同步电动机变频起动中的典型故障

1 引言

　　同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良好的运行性能在大功率电气传动领域独占螯头，是驱动大型风机、水泵、压缩机的首选机型。但大型同步电动机的起动是个相当复杂的问题。如果用减压起动，不但需要很大的变压器、电机结构又相对复杂，且起动对电网有较大的冲击。而利用负载换相同步电动机的原理，对大型同步电动机进行变频起动，是比较理想的方法。本文以宝钢三烧结主排风机的起动装置为例，介绍同步电动机变频起动的原理、过程以及典型故障及处理方法。

2 起动装置的基本组成及主要参数

　　宝钢三期烧结于1998年建成投产，两台主排气风机的电气装置由rolls-royce公司提供。

　　2.1 起动装置的特点

　　（1） 没有盘车装置，真正实现静止起动;

　　（2） 采用无刷励磁，维护检修方便;

　　（3） 数字化控制系统，调试方便，提高了系统的可靠性;

　　（4） 电动机在同步状态并网，对马达、电网的冲击小。

　　2.2 主电路的结构

　　主回路由降压变压器、三相全控桥整流电路、直流电抗器、晶闸管逆变器、升压变压器及同步电动机组成。整流器控制系统为速度、电流负反馈双闭环系统;逆变器控制系统由光电编码器（ope）和间接式（ops）转子位置检测器，用于投网控制的整步微调和同步并网。系统的基本构成如图1所示。

　　2.3 主回路部分主要设备的参数

　　主回路部分主要设备的参数如表1所示。

　　直流电抗器（dc-l）的作用是将整流输出的直流脉动值限制在一定数值之下，以保证逆变器的工作稳定。考虑到晶闸管的阻断电压和额定电流，系统使用了降压变压器、升压变压器。由于变流回路的电压等级降低，使整流、逆变每桥臂只使用了一个晶闸管。

3 起动过程

　　从起动指令发出到起动完毕同步并网，经历了升压变旁路－接通切换，“强制（断续）－自然换相”切换、整步微调和同步并网等过程，其间有3次电流限制值切换。

　　发出起动指令后，先投入励磁，然后合上起动装置的输入、输出开关，使其投入运行，开始起动。表2显示起动加速过程中，控制方式和主要状态的变化。

表2 起动加速过程中，控制方式和主要状态的变化

　　由于变压器在低频时效率较低，不足以带动电动机，同步电动机从静止开始起动时，升压变压器处于旁路状态，直到额定转速的8％（4hz），断开旁路开关，接通升压变压器。当转速提升到10％（5hz）时，电流限幅由20％切换到50％。这期间是采用强制换相法，断流时将整流侧延迟角α推到135°，同时导通续流晶闸管，从而不至于因电抗器的能量释放而影响逆变器的断流，快速关断主回路断流，然后在减小α角的同时，输入电流开始增加时，电抗器两端的极性改变，续流晶闸管v0自动关断。当主回路电流降到零后，经延时释放整流器与逆变器的晶闸管。在强迫换流阶段，主要通过编码器来检测转子位置，从而触发相应的晶闸管，使得逆变器的晶闸管超前角为零，提高启动转矩。

　　当电机加速到额定转速的10％到14％（5hz到7hz）时，逆变换流方式由强制换流切换到反电动势自然换相，完成了换相方式的转换。即通过间接检测同步电动机定子绕组感应电动势的间接计算转子位置，这样可以较高的控制精度。

　　同步电动机在低速段运行时，逆变桥晶闸管的持续导通时间比较长，容易过热。鉴于风机低速时负载较轻，直流电流限制值设定在晶闸管额定电流的20％。待转速上升到10％升压变压器处于接通状态时，电流限制切换到50％，当转速提升到17％以后，将电流限制值切换到额定电流值上，在此同时，为了提高系统的效率和平均转矩，励磁方式由励磁电流保持恒定，改为磁通保持恒定。同步电动机加速到额定转速的95％时，系统进入整步微调控制阶段。装置从起动指令发出到开始自动整步微调历时约90s。

