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大型无刷励磁同步电机的应用
卢吉海
北京东方石油化工有限公司有机化工间 北京
100022
摘要：以有机化工厂EVA树脂装置中6300kw大型进口同步电动机为例，简要介绍无刷励磁同步电动机特性、起动装置的基本组成、起动控制、励磁控制、相关原理、电机保护及运行程序。并参照该同步电机多年来的运行维护记录、各专业技术交流记录、本企业专家观点和原装设备说明书等，重点对该同步电机在北京有机化工厂EVA树脂装置运行过程中出现的典型故障案例进行原因分析、总结并给出解决方案。目的是期望能给同类装置的运行维护提供经验、借鉴或交流。
关键词：同步电动机
无刷励磁 故障
控制
绪论
同步电机有三种运行方式：发电机、电动机、补偿机，从运行实践看主要以发电为主。随着工业的发展，同步电动机以其可调功率因数、转速恒定、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成为首选机型。北京有机化工厂EVA树脂装置是90年代初北京乙烯工程（九五计划）从国外引进的重点项目，其中的重点设备乙烯压缩机采用进口无刷励磁同步电动机驱动，在有防爆、防尘、防腐蚀等要求的石油、化工等特殊场合，无刷励磁同步电动机相对于我国目前广泛应用的励磁电流通过碳刷和滑环这一对“动接触部件”供给的有刷励磁同步电动机而言优势明显，它彻底杜绝了因碳刷和滑环接触不良、碳刷长期磨损而发生的各种电机故障，尤其是避免了产生拉弧、电火花。
该无刷励磁同步电动机自94年投入运行以来，电机及控制系统故障率低，运行安全稳定，并能解决内部电网无功平衡，给企业创造了很大的经济效益。该6300kw大型同步电动机的特性及运行方式在国内具有代表性，因此，对该无刷励磁同步电动机起动装置的基本组成、励磁控制、原理、保护及电机运行程序等内容进行介绍，尤其是对该同步电机在我厂EVA树脂装置运行过程中出现的典型故障案例进行原因分析、总结是很有现实意义的。
1．北京有机化工厂EVA装置同步电动机特性
1.1
电机
EVA树脂装置乙烯压缩同步电动机由法国JUMONT
SCHNEIDER公司生产，电机型号为SAT384-40-30，额定电压10KV，额定频率50HZ，额定功率6300KW，额定电流419.2A，额定转速300r/min，功率因数0.9(超前)
，绝缘等级定子F级、转子F级，接线方式为Y星形，额定励磁电压211.3V，额定励磁电流190.6A。
1.2
盘车装置
用一台驱动电机作为盘车装置，用于安装、试验、调整、维修等操作，在较低的速度下转动电机或机组，配有电气联锁与机械保险装置，以免破坏盘车装置及同步电机。
1.3
防爆
外壳防护等级IP55，防爆等级EEXPⅡ
BT3
为正压型电气设备，由于介质是乙烯气体，为不使可燃气体进入电机机体内，配置有一套完整的通风系统，使机壳内相对于外界大气保持足够大的正压，防止外界腐蚀或可燃性气体侵入。冷空气入口设有过滤网，入口温度最大45oC。并装有压力保护装置，设定最小压力为200Pa，当压力下降时发出信号，电机跳闸。
1.4
冷却
冷却方式为
ICW37A81，冷却水流量大于18.6m3/h
，冷却水流入口温度小于31oC，水冷却器置于电机下部，给进入电机的空气冷却。冷空气允许温升到75
oC。设漏水监控仪，监控水冷却器的泄漏；滑动轴承设现场温度显示仪表。
2．EVA装置同步电动机控制系统的组成
2.1一次设备
有中压开关柜三台和一台自耦变压器。中压开关采用ABB 公司VD4M1212P25型真空断路器，额定电流1250A。自耦变压器额定容量13270KVA，原副边电压变比为10000/8500±500V。
2.2
无刷励磁控制系统
由交流励磁发电机，旋转整流器，旋转二极管故障检测装置，励磁控制柜四部分组成。
2.2.1
励磁发电机
电机型号为AE84-20-12技术数据为：额定电压170.6V，额定电流148.3，额定频率20HZ，功率因数0.92，绝缘等级F级，接线方式为Y星形。
同步电动机主轴上安装一台三相交流励磁发电机，该励磁发电机的定子绕组和转子绕组与一般交流发电机刚好相反，即定子励磁，转子发电。380V
， 50Hz 电源经整流压器
