考慮的，由于長期流過大電流，必定會導(dǎo)致阻尼繞組溫度過高，造成開焊、籠條斷裂，甚至于阻尼繞組完全燒毀。正是在這種狀況下，使得電機的壽命大為縮短。需要指出的是，電機失勵失步時還會在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生高電壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞，引起滅磁電阻發(fā)熱，嚴重時甚至造成整臺勵磁裝置燒壞。

　　3．2、帶勵失步，是由于負載突增（如球磨機脹肚），電機在運行中短時間嚴重欠勵磁；或電機起動過程中勵磁系統(tǒng)過早投勵等原因引起的。

　　電機在帶勵失步時，勵磁系統(tǒng)雖仍有直流勵磁，但勵磁電流及定子電流（包絡(luò)線）強烈脈動，電機亦遭受強烈脈振，有時甚至產(chǎn)生電氣共振和機械共振。帶勵失步與失勵失步對電機造成的危害其性質(zhì)是一樣的。嚴重時甚至出現(xiàn)斷軸事故。由于電機和主機是同軸運行，電機的強烈脈振，同樣會波及到主機損傷，如緊固螺絲斷裂等。

四、勵磁系統(tǒng)改進對策

　　我公司球磨機用同步電機損壞頻繁的主要原因如上述三條，其對策主要為：

　　1、主電路：采用無續(xù)流二極管的新型三相橋式半控整流電路（圖6所示），線路簡潔、可靠，通過設(shè)計合理選配滅磁電阻RF，分級整定KQ的開通電壓，當電機在異步驅(qū)動狀態(tài)時，使KQ在較低電壓下便開通，電動機具有良好的異步驅(qū)動特性，有效地消除了原勵磁屏在電機異步暫態(tài)過程中所存在的脈振，滿足帶載起動及再整步的要求；而當電機在同步運行狀態(tài)時，KQ在過電壓情況下才開通，既起到保護元器件的作用，又使電機在正常同步運行時，KQ不會誤導(dǎo)通。



　　2、投勵環(huán)節(jié)改進：電機在起動及再整步過程中，按照“準角強勵磁整步”的原則設(shè)計。就物理概念而言，系指電機轉(zhuǎn)速進入臨界滑差（即原來所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生的磁場與定子繞組產(chǎn)生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的S極相吸，定子磁場的S極與投勵后轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的N極相吸）。在準角時投入強勵，使吸力進一步加大，這樣電機進入同步便輕松、快速、平滑、無沖擊。投勵時的滑差大小，可通過數(shù)字式功能開關(guān)設(shè)定；對電機滑差大小的檢測，是根據(jù)裝置回路內(nèi)測取的轉(zhuǎn)子電壓波形，經(jīng)采樣后取得Uf，通過變換整形，變成方波，再經(jīng)過光電隔離，輸入電腦系統(tǒng)，最后準確投勵。



改造后電機起動及投勵過程的波形見圖7



　　為使電機運行中勵磁電壓不致過高、過低或失控，在控制電路中設(shè)有1K、2K、3K功能開關(guān)。其中1K用來設(shè)定勵磁電壓的上限，它既作為設(shè)定勵磁裝置輸出直流電壓的上限，又作為電機起動及再整步投強勵的設(shè)定值；2K用來設(shè)定電機正常運行時的勵磁電壓；3K用來設(shè)定勵磁電壓的下限。投勵時，首先按1K強勵設(shè)定值運行1秒鐘，然后自動移至正常勵磁所設(shè)定的位置上。選用的LZK-3型裝置面板上有薄膜面板開關(guān)，按動上升鍵或下降鍵，可以在1K及3K所設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)整勵磁電壓大小。