　　进入整步微调控制阶段后，同步继电器根据电网电压和同步电动机端电压两者频率上的差值（δf），产生一个转速微调信号，自动地调整整流器输出的直流电压的高低，对同步电动机转速作微调，以使两者的频率差减小到目标值以内。与此同时，励磁电流也由同步继电器控制，以使同步电动机端电压和电网电压的幅值差达到目标值。

　　通过对同步电动机端电压的幅值、频率的微调，使得同步电动机定子端电压和电网电压之差值达到下述指标时：δf《1/4hz、δu《2％un、δsγ≈0（δsγ为相位差），同步并网条件即告成立。系统封锁整流器和逆变器的全部触发脉冲，输出电流下降到零。与此同时，电动机并入电网，随后起动装置的电源侧和负载侧开关分断，结束起动过程。整步微调阶段历时约20s到40s。

4 故障现象及原始处理过程

　　4.1 并网超时故障

　　（1） 故障现象

　　并网超时是调试阶段、和投产初期较常出现的一个故障。主要现象是，转速接近1000r/min后，不能并网导致起动超时失败;在整步阶段的励磁电流为85a到130a之间，明显大于加速阶段的70a到75a之间。

　　（2） 故障分析

　　根据同步电动机的转速公式可知：

　　式中：n电机的转速;

　　u2整流器的输入电压;

　　α整流器的移相控制角;

　　id直流回路的电流;

　　r0逆变器的换相超前角即每相电流的起始点相对于该相自然换相点的角度;

　　u逆变器的换流重叠角;

　　φ气隙磁通。

　　转速n与气隙磁通φ成反比，如果气隙磁通φ过大，将会抑制转速的上升，使转速达不到额定值，使并网超时起动失败。经分析、测试整步并网阶段励磁电流偏大有两个主要原因：

　　l如前所述，当进入整步并网阶段时，励磁的控制方式由恒磁通转为以电网电压为目标调节电机端电压。其指标是使电动机端电压u端与电网电压u网的误差在2％以内。当转速n大于95％时由加速阶段切换到整步阶段，由于电压上升速度远快于转速上升速度，这样就导致n约为95％时，u端＝（100%-2％）u网，也就是气隙磁通φ偏大，即励磁电流偏大，而且只要u端在（100%±2％）u网范围内励磁电流不再进行调整，最后使n=100％时，电机的端电压在上限值附近。

　　2对同步继电器进行测试发现其电压幅值匹配明显不合理，其幅值匹配是1.05u网＝u端。加前一因素的影响，使并网电压幅值控制目标实际是1.07u网＝u端，导致励磁电流过大，其他情况稍有变化，转速n就达不到额定值，使并网失败。

　　（3） 对策措施

　　根据这一情况把同步继电器的电压幅值匹配调整为0.975u网＝u端，整步阶段励磁电流明显下降，为70a到85a之间，消除了并网失败现象。

　　4.2 编码器故障

　　（1） 故障现象

　　2001年7月1日，因其它故障导致三烧结1#、2#主排同时停机，主排具备起动条件后，起动1#主排，在起动过程中逆变控制单元mc2315出现“err2”故障（零电流超时），使起动失败。然后起动2#主排，同样故障起动失败。

　　（2） 故障分析

　　零电流超时通常是因为转子位置检测错误或mc2315板故障引起的。这里采用光电编码器测量转子位置及转速，此类装置耐高温能力差，由于连续高温天气，环境温度过高，持续在65°以上。根据点检检查记录，编码器信号7、8通道已经不是标准方波，性能显著劣化。基本可以断定故障是因为编码器信号紊乱引起。由于更换编码器时间较长，可以考虑先冷却编码器，观察使用效果，再决定是否更换编码器。

