勵(lì)磁電流過壓引起的電機(jī)發(fā)熱原因分析

摘 要：直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法一般來講有變電樞回路電阻調(diào)速、變電樞回路電壓調(diào)速和變磁通調(diào)速三種。當(dāng)某種方案選定后，會(huì)固定其他變量而通過調(diào)節(jié)主調(diào)量來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速目的。然而，當(dāng)被固定的變量發(fā)生偏移或者變動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)速精度下降、效率降低、電機(jī)溫升升高等不利影響，而這些干擾往往不易被察覺。文章通過生產(chǎn)實(shí)際案例分析直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流過壓引起的電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡化及產(chǎn)生原因。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；勵(lì)磁過壓；過溫；換向火花大顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音

中圖分類號(hào)：TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）29-0082-02

1 驅(qū)動(dòng)及調(diào)整改造需要

平臺(tái)泥漿泵采用的是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)：電機(jī)型號(hào)為GE782（800 HP 750 VDC 勵(lì)磁電流50.5 A 勵(lì)磁回路100v 40-60a），調(diào)速系統(tǒng)原先是西門子的模擬電路調(diào)速。屬于20世紀(jì)70年代產(chǎn)品，因年代久系統(tǒng)故障率高，備件采購成本高且有些配件廠家已不再提供。因此，需要對(duì)原調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。使調(diào)速系統(tǒng)由原來的模擬控制改為數(shù)字控制。因?yàn)楹笳呔哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

①精度高、速度快、存儲(chǔ)量大，有強(qiáng)大的計(jì)算、調(diào)節(jié)和邏輯判斷功能，可實(shí)現(xiàn)許多過去無法實(shí)現(xiàn)的高級(jí)復(fù)雜的控制方法，從而獲得快速、精密的控制效果。

②可以在統(tǒng)一的硬件電路和基礎(chǔ)軟件上，根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)整軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)不同的控制系統(tǒng)要求，既標(biāo)準(zhǔn)，又靈活，成本低。同時(shí)也為系統(tǒng)開發(fā)和升級(jí)提供方便，可靠性高。

③有強(qiáng)大的診斷、報(bào)警、數(shù)據(jù)處理及數(shù)字通信功能，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、集中控制提供了條件。

由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=U/CeΦ-TM×（Ra+Rj）/CeCMΦ2

式中：U為電樞電壓；Ce為電動(dòng)勢常數(shù)；CM為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；TM為電磁轉(zhuǎn)矩，TM=CMΦIa；Φ=NIf磁通量；Ra為電樞電阻；Rj為電樞回路調(diào)節(jié)電阻。

可見只要改變電樞電壓U，或者改變勵(lì)磁電流If，或者調(diào)節(jié)電樞回路電阻Rj。那么轉(zhuǎn)速n都會(huì)相應(yīng)的改變。此次升級(jí)采用了現(xiàn)在比較成熟和普遍的調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速方案。

2 升級(jí)改造方案

設(shè)備升級(jí)改造的提供方從成本考慮，其解決方案是：使用小功率的直流調(diào)速器SIMOREG DC-MASTER系列6RA7018-6S22 0型。

因?yàn)槟酀{泵原有電機(jī)為GE752型，額定功率800HP， 額定電壓750 VDC；勵(lì)磁電壓100 VDC，勵(lì)磁電流 50.5A。然而此型號(hào)的整流控制器功率小，不能直接驅(qū)動(dòng)600v伏KP1600A型SCR，所以要在脈沖觸發(fā)電路上增加功率放大環(huán)節(jié)。實(shí)際的接線如圖1所示。