　　由于全部采用數(shù)字化開關(guān)及電腦控制，使裝置性能穩(wěn)定。完全消除采用電位器控制時存在的諸多弊端。

　　3、失步保護裝置：其基本原理是利用同步電動機失步時，在其轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生不衰減交變電流分量的特征，通過測取轉(zhuǎn)子勵磁回路交變電流信號，并對其波形特征進行智能分析，快速、準確判斷電機是否失步。對于各類失步，不管其滑差大小，裝置均能準確動作。根據(jù)具體情況，動作于滅磁、再整步，或啟動后備保護環(huán)節(jié)動作于跳閘。而電機未失步，則不管其振蕩多大，裝置均不誤動作。




　　其中圖8（a）、（b）、（c）勵磁回路已出現(xiàn)不衰減的交變電流信號，電機已失步，失步保護環(huán)節(jié)應(yīng)快速及時動作；圖8（d）是同步振蕩，電機未失步，失步保護環(huán)節(jié)應(yīng)不誤動作。對某些舊電機或已受暗傷的電機，有時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子回路開路，此時勵磁回路電流突然下降至零，失步保護環(huán)節(jié)就應(yīng)快速動作。本系統(tǒng)能根據(jù)勵磁回路電流波形準確快速地分析電機是否已失步。

　　失步保護所取信號，是從串接在勵磁回路中的分流器上測取不失真的毫伏信號。此信號經(jīng)放大變換后輸入電腦系統(tǒng)，由電腦系統(tǒng)直接分析，并做出判斷輸出。

　　4、失步后帶載自動再整步：正常運轉(zhuǎn)中的同步電動機，經(jīng)裝置檢測，判斷確認已失步后，立即動作于滅磁、異步驅(qū)動、帶載再整步。

　　LZK-3型綜合控制器中的滅磁環(huán)節(jié)，是采用斷勵續(xù)流滅磁，即電機失步后，立即停發(fā)觸發(fā)脈沖，勵磁控制繼電器LCJ吸合，斷開勵磁接觸器控制回路及勵磁主回路。待整流主橋路可控硅關(guān)斷后，LCJ釋放，電機進入異步驅(qū)動狀態(tài)。

　　電機一旦失步進入異步運行，必須改善電機的異步驅(qū)動特性。在電機處于異步運行狀態(tài)情況下，裝置自動使KQJ繼電器處于釋放狀態(tài)，通過KQJ的常閉接點，使KQ可控硅在很低電壓下便開通，以改善電機的異步驅(qū)動特性（圖9所示）。



　　同步電動機異步起動時轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)出很高的電壓，此電壓會直接危及電機轉(zhuǎn)子的繞組絕緣，因此勵磁裝置要及時地在主機起動過程中串接適當?shù)臏绱烹娮琛?BR>
　　該勵磁裝置起動滅磁回路中晶閘管KQ導(dǎo)通電壓采用高、低通電壓分級整定，保證主機良好的異步驅(qū)動性能，如圖9所示。主機起動時，通過電阻R7、R8、穩(wěn)壓管DW3分壓限幅將轉(zhuǎn)子兩端感應(yīng)的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓信號Uf，再經(jīng)RC（不在圖中）濾波、過零比較器處理、光電耦合器隔離后送至單片機系統(tǒng)。單片機檢測到該信號和合閘接觸器動作信號后，使繼電器KM1處于釋放狀態(tài)，KQ在很低電壓（約12V）下便導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子回路的正向電流經(jīng)KQ、滅磁電阻RF流過，反向電流經(jīng)二極管ZQ、RF流過，保證了正反向電流的對稱性，使主機起動平穩(wěn)。當主機起動結(jié)束進入同步后，微機自動讓繼電器KM1、KM3動作，KQ導(dǎo)通電壓轉(zhuǎn)入高通值（約250V）運行，KQ自動關(guān)斷。