TEX 调压，再由励磁调节器XBR整流后供给励磁发电机定子直流励磁电源，与主轴一起旋转的交流励磁机转子绕组发出三相交流电，该三相交流电经旋转整流器整流后供给同步电动机转子绕组励磁电流。调节交流励磁发电机定子绕组的励磁电流，就可使励磁发电机的转子所发出的三相交流电压得到调整，从而改变同步电动机转子励磁绕组的励磁电流。同步电动机起动、停车时的灭磁环节和同步电动机的投励环节都安装在转子上，均在旋转状态下工作。这种由励磁发电机从转子发电，整流器在旋转状态下进行整流供给同步电动机转子励磁的方式，不再需要有静止部分和转动部分之间的相互接触导电，完全省去了电刷和滑环的接触，实现无刷励磁。
2.2.2
旋转整流器
包括：门控模块，同步脉冲模块，启动电阻。模块由美国西屋电器生产，装在专用的模块盒内，除可调部分及接线端引出外，其余均用专用胶密封固化。
门控模块，在电机异步启动时接入启动电阻，使电机具有良好的启动特性，启动平稳、迅速、无脉振，同时在运行中不会误通启动电阻，投励后自动退出。
同步脉冲模块，提供触发脉冲并实现顺极性滑差准角投励或计时投励。
启动电阻，异步启动时防止转子励磁绕组产生高电势，限制单轴转矩产生。停机时励磁绕组灭磁。
六只旋转整流二极管顺向串联组成三相整流桥，起动电路则由旋转二极管和可控硅各1只反向并联组成。投励电路由同步脉冲模块和另一只可控硅组成。
2.2.3
旋转二极管故障检测装置
无刷励磁系统是保证电机正常运行的关键部件，旋转整流器，因工作时不能检查其参数，检查故障较为麻烦，设置二极管故障检测装置是为了能从外部参数确定整流二极管故障。其工作原理是，二极管击穿常表现为短路，当一个整流桥上的旋转二极管损坏时，它反过来引起发电机转子上一系列的两相短路。存在一个影响电机电枢反应的周期性不平衡。通过励磁机定子上与中性轴相对的地方安放的不动线圈，用它检测出这种不平衡，正常运行时有一个频率为6f的电动势，当出现一个频率为f的电动势时，故障就显示出来，把一个适当容量的电容器并联在检测线圈上，构成一个谐振在频率f的线路陷波电路。把以这个频率发射出的信号整流、滤波推动继电器DDAE，实现旋转二极管故障检测。
2.2.4
励磁控制柜
包括：励磁调节器XBR，PLC可编程控制器。
励磁调节器XBR，为交流励磁机提供励磁、可手动调节励磁电流，也可实现功率因数自动调节。手动自动相互切换时无扰动。
PLC可编程控制器，控制增压风机及清洗程序，控制投励及励磁调整，输出同步机运行工作状态。采用TE电气的PLC可编程控制器，型号为TSX
172 4012F，共包括24点/公共端的24V输入模块2个，16点/公共端的24V输出模块1个，6点/公共端的24V输出模块2个。
3．主要原理图
3.1一次单线图
同步电机降压启动时电机轻载启动先给全压后投入励磁，异步启动采用自耦变压器降压方式，避免同步机启动时对电网造成难以承受的冲击。见图3.1.1：主回路一次单线图。
3.2
无刷励磁系统控制原理图
该同步机简要控制原理是，电机降压启动结束时，高压断路器152/2辅助接点闭合
，送到PLC可编程控制器装置，由PLC控制励磁接触器CEX，励磁调节器输出直流电压供交流励磁机定子励磁绕组，交流励磁机发出交流电压供旋转整流装置，旋转整流装置中的门控模块、同步脉冲模块检测同步电机转子频率为sf的感应电压正半周脉宽，当脉宽达投励定值并过零时，同步脉冲模块发出触发脉冲开通整流晶闸管，同步电动机由顺极性角投励平稳牵入同步。
运行中，如将励磁装置设置成“自动调节”方式，则装置会按设定值自动调节励磁。
在电机正常或事故停车高压断路器断开后，静态励磁装置联动灭磁，切断供交流励磁机的励磁电源。
4．保护
4.1
电气保护
高压大功率同步电动机在起动和运行过程中，会发生一些异常情况，如过流、低压、失步、电动机内部线圈绕组短路、开路、接地等，因此，对电动机的运行状态，必须进行实时监控，并且要采取一系列的保护措施，来保证电动机的安全和整个系统的正常运行。我厂EVA装置中同步电动机投入如下保护措施：低电压保护；差动保护（针对电机内部故障，提供快速、高灵敏性保护）；接地方向保护（高灵敏性接地故障保护）；过流保护；短路保护；启动次数限定，冷态条件下，允许电机启动2次，并间隔时间30min；在热态条件下
，允许电机启动1次。旋转二极管故障；电机定子绕组保护（内装pt100型电阻测温装置，温度高于130
oC时跳闸）。
4.2
工艺保护
为确保安全运行，工艺现场要求的压缩机介质入口温度大于53
oC，出口温度大于105