3 改造后出現(xiàn)的問題

在系統(tǒng)投入運(yùn)行一段時(shí)間后，我們發(fā)現(xiàn)泥漿泵電機(jī)出現(xiàn)以下問題：

①電機(jī)電樞鐵心過溫，用紅外溫槍測試，在正常負(fù)荷下溫度85～93℃。

②電動(dòng)機(jī)發(fā)生過燒毀，經(jīng)檢測是勵(lì)磁繞組斷相。

③運(yùn)行時(shí)換向器火花大，換向器表面有比較嚴(yán)重的燒蝕；

④碳刷磨損速度快，正常鉆井生產(chǎn)平均20d左右更換一次碳刷。

⑤電機(jī)啟動(dòng)沖擊大，電機(jī)傳動(dòng)軸發(fā)生疲勞剪斷。

4 分析問題原因

然而，對(duì)比改造前后的工作環(huán)境（負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速）和電機(jī)都沒有變化，冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量也沒有變化。問題應(yīng)該出在整流調(diào)速系統(tǒng)上。經(jīng)檢測我們發(fā)現(xiàn)整流調(diào)速器柜上的電量儀表讀數(shù)與實(shí)際值差別很大，尤其是勵(lì)磁電流，表上顯示是50A但實(shí)際值是62.5A，相差很大。為什么會(huì)有這么大的差別呢？對(duì)照推薦接線圖和實(shí)際設(shè)計(jì)接線圖，能夠發(fā)現(xiàn)因?yàn)殡妷翰煌?qū)動(dòng)的SCR，為了“小馬拉大車”在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加了用戶自己制作的驅(qū)動(dòng)放大板和勵(lì)磁整流部分，這與原廠的設(shè)備匹配會(huì)存有差異。而如果還采用原先的整流器板載儀表驅(qū)動(dòng)電路，那么一定會(huì)有現(xiàn)實(shí)上的誤差。以勵(lì)磁電流表為例，勵(lì)磁電流表的顯示值通過圖2所示計(jì)算得出。因?yàn)楦脑旌笏杉降幕挡痪_，比例值和偏移值的設(shè)置誤差，使輸出結(jié)果不能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)的勵(lì)磁電流。

如果以此值作為優(yōu)化系統(tǒng)、設(shè)定和調(diào)整的依據(jù)，那么必然出現(xiàn)誤差使電動(dòng)機(jī)工作在非額定狀態(tài)——過勵(lì)磁運(yùn)行。電機(jī)工作在過勵(lì)磁電流下就會(huì)出現(xiàn)上述的一些列問題：

①電機(jī)過熱。因?yàn)閯?lì)磁繞組的電阻熱Q=If2Rf（If勵(lì)磁電流Rf勵(lì)磁繞組電阻），當(dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí)，產(chǎn)生的電阻熱增加，電動(dòng)機(jī)的溫升升高。當(dāng)持續(xù)溫升大于電機(jī)的散熱時(shí)，電機(jī)出現(xiàn)熱絕緣疲勞，嚴(yán)重時(shí)因?yàn)檫^熱絕緣擊穿最終燒毀。另一方面，勵(lì)磁電流過大，鐵心過飽和，部分磁力線要通過電機(jī)外殼等構(gòu)成回路，使機(jī)殼因渦流產(chǎn)熱，使電機(jī)溫度進(jìn)一步升高。

②碳刷磨損快，換向器表面火花點(diǎn)蝕嚴(yán)重。勵(lì)磁電流過大以及交軸電樞反應(yīng)現(xiàn)象增強(qiáng)的共同作用，使換向電流火花變大。在換向器表面產(chǎn)生的火花燒灼換向器，使換向器表面產(chǎn)生很多的點(diǎn)蝕降低換向器表面的光潔度，反過來粗糙的換向器表面增加了對(duì)碳刷的磨損。

大勵(lì)磁電流產(chǎn)生的電火花，也使得碳刷的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，耐磨度降低。

③啟動(dòng)沖擊大。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩：TM=T2+T0= TM=CMΦIa

式中：T2 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí)磁通量增加，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增加轉(zhuǎn)速降低，在啟動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩除了克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩外，所余用來使系統(tǒng)加速。即TM=T2+T0+J×dΩ/dt（式中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，dΩ/dt為角加速度）?？梢姰?dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩增大，而在啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，電磁轉(zhuǎn)矩主要轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的加速上了，所以啟動(dòng)時(shí)的沖擊力很大，電機(jī)輸出軸上承受很大的剪力，時(shí)間久了就會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷。

3 結(jié) 語

找到使電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡化的原因和產(chǎn)生不良后果的理論分析，我們將原先的勵(lì)磁電流表，改成在勵(lì)磁回路串接分流器直接驅(qū)動(dòng)直流電流表，并重新校準(zhǔn)勵(lì)磁電流和重新做系統(tǒng)優(yōu)化。經(jīng)調(diào)整后開機(jī)試驗(yàn)電機(jī)工作平穩(wěn)。后經(jīng)長時(shí)間工作檢驗(yàn)，換向器火花明顯減小，碳刷使用壽命顯著延長，電擊溫升穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。前期的問題得到了有效解決。

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