　　為避免KQ因過電壓設(shè)定值太低或?qū)ê笥捎谡麟妷狠^高使整流電壓波形無過零點等原因關(guān)不斷，或因運行中由于某種原因誤導(dǎo)通，造成RF長時間通電發(fā)熱燒壞，在裝置內(nèi)設(shè)有KQ誤導(dǎo)通檢測電路。若KQ未導(dǎo)通，在KQ與RF回路中，直流勵磁電壓全部降在KQ上，RF兩端無過電壓，處于冷態(tài)；一旦出現(xiàn)KQ導(dǎo)通后，直流勵磁全部降落在RF上，繼電器KM2線圈得電吸合，其動合觸點閉合，電腦系統(tǒng)接收到KQ誤導(dǎo)通信號后，先停發(fā)200ms脈沖，使整流電路轉(zhuǎn)入失控狀態(tài)，KQ在電流波形過零點自然關(guān)斷。若關(guān)不斷，電腦指令繼電器KM4（不在圖中）動作，通過觸點接通報警回路，電鈴響起，并在液晶面板上使用漢字顯示“KQ誤導(dǎo)通”，提請現(xiàn)場值班人員檢查處理。

　　經(jīng)改造后，電機在起動過程，轉(zhuǎn)子電流If波形曲線趨向平滑，KQ兩端的電壓U1一直為零，無任何尖端和毛刺，說明滅磁晶閘管導(dǎo)通非常及時，起動回路特性很好。投勵后U1自動轉(zhuǎn)為正常勵磁電壓，KQ已自動關(guān)斷。

　　當供電系統(tǒng)出現(xiàn)“自動重合閘”、“備用電源自切”或“人工切換電源”時，將出現(xiàn)電能輸送渠道的短暫中斷。為防止電源恢復(fù)瞬間可能造成的“非同期沖擊”，由防沖擊檢測環(huán)節(jié)送給本裝置一對接點FCJ。電腦接收到FCJ接點信號后，將同樣動作于滅磁、異步驅(qū)動、帶載再整步。

　　5、后備保護環(huán)節(jié)：在同步電機或勵磁裝置出現(xiàn)再整步不成功、電機起動后或失步后長時間不投勵、電機在投勵后拉不進同步、起動時間過長或熔斷器、可控硅、二極管、整流變壓器損壞等故障，使電機無法正常運行時；為保證電機及勵磁裝置安全，裝置中特設(shè)了一個后備保護環(huán)節(jié)，動作于跳閘停機。后備保護動作跳閘后，控制面板上留有“后備保護動作”信號，也便于分析和記錄。

　　6、可控硅誤導(dǎo)通檢測：設(shè)計時采取了對KQ可控硅的開通電壓實行分級整定，即電機在起動過程及失步后的異步驅(qū)動暫態(tài)過程中，為改善電機的異步驅(qū)動特性，使KQ在很低電壓下便開通；而當電機進入同步后，KQ開通電壓設(shè)定值較高，主要是為了保護電機，保護可控硅、二極管，防止過電壓，因此，僅在出現(xiàn)過電壓情況下開通。

　　為避免KQ可控硅因過電壓設(shè)定值太低，或開通后關(guān)不斷，造成滅磁電阻RF長時間通電而過熱，裝置內(nèi)設(shè)有KQ誤導(dǎo)通檢測裝置，若KQ未導(dǎo)通，在KQ與RF回路，直流勵磁電壓全部降落在KQ上，在滅磁電阻RF兩端無電壓，滅磁電阻RF處于冷態(tài)；一旦出現(xiàn)KQ導(dǎo)通后，直流電壓降落在滅磁電阻上，裝置內(nèi)繼電器RFJ線圈得電吸合（見圖9），其接點信號輸入電腦系統(tǒng)，電腦接收到KQ導(dǎo)通信號（即RFJ接點信號）后，對于因過電壓引起的導(dǎo)通，電腦系統(tǒng)指令其過電壓消失后自動關(guān)斷。對因電壓設(shè)定值太低造成的KQ誤導(dǎo)通，或?qū)ê箨P(guān)不斷，電腦指令控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點接通報警回路，并控制面板上“KQ誤導(dǎo)通”信號指示燈亮，發(fā)出聲光信號提請操作人員檢查處理。

