本文以寶鋼三燒結(jié)主排氣風(fēng)機(jī)起動裝置為例簡要介紹了大容量同步電動機(jī)變頻起動裝置的原理、結(jié)構(gòu)，并分析、總結(jié)了其起動過程中的幾個典型故障，包括晶閘管短路、并網(wǎng)故障等。從故障現(xiàn)象、處理過程、原因分析、對策措施等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。  
        1  引言
        同步電動機(jī)以其可調(diào)的功率因數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩對電網(wǎng)電壓波動不敏感等良好的運(yùn)行性能在大功率電氣傳動領(lǐng)域獨(dú)占螯頭，是驅(qū)動大型風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的首選機(jī)型。但大型同步電動機(jī)的起動是個相當(dāng)復(fù)雜的問題。如果用減壓起動，不但需要很大的變壓器、電機(jī)結(jié)構(gòu)又相對復(fù)雜，且起動對電網(wǎng)有較大的沖擊。而利用負(fù)載換相同步電動機(jī)的原理，對大型同步電動機(jī)進(jìn)行變頻起動，是比較理想的方法。本文以寶鋼三燒結(jié)主排風(fēng)機(jī)的起動裝置為例，介紹同步電動機(jī)變頻起動的原理、過程以及典型故障及處理方法。
        2  起動裝置的基本組成及主要參數(shù)
        寶鋼三期燒結(jié)于1998年建成投產(chǎn)，兩臺主排氣風(fēng)機(jī)的電氣裝置由Rolls-Royce公司提供。 
        2.1 起動裝置的特點(diǎn)
        (1) 沒有盤車裝置，真正實(shí)現(xiàn)靜止起動; 
        (2) 采用無刷勵磁，維護(hù)檢修方便;
        (3) 數(shù)字化控制系統(tǒng)，調(diào)試方便，提高了系統(tǒng)的可靠性;
        (4) 電動機(jī)在同步狀態(tài)并網(wǎng)，對馬達(dá)、電網(wǎng)的沖擊小。
        2.2 主電路的結(jié)構(gòu)
        主回路由降壓變壓器、三相全控橋整流電路、直流電抗器、晶閘管逆變器、升壓變壓器及同步電動機(jī)組成。整流器控制系統(tǒng)為速度、電流負(fù)反饋雙閉環(huán)系統(tǒng);逆變器控制系統(tǒng)由光電編碼器(OPE)和間接式(OPS)轉(zhuǎn)子位置檢測器，用于投網(wǎng)控制的整步微調(diào)和同步并網(wǎng)。系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。

      

            
     2.3 主回路部分主要設(shè)備的參數(shù)
                       
     主回路部分主要設(shè)備的參數(shù)如表1所示。

   

 圖17800kW同步電機(jī)起動裝置原理

        直流電抗器(DC-L)的作用是將整流輸出的直流脈動值限制在一定數(shù)值之下，以保證逆變器的工作穩(wěn)定?？紤]到晶閘管的阻斷電壓和額定電流，系統(tǒng)使用了降壓變壓器、升壓變壓器。由于變流回路的電壓等級降低，使整流、逆變每橋臂只使用了一個晶閘管。
        3  起動過程
        從起動指令發(fā)出到起動完畢同步并網(wǎng)，經(jīng)歷了升壓變旁路－接通切換，“強(qiáng)制(斷續(xù))－自然換相”切換、整步微調(diào)和同步并網(wǎng)等過程，其間有3次電流限制值切換。
發(fā)出起動指令后，先投入勵磁，然后合上起動裝置的輸入、輸出開關(guān)，使其投入運(yùn)行，開始起動。表2顯示起動加速過程中，控制方式和主要狀態(tài)的變化。