　　触发角取消在同步马达正常运转时，编码器的测速功能，关闭编码器电源。同时改善厂房内通风条件，降低环境温度。延长编码器寿命。

　　4.3 晶闸管短路故障

　　（1） 故障现象

　　2001年7月某次工事结束，起动1#主排，发现电动机不动，按紧停按钮终止起动。进行一些检查后，起动2#主排，故障现象不变。具体现象是：电动机励磁投入后，电动机声音反应正常（有电流通过）。主回路投入后，电动机声音反应正常，但不转动。起动装置的直流电流显示与设定的440a略有偏差。

　　（2） 故障分析

　　起动1#主排电动机不动。造成这种情况的可能原因有：没有励磁电流或励磁电流不足，没有主回路电流或主回路电流不足，编码器位置检测不正确，还有电动机本身问题造成起动力矩不足。

　　由于在历次及最近的定修中，电动机的机械、电气参数完全正常，而且又是两台电动机同样故障，在这里可以暂不考虑电动机本身。励磁盘电流显示正常，电动机的二极管故障没有报警，励磁电流投入时电动机声音正常，可以认为励磁回路正常。

　　首先更换编码器，但更换编码器后起动1#主排故障现象不变，说明与编码器无关。电动机电流的声音反应正常，说明电流确实流过定子线圈。我们发现三相交流进线电流不平衡。对整流器进行检查，发现软起动装置整流桥中1#晶闸管短路。更换晶闸管，启动装置运行正常。

　　对降压变压器、晶闸管进行检查，发现软起动装置整流桥1#晶闸管短路，整流桥原理图如图2所示。

　　该装置中，整流器采用速度、电流双环控制，没有直接检测直流回路的电流，而是通过检测交流回路的电流来计算直流电流。整流桥晶闸管的工作顺序依次是12、23、34、45、56、61，如果1#晶闸管击穿，在12导通期间，直流回路有电流流过，从而在电机的定子线圈中有电流流过。由于启动电流限幅在20%，而电机的速度为零，即反电势为零，所以整流器晶闸管触发角比较大。触发3#晶闸管时，由于ab相经由1#、3#晶闸管短路，直流回路没有电流通过。降压变压器短路阻抗很大（8.6%），限制了短路电流;同时，由于交流电流增大，系统计算出直流电流反馈增大，控制系统通过调节，及时地调节晶闸管的触发角，在下一个晶闸管触发时，触发角很大，限制了交流电流的持续增大，所以相应的晶闸管、快熔没有发生连锁反应损坏。由于实际流进电机的电流不大，使得电动机不能起动。

　　（3） 故障教训

　　由于直流电流表的波动没有及时观察到，客观上加大了故障处理难度。以及由于潜意识认为，晶闸管短路会发生相关晶闸管及对应快熔的连锁反应，使故障扩大化，所以主观上也没有重视晶闸管击穿的可能，也在一定程度上增加了故障处理时间。但实际上由于采用了高漏感的专用变压器，发生短路事故时，限制了短路电流，同时电流给定只有额定的20%，限制了α角，也减轻了短路电流的损害。

　　（4） 对策措施

　　每次主排起动前，必须测量晶闸管阻值;启动过程中对三相电流进行监控。

5 结束语

　　宝钢三烧结主排气风机在投产初期，起动失败故障较多，以上是几个比较典型的故障。我们没有依赖于外方，独立自主地解决系统中存在的问题。除了采取了前述的措施外，还在定修中，按计划分部对所有的备件进行在线调整试验，保证完好备件供应，以及熟悉设备性能。在最近三年中，已经没有发生起动失败故障。

　　变频起动大型同步电动机，起动平稳，对电网也完全没有冲击，可靠性高，国内外已应用得相当广泛。此类设备的维护、故障处理也成为一个重要的研究课题，如果方法、措施得当可以有效降低设备维护成本，减少故障时间。