　　7、失控檢測系統(tǒng)：由于外部因素，如觸發(fā)脈沖回路斷線或接觸不良，造成脈沖丟失，控制回路同步電源缺相或消失，主回路元件損壞（如熔斷器熔斷）造成主回路三相不平衡、缺相運行，但未造成電機失步（若失步，則由失步再整步回路或后備保護環(huán)節(jié)處理），裝置能及時檢測到，若10秒鐘后故障仍未消除，裝置就控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點，接通報警回路，并控制面板上的“失控”信號指示燈亮，發(fā)出聲光信號。

　　失控或缺相檢測，基本原理是利用電機進入同步后的正常運行情況下，對直流勵磁電壓波形特征進行分析，圖10是幾種典型的勵磁電壓波形，圖10（a）、（b）為正常運行，圖10（c）為缺相運行，圖10（d）為失控運行。



　　當控制器檢測到電機出現(xiàn)失步、勵磁裝置出現(xiàn)KQ可控硅誤導(dǎo)通、失控或由控制器后備保護環(huán)節(jié)動作于電機跳閘時，控制器面板上分別備有各自的指示燈。按復(fù)歸按鈕，指示燈復(fù)位。其中KQ可控硅誤導(dǎo)通、失控，除有燈光信號外，電腦還控制報警繼電器吸合，由BXJ接點接通音響報警回路。按復(fù)位按鈕，報警繼電器BXJ復(fù)位。

五、技術(shù)改造后的效果

　　1.同步電動機勵磁裝置改造后，在異步驅(qū)動過程中平滑、快速，完全消除了采用老式勵磁屏在電機異步暫態(tài)過程中所存在的脈振，滿足了帶載起動及再整步的要求；其投勵按照“準角強勵整步”的原則設(shè)計，具有強勵磁整步的功能，電機拉入同步的過程平滑、快速、可靠，大大減小了對電機的沖擊，也確保了同步電機的安全可靠運行；其先進完善可靠的帶勵失步、失勵失步保護系統(tǒng)，也保證了同步電動機在發(fā)生帶勵失步和失勵失步時，快速動作，保護電機，使電機免受損傷。這一技術(shù)改造措施，使我公司6KV高壓同步電動機及勵磁屏故障率、維修量顯著降低，經(jīng)過3年運行考驗，受到基層維護人員的一致好評和充分肯定。

　　2.由于采用了先進的電腦控制技術(shù)，所有控制過程均自動處理，面板采用新型薄膜按鍵，具有完整、直觀的信號顯示系統(tǒng)，當電機出現(xiàn)失步，再整步后備保護跳閘、勵磁出現(xiàn)失控、裝置是否運行正常等均有信號指示；核心部件同步電動機綜合控制器也能指示自身是否發(fā)生故障，且具有不停機不減載，不損傷電機的情況下從容在線更換的功能，使整個操作更方便，性能也更穩(wěn)定可靠，有利于運行操作人員的使用和監(jiān)控。

　　3.由于交流電網(wǎng)上的主要負荷是異步電機和配電變壓器等感性負載，它們都需要從電網(wǎng)吸收無功功率。根據(jù)同步電機的性質(zhì)（容性負載），如使其工作在過勵狀態(tài)，將滯后的無功功率發(fā)送給電網(wǎng)，可改善系統(tǒng)電網(wǎng)的功率因數(shù)。選用的LZK3型勵磁裝置設(shè)置了閉環(huán)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，通過功率因數(shù)變送器，將主機運行時的功率因數(shù)轉(zhuǎn)換為標準電信號，經(jīng)過輸入/輸出板處理后給電腦系統(tǒng)采樣參數(shù)與設(shè)定數(shù)值進行比較后，使用軟件實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，這樣不管電機負載如何變化，勵磁裝置都能自動跟蹤調(diào)節(jié)，保持恒功率因數(shù)運行，減少電機的定、轉(zhuǎn)子、整流變壓器的損耗，與老式勵磁裝置相比真正意義上實現(xiàn)了同步電動機的最佳經(jīng)濟運行