                        
     表2 起動加速過程中，控制方式和主要狀態(tài)的變化

                         
        由于變壓器在低頻時效率較低，不足以帶動電動機(jī)，同步電動機(jī)從靜止開始起動時，升壓變壓器處于旁路狀態(tài)，直到額定轉(zhuǎn)速的8％(4Hz)，斷開旁路開關(guān)，接通升壓變壓器。當(dāng)轉(zhuǎn)速提升到10％(5Hz)時，電流限幅由20％切換到50％。這期間是采用強(qiáng)制換相法，斷流時將整流側(cè)延遲角α推到135°，同時導(dǎo)通續(xù)流晶閘管，從而不至于因電抗器的能量釋放而影響逆變器的斷流，快速關(guān)斷主回路斷流，然后在減小α角的同時，輸入電流開始增加時，電抗器兩端的極性改變，續(xù)流晶閘管V0自動關(guān)斷。當(dāng)主回路電流降到零后，經(jīng)延時釋放整流器與逆變器的晶閘管。在強(qiáng)迫換流階段，主要通過編碼器來檢測轉(zhuǎn)子位置，從而觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，使得逆變器的晶閘管超前角為零，提高啟動轉(zhuǎn)矩。
        當(dāng)電機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速的10％到14％(5Hz到7Hz)時，逆變換流方式由強(qiáng)制換流切換到反電動勢自然換相，完成了換相方式的轉(zhuǎn)換。即通過間接檢測同步電動機(jī)定子繞組感應(yīng)電動勢的間接計算轉(zhuǎn)子位置，這樣可以較高的控制精度。
        同步電動機(jī)在低速段運(yùn)行時，逆變橋晶閘管的持續(xù)導(dǎo)通時間比較長，容易過熱。鑒于風(fēng)機(jī)低速時負(fù)載較輕，直流電流限制值設(shè)定在晶閘管額定電流的20％。待轉(zhuǎn)速上升到10％升壓變壓器處于接通狀態(tài)時，電流限制切換到50％，當(dāng)轉(zhuǎn)速提升到17％以后，將電流限制值切換到額定電流值上，在此同時，為了提高系統(tǒng)的效率和平均轉(zhuǎn)矩，勵磁方式由勵磁電流保持恒定，改為磁通保持恒定。同步電動機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速的95％時，系統(tǒng)進(jìn)入整步微調(diào)控制階段。裝置從起動指令發(fā)出到開始自動整步微調(diào)歷時約90s。
        進(jìn)入整步微調(diào)控制階段后，同步繼電器根據(jù)電網(wǎng)電壓和同步電動機(jī)端電壓兩者頻率上的差值(Δf)，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速微調(diào)信號，自動地調(diào)整整流器輸出的直流電壓的高低，對同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速作微調(diào)，以使兩者的頻率差減小到目標(biāo)值以內(nèi)。與此同時，勵磁電流也由同步繼電器控制，以使同步電動機(jī)端電壓和電網(wǎng)電壓的幅值差達(dá)到目標(biāo)值。
        通過對同步電動機(jī)端電壓的幅值、頻率的微調(diào)，使得同步電動機(jī)定子端電壓和電網(wǎng)電壓之差值達(dá)到下述指標(biāo)時:Δf<1/4Hz、ΔU<2％UN、ΔSγ≈0(ΔSγ為相位差)，同步并網(wǎng)條件即告成立。系統(tǒng)封鎖整流器和逆變器的全部觸發(fā)脈沖，輸出電流下降到零。與此同時，電動機(jī)并入電網(wǎng)，隨后起動裝置的電源側(cè)和負(fù)載側(cè)開關(guān)分?jǐn)?，結(jié)束起動過程。整步微調(diào)階段歷時約20s到40s。
        4  故障現(xiàn)象及原始處理過程
        4.1 并網(wǎng)超時故障
         (1) 故障現(xiàn)象
        并網(wǎng)超時是調(diào)試階段、和投產(chǎn)初期較常出現(xiàn)的一個故障。主要現(xiàn)象是，轉(zhuǎn)速接近1000r/min后，不能并網(wǎng)導(dǎo)致起動超時失敗;在整步階段的勵磁電流為85A到130A之間，明顯大于加速階段的70A到75A之間。
        (2) 故障分析
        根據(jù)同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知:

