5 000 kW交交變頻同步電動機阻尼條斷裂的故障分析及治理

安 鐸

（天津天鋼集團中板廠，天津 300180)

5 000 kW交交變頻同步電動機阻尼條斷裂的故障分析及治理

安 鐸

（天津天鋼集團中板廠，天津 300180)

根據(jù)交交變頻同步電動機阻尼繞組損壞的故障現(xiàn)象，根據(jù)阻尼繞組工作特性，分析了故障產(chǎn)生的主要原因，提出對阻尼端環(huán)結(jié)構(gòu)、阻尼條裝配形式等改進措施，實施后消除了原電動機存在的缺陷和隱患，并對軋鋼用凸極交交變頻同步電動機的設(shè)計方案改進和完善具有較高的參考價值。

電動機 阻尼繞組 阻尼條 端環(huán)

1 引言

交交變頻同步電動機是一種集交、直流電動機優(yōu)點于一體的調(diào)速電機。1981年，西門子公司成功研制了世界上第一臺4 220 kW交交變頻同步電動機。隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展,變頻器技術(shù)及傳動控制裝置不斷完善和提高,采用交交變頻電動機的調(diào)速系統(tǒng)，如在大功率、低轉(zhuǎn)速需要調(diào)速的軋鋼機主傳動電動機上,已得到廣泛應(yīng)用。我國從20世紀(jì)80年代后期陸續(xù)從國外引進交交變頻同步電動機,研制起步時間是在90年代初期。上海電動機廠于1994年4月成功研制了2臺5 000 kW交交變頻同步電動機。該電動機用于天津中板廠三輥改造工程，是我國當(dāng)時自行研制的同類電動機中功率、體積最大、技術(shù)要求最高的電動機，其中一臺用于四輥可逆粗軋機，1994年11月投產(chǎn)使用，另一臺是為改造四輥精軋機直流電動機而準(zhǔn)備，因受資金影響一直閑置。

電動機運行期間，發(fā)生過磁極線圈匝間短路、端環(huán)Ω軟連接損壞、磁極線圈鴿尾鍵焊點開焊、鍵板竄動等故障。2006年根據(jù)電動機使用和電氣檢測情況，在加熱爐油改氣技術(shù)改造期間，用另一臺閑置電動機進行了替換，第二臺電動機運行中發(fā)生過定子鐵芯松動及鴿尾鍵焊點開焊故障，進行了及時處理。至2010年10月份生產(chǎn)運行期間，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子阻尼繞組有茨火現(xiàn)象，茨火部位為磁極鐵芯槽口，運行中觀察，空載、載荷不超過額定電流1.5倍時，不會發(fā)生茨火現(xiàn)象。在對電動機進行解體檢修中發(fā)現(xiàn)，阻尼條與鐵芯槽孔之間有間隙、阻尼條斷裂、端環(huán)變形、阻尼條與端環(huán)焊接處開焊、繞組之間大部分支撐塊松動。對損壞比較嚴(yán)重的一組勵磁繞組進行了更換，其余有問題的阻尼條及端環(huán)采用氬弧焊進行補焊處理，運行半個月后，再次發(fā)現(xiàn)阻尼繞組有茨火現(xiàn)象，阻尼條斷裂和端環(huán)開焊，處理后采取限制軋制壓下量、加強開軋溫度監(jiān)控，降低電動機負(fù)荷等保護措施，維持現(xiàn)實生產(chǎn)。主傳動電動機是我廠的關(guān)鍵設(shè)備，其是否完好直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及規(guī)格，因此必須找出故障的真實原因，制定針對性的改進方案，才能消除這一關(guān)鍵設(shè)備的重大隱患。

2 設(shè)備現(xiàn)狀及存在問題

2.1 電動機主要參數(shù)

型號：TDZBS5000- 12;功率：5 000 kW;電壓：1 650 V;電流：1 834 A;勵磁電壓：181 V;勵磁電流：437 A;功率因數(shù) cosφ：≈ 1;頻率：6/12 Hz;轉(zhuǎn)速：60/120 r/min;轉(zhuǎn)子形式：凸極;極數(shù)：12 極;絕緣等級：F/F。

2.2 故障現(xiàn)象

對電動機出現(xiàn)的故障情況進行觀察和分析，兩次故障共計更換一個磁極線圈、處理4個阻尼繞組，故障現(xiàn)象有如下特點：（1)發(fā)生阻尼條斷裂以中間部位為主，邊部為輔;（2)阻尼條斷裂部位靠近端環(huán)，阻尼條與端環(huán)有開焊現(xiàn)象，端環(huán)變形比較嚴(yán)重;（3)阻尼條與鐵芯槽孔存在間隙，單邊間隙在0.1～0. 3;（4)Ω連接片處有甩錫現(xiàn)象。對另一臺電動機進行詳細(xì)檢查，也存在如上問題。

3 故障原因分析

3.1 變頻同步電動機阻尼繞組作用

作為軋鋼機調(diào)速用的交交變頻同步電動機，需要承受大幅度變化的沖擊載荷以及頻繁的正反轉(zhuǎn)。阻尼繞組的作用與普通同步電動機不同，它已不是從考慮啟動問題出發(fā)，應(yīng)從改善系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)為出發(fā)點，主要作用是電動機在咬鋼或拋鋼時，突變的負(fù)載和速度，轉(zhuǎn)矩和定子電流的變化造成功率角變化振蕩，在阻尼繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一驅(qū)動或阻礙性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，以使轉(zhuǎn)速趨于同步速度，使電動機快速進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