oC，压缩机入出口压力差超过125MPa，轴向或径向振动超过设定值，润滑油压力小于0.16
MPa，电机内部空气压力小于200Pa
，冷却水泄漏；冷却水温度高于31
oC，冷空气入口温度高于43
oC，热空气出口温度高于75
oC，轴承温度高于85
oC等各项设定值超标都能导致电机跳闸及仪表联锁。
5．运行程序
5.1
工艺检查
引入乙烯介质，入口压力要高于14 MPa，低于19.8
MPa，查看各主要控制点测量值是否符合要求，不符合要求的需进行工艺调整，使之达到启动压缩机条件。
5.2
启动油泵
开启乙烯压缩机油泵，检查油压，使油压达到0.5 MPa，并保持相对稳定。
5.3
盘车
用盘车电机进行盘车。
5.4
启动增压风机
将SBAM选择开关置于自动位置（AUTO），按下清洗BSCA按钮，1号风机启动，如1号风机故障跳闸，2号风机自动启动。
将SBAM选择开关置于手动位置（MANU），通过按钮选择风机起动或停止。
检查空气压力，温度。
5.5
控制柜检查
直流电源，动力电源，控制柜盘面上的各种信号等均须正常。
5.6
启动清洗程序
按下清洗BSCA按钮，SBAM选择开关置于自动位置时，通过KR3继电器打开主电机上的净化阀，并由极限位置开关控制，发出“净化阀已开”、“正在换气”指示灯信号。清洗换气30分钟后KR3关闭净化阀，并由极限位置开关控制，发出“净化阀已关”、“电机已增压”指示灯信号。清洗时间约45分钟。
5.7
准备启动
PLC所有信号正常，且中压开关已做好启动准备。
5.8
现场启动
现场盘合上SB3锁定开关，按下起动按钮SB1，KR5继电器闭合1秒，向中压开关发出启动命令，
152/3、152/1断路器闭合，电机经自耦变压器降压启动8秒后152/3断路器分闸，1秒后152/2断路器合闸，全压加入，自耦变压器被短接（见图3.1.1），PLC发出励磁接触器CEX闭合信号，提供交流励磁机定子励磁电源。
5.9
励磁控制
启动快结束时，PLC发出电机牵入同步信号，励磁根据选择开关KEX状态进入正常位置。选择开关KEX在励磁电流控制位置时，通过按钮BEX+、BEX-调节励磁电流。选择开关KEX在功率因数控制位置时，由励磁调节器调节励磁电流，通过按钮BEX+、BEX-设定功率因数值。
5.10
现场停机
现场盘按下停止按钮SB2，KR7继电器闭合1秒，向中压开关发出停车命令，
152/1、152/2断路器分闸，断路器断开后，励磁装置联动灭磁，2秒后励磁接触器CEX打开，切断供交流励磁机的励磁电源。
6．故障及解决措施
该无刷励磁同步电动机自94年投入运行以来，一直到2004年，每年都有几次停机跳闸故障及启动故障，参照该同步电机多年来的运行维护记录、各专业技术交流记录等，把典型故障案例总结如下。
6.1
工艺联锁跳闸
6.1.1
故障现象
中控室DCS系统操作台上显示压缩机出口温度报警，导致电机跳闸。
中控室DCS系统操作台上显示压缩机轴向、径向振动报警，导致电机跳闸。
6.1.2
原因分析
其中温度报警经分析是误报警，由于温度检测一次原件是熔断杆式温度开关，原理是当温度达到设定值时熔断杆断开并发出开关信号，由于受现场环境、机器振动的影响，有时会发生误断开，导致误报警。
振动报警经分析是外界信号干扰所致，由于振动检测一次原件是采用电磁感应式原理，当探头与轴之间的距离发生变化时，会感应出电压信号，达到设定值时发出报警，该原件极易受到电磁信号干扰。调查发现振动报警是由于现场人员使用对讲机、手机造成的。
6.1.3
解决措施
用热电偶加智能变送器代替熔断杆，改造后杜绝了温度误报警。
禁止现场及中控室使用对讲机和手机，施行后没有发生过振动误报警。
6.2
电动机冷却空气压力报警跳闸
6.2.1
故障现象
同步电机正常运行过程中以及启动过程中，励磁控制柜PLC输出信号灯显示，电动机冷却空气压力报警、电动机跳闸。
6.2.2
原因分析
如果压力检测开关表正常（无误动），则一定是冷却空气压力不足，有泄露点或进气压力不足。经检查分析发现，有一次压力报警是增压风机由于机械震动造成风机开焊，致使电机内所需的气体流量不足；有五次是试车及开始投运阶段（94-96年），由于工艺操作人员对盘车装置操作不熟练，每次启动同步电机前使用盘车装置后，不能将其退出到适当的位置，致使电动机存在泄漏点，造成电机内压力不足；有三次是压力检测表误动，因为表内机械弹簧脏，设定点移位；有一次是进气过滤网脏，阻碍空气进入致使压力不足。