        式中:n電機(jī)的轉(zhuǎn)速;
        u2整流器的輸入電壓;
        α整流器的移相控制角;
        Id直流回路的電流;
        r0逆變器的換相超前角即每相電流的起始點(diǎn)相對于該相自然換相點(diǎn)的角度;
         u逆變器的換流重疊角;
        φ氣隙磁通。
         轉(zhuǎn)速n與氣隙磁通φ成反比，如果氣隙磁通φ過大，將會抑制轉(zhuǎn)速的上升，使轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定值，使并網(wǎng)超時起動失敗。經(jīng)分析、測試整步并網(wǎng)階段勵磁電流偏大有兩個主要原因:
        如前所述，當(dāng)進(jìn)入整步并網(wǎng)階段時，勵磁的控制方式由恒磁通轉(zhuǎn)為以電網(wǎng)電壓為目標(biāo)調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓。其指標(biāo)是使電動機(jī)端電壓U端與電網(wǎng)電壓U網(wǎng)的誤差在2％以內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速n大于95％時由加速階段切換到整步階段，由于電壓上升速度遠(yuǎn)快于轉(zhuǎn)速上升速度，這樣就導(dǎo)致n約為95％時，U端＝(100%-2％)U網(wǎng)，也就是氣隙磁通φ偏大，即勵磁電流偏大，而且只要U端在(100%±2％)U網(wǎng)范圍內(nèi)勵磁電流不再進(jìn)行調(diào)整，最后使n=100％時，電機(jī)的端電壓在上限值附近。
        對同步繼電器進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)其電壓幅值匹配明顯不合理，其幅值匹配是1.05U網(wǎng)＝U端。加前一因素的影響，使并網(wǎng)電壓幅值控制目標(biāo)實(shí)際是1.07U網(wǎng)＝U端，導(dǎo)致勵磁電流過大，其他情況稍有變化，轉(zhuǎn)速n就達(dá)不到額定值，使并網(wǎng)失敗。
        (3) 對策措施
        根據(jù)這一情況把同步繼電器的電壓幅值匹配調(diào)整為0.975U網(wǎng)＝U端，整步階段勵磁電流明顯下降，為70A到85A之間，消除了并網(wǎng)失敗現(xiàn)象。
        4.2 編碼器故障
        (1) 故障現(xiàn)象
        2001年7月1日，因其它故障導(dǎo)致三燒結(jié)1#、2#主排同時停機(jī)，主排具備起動條件后，起動1#主排，在起動過程中逆變控制單元MC2315出現(xiàn)“ERR2”故障(零電流超時)，使起動失敗。然后起動2#主排，同樣故障起動失敗。
        (2) 故障分析
        零電流超時通常是因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置檢測錯誤或MC2315板故障引起的。這里采用光電編碼器測量轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速，此類裝置耐高溫能力差，由于連續(xù)高溫天氣，環(huán)境溫度過高，持續(xù)在65°以上。根據(jù)點(diǎn)檢檢查記錄，編碼器信號7、8通道已經(jīng)不是標(biāo)準(zhǔn)方波，性能顯著劣化?；究梢詳喽ü收鲜且?yàn)榫幋a器信號紊亂引起。由于更換編碼器時間較長，可以考慮先冷卻編碼器，觀察使用效果，再決定是否更換編碼器。
        觸發(fā)角取消在同步馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，編碼器的測速功能，關(guān)閉編碼器電源。同時改善廠房內(nèi)通風(fēng)條件，降低 環(huán)境溫度。延長編碼器壽命。
        4.3 晶閘管短路故障
        (1) 故障現(xiàn)象
        2001年7月某次工事結(jié)束，起動1#主排，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)不動，按緊停按鈕終止起動。進(jìn)行一些檢查后，起動2#主排，故障現(xiàn)象不變。具體現(xiàn)象是:電動機(jī)勵磁投入后，電動機(jī)聲音反應(yīng)正常(有電流通過)。主回路投入后，電動機(jī)聲音反應(yīng)正常，但不轉(zhuǎn)動。起動裝置的直流電流顯示與設(shè)定的440A略有偏差。
        (2) 故障分析
        起動1#主排電動機(jī)不動。造成這種情況的可能原因有:沒有勵磁電流或勵磁電流不足，沒有主回路電流或主回路電流不足，編碼器位置檢測不正確，還有電動機(jī)本身問題造成起動力矩不足。
由于在歷次及最近的定修中，電動機(jī)的機(jī)械、電氣參數(shù)完全正常，而且又是兩臺電動機(jī)同樣故障，在這里可以暫不考慮電動機(jī)本身。勵磁盤電流顯示正常，電動機(jī)的二極管故障沒有報警，勵磁電流投入時電動機(jī)聲音正常，可以認(rèn)為勵磁回路正常。
        首先更換編碼器，但更換編碼器后起動1#主排故障現(xiàn)象不變，說明與編碼器無關(guān)。電動機(jī)電流的聲音反應(yīng)正常，說明電流確實(shí)流過定子線圈。我們發(fā)現(xiàn)三相交流進(jìn)線電流不平衡。對整流器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軟起動裝置整流橋中1#晶閘管短路。更換晶閘管，啟動裝置運(yùn)行正常。
對降壓變壓器、晶閘管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軟起動裝置整流橋1#晶閘管短路，整流橋原理圖如圖2所示。