6.2.3
解决措施
针对这一问题，我们与工艺车间沟通，改造增压风机，并在入口处加装压力表随时监视风道压力；加强操作工培训；定期检查、清扫压力检测表；根据季节及时更换过滤网。通过整改后，同步电机运行以及启动过程中再没有出现这类问题。
6.3
电压波动跳闸
6.3.1
故障现象
外电网电压波动导致电机保护跳闸。
外电网电压波动导致有关设备停机，致使工艺条件变化，发生联锁导致电机跳闸。
6.3.2
原因分析
有机化工厂EVA装置供电采用两路进线，有联络开关，平常解列运行，各带一半负荷，当压缩机所在的111路进线电压波动达到一定值时，保护跳闸是不可避免的。而另一段112路进线电压波动时，由于会导致电机联锁跳闸的有关设备在112路上（如油泵），当112路电压波动时，也会产生电机跳闸。
6.3.3
解决措施
把会导致电机联锁跳闸的有关在112路上的设备转移到111路上，这样，当112路电压波动时，避免了电机跳闸。
6.4电动机不能牵入同步
6.4.1
故障现象
同步电机启动过程中，电机长时间处在异步启动过程，无法进入同步。
6.4.2
原因分析
从原理分析看，应该是励磁系统存在问题，停机后，我们对励磁系统进行检查试验，发现励磁系统工作正常。进一步检查发现问题在于异步启动过程152/2断路器因合闸线圈故障未能合闸，致使PLC未能发出投励信号。
6.4.3
解决措施
更换断路器152/2合闸线圈。
6.5
启动过程发生接地报警跳闸
6.5.1
故障现象
同步电机启动过程中，中压柜67N接地方向继电器动作，电动机跳闸。
6.5.2
原因分析
经过查找发现，自耦变压器瓷套管因灰尘对地污闪接地。原因在于北方冬、春季风沙天气多，以及自耦变压器室易进入灰尘。
6.5.3
解决措施
对自耦变压器室，自耦变压器瓷套管定期清扫，定期检查，尤其增加季节性的维护，并进行一定程度的封闭，组织实施后，杜绝了此类问题的再次出现。
6.6
电动机失励失步故障
6.6.1
故障现象
EVA车间工艺操作人员在DCS操作台上发现，同步电机电流异常增大，现场运转声音异常。
6.6.2
原因分析
励磁控制柜的PLC失去直流电源，致使同步电机失去励磁，电机失步处在异步运行状态，定子电流增大，功率因数降低。进一步检查发现直流系统发生故障，没有直流输出，致使中压柜断路器151/1、152/2无操作及控制电源，保护失效，无法实现自动跳闸。电气值班人员及时通知工艺人员后，向上级领导请示，为保证电机系统安全，领导下令立即手动分闸，避免了电机失励失步，长时间运行造成电机的损坏。停机后，请外公司专家与厂内专业人员一起对同步电机定子绕组及励磁系统进行检查、测试，未发现异常。
6.6.3
解决措施
淘汰老旧的直流系统，新上一套直流系统，并增加了在线检测和直流报警功能，同时制定了加强设备巡检制度。
7．结论及建议
在北京有机化工厂EVA装置使用的进口大型无刷励磁同步电动机从1994年投行以来已有近14个年头，一直安全稳定，该励磁系统控制技术较先进，性能可靠稳定，尤其适合易燃、易爆、易腐蚀的化工生产场所，并能解决内部无功平衡，多年的实际运行及维护也为我们提供了很多先进的经验，具有一定的推广价值，但也有不足之处。
7.1
对电网影响
当多套装置一同开车时（如全厂大修后），要先启动该同步机，因其对电网有一定的影响，启动瞬间能导致压降最大到80%。
7.2
环境要求严格
为防止电机元器件因环境问题造成锈蚀及尘土引起其它故障（尤其是无刷励磁系统），须定期清扫检修，定期更换进气滤网，以保护这些元件免受环境不良而损坏。
7.3
大检修问题
投运以来，小修没问题，彻底大修只有一次，是请国外原厂家JUMENT
SCHNEIDER公司的专家来拆装检修，厂内技术人员自己承担大检修还有一定问题。
7.4
外网波动问题
来之王君一路（111），和王君二路（112）的供电质量不稳定，每年有10次左右的电压波动，对安全运行带来隐患。
上述问题，建议给预重视。
以上是对有机化工厂EVA树脂装置中进口无刷励磁同步电机在实际运行中的认识、总结和体会。
参考文献：
1.
年产4万吨EVA树脂装置操作与维修手册
第4部分电气
第一卷 中国国家技术进出口公司
2.
邵海忠
最新实用电工手册 化学工业出版社
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