 

 

圖2    晶閘管整流橋原理圖

        該裝置中，整流器采用速度、電流雙環(huán)控制，沒有直接檢測直流回路的電流，而是通過檢測交流回路的電流來計算直流電流。整流橋晶閘管的工作順序依次是12、23、34、45、56、61，如果1#晶閘管擊穿，在12導(dǎo)通期間，直流回路有電流流過，從而在電機(jī)的定子線圈中有電流流過。由于啟動電流限幅在20%，而電機(jī)的速度為零，即反電勢為零，所以整流器晶閘管觸發(fā)角比較大。觸發(fā)3#晶閘管時，由于ab相經(jīng)由1#、3#晶閘管短路，直流回路沒有電流通過。降壓變壓器短路阻抗很大(8.6%)，限制了短路電流;同時，由于交流電流增大，系統(tǒng)計算出直流電流反饋增大，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)，及時地調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，在下一個晶閘管觸發(fā)時，觸發(fā)角很大，限制了交流電流的持續(xù)增大，所以相應(yīng)的晶閘管、快熔沒有發(fā)生連鎖反應(yīng)損壞。由于實(shí)際流進(jìn)電機(jī)的電流不大，使得電動機(jī)不能起動。
        (3) 故障教訓(xùn)
由于直流電流表的波動沒有及時觀察到，客觀上加大了故障處理難度。以及由于潛意識認(rèn)為，晶閘管短路會發(fā)生相關(guān)晶閘管及對應(yīng)快熔的連鎖反應(yīng)，使故障擴(kuò)大化，所以主觀上也沒有重視晶閘管擊穿的可能，也在一定程度上增加了故障處理時間。但實(shí)際上由于采用了高漏感的專用變壓器，發(fā)生短路事故時，限制了短路電流，同時電流給定只有額定的20%，限制了α角，也減輕了短路電流的損害。
        (4) 對策措施
每次主排起動前，必須測量晶閘管阻值;啟動過程中對三相電流進(jìn)行監(jiān)控。
        5  結(jié)束語
        寶鋼三燒結(jié)主排氣風(fēng)機(jī)在投產(chǎn)初期，起動失敗故障較多，以上是幾個比較典型的故障。我們沒有依賴于外方，獨(dú)立自主地解決系統(tǒng)中存在的問題。除了采取了前述的措施外，還在定修中，按計劃分部對所有的備件進(jìn)行在線調(diào)整試驗(yàn)，保證完好備件供應(yīng)，以及熟悉設(shè)備性能。在最近三年中，已經(jīng)沒有發(fā)生起動失敗故障。
        變頻起動大型同步電動機(jī)，起動平穩(wěn)，對電網(wǎng)也完全沒有沖擊，可靠性高，國內(nèi)外已應(yīng)用得相當(dāng)廣泛。此類設(shè)備的維護(hù)、故障處理也成為一個重要的研究課題，如果方法、措施得當(dāng)可以有效降低設(shè)備維護(hù)成本，減少故障時間。