為保證調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能,軋鋼機用同步電動機必須裝設(shè)阻尼繞組,阻尼繞組設(shè)計時,從增強系統(tǒng)穩(wěn)定性,減小功率角振蕩的原則出發(fā),選擇阻尼繞組的最佳結(jié)構(gòu)與參數(shù)[1]。阻尼繞組結(jié)構(gòu)分為全阻尼、半阻尼（僅有d軸)，大量試驗資料顯示，設(shè)置全阻尼繞組其沖擊電流范圍、功角振蕩范圍要明顯小于半阻尼結(jié)構(gòu)，但q軸回路的電流較大，電動機損耗高，阻尼繞組溫升較高[2]。因此，阻尼繞組的設(shè)計要求在機械上有抗沖擊和抗熱變應(yīng)力的能力。

3.2 原因分析

該電動機用于中板開坯軋機的主傳動，由于板坯規(guī)格單重小，軋制速度快，電動機始終處于正反轉(zhuǎn)的快速變換中，電動機負(fù)荷隨著軋機的低速咬入-加速至勻速軋制-拋鋼頻繁變化，特別是前6道軋制，軋制時間在2～3 s以內(nèi)，軋制長度不超過3 m。該電動機頻繁地承受負(fù)載突變及速度變化，功率角處于頻繁的振蕩之中，阻尼繞組產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生與振蕩方向相反的阻尼轉(zhuǎn)矩，以使轉(zhuǎn)速趨于同步速度，因此阻尼繞組工作周期處于高頻的變化中。根據(jù)故障現(xiàn)象特性，結(jié)合電動機實際使用現(xiàn)狀及電動機研制的資料，造成阻尼繞組頻繁損壞的主要原因包括：

（1)該電動機設(shè)置為全阻尼繞組結(jié)構(gòu)，阻尼條為5根，直徑Φ18 mm，節(jié)距48 mm。根據(jù)阻尼繞組工作特點，全阻尼與半阻尼相比較,全阻尼結(jié)構(gòu)各阻尼條的電流分布比較均勻，中間位置的阻尼條沖擊電流最大;而半阻尼結(jié)構(gòu)各阻尼條的電流分布不均勻，最大沖擊電流的阻尼條在兩側(cè);全阻尼結(jié)構(gòu)，q軸回路的電流很大,其沖擊電流的范圍比最大電流的阻尼條約大1倍,因此端環(huán)及連接片的設(shè)計非常重要,端環(huán)及連接片應(yīng)有足夠的截面,連接處應(yīng)接觸良好、牢固可靠[3]。從阻尼繞組端環(huán)變形比較嚴(yán)重、Ω連接片發(fā)生過熱甩錫可以判斷該電動機對端環(huán)及連接片的結(jié)構(gòu)設(shè)計和過流面積存在缺陷，在頻繁的大電流沖擊下，過大的熱應(yīng)力使端環(huán)變形、阻尼條與端環(huán)焊點開焊、Ω連接片過熱甩錫甚至損壞。

（2)每個磁極線圈鐵芯是由1 067件磁極沖片疊壓組成，阻尼條長度1 870 mm，磁極沖片槽孔需要預(yù)留一定的間隙便于阻尼條裝配，阻尼繞組工作時，組尼條內(nèi)感應(yīng)電流大幅度變化使得導(dǎo)體熱脹冷縮，導(dǎo)致導(dǎo)體與鐵芯槽孔間隙加大，當(dāng)阻尼繞組工作通過大電流時，電磁力作用產(chǎn)生電磁振動，長期反復(fù)的電磁振動造成阻尼條疲勞斷裂，過大的間隙，阻尼條也會產(chǎn)生軸向竄動。全阻尼結(jié)構(gòu)中間組尼條的沖擊電流最大，斷條也以中間部位為主。

（3)該電動機磁極線圈在磁軛上固定采用單側(cè)斜鍵撐緊的鴿尾結(jié)構(gòu)，斜鍵打緊后焊接固定，曾發(fā)生過焊點開焊、鍵板竄動的問題，這次檢查發(fā)現(xiàn)大部分磁極之間支撐塊松動，在更換磁極線圈中發(fā)現(xiàn)斜鍵接觸面積不到70%，這是因為斜鍵表面加工精度和光潔度不是很高及材質(zhì)強度選用過高，影響磁極線圈可靠固定，在軋制過程中，高頻的正反轉(zhuǎn)和受過載沖擊轉(zhuǎn)矩，斜鍵焊點開焊、鍵板竄動。造成電動機負(fù)荷增加、產(chǎn)生振動，對磁極線圈端環(huán)、組尼條、軟連接受力產(chǎn)生很大影響，這也是造成阻尼繞組損壞的原因之一。

4 改進措施及效果

在對故障原因進行了詳細(xì)分析后，對電動機阻尼繞組的端環(huán)結(jié)構(gòu)、Ω連接片、阻尼條與鐵芯槽孔間隙、磁極線圈固定提出了改進措施，同時電動機出廠已經(jīng)十多年，需要進行大修理改善電動機整體性能。

（1)更換全部阻尼端環(huán)，對端環(huán)結(jié)構(gòu)進行改進，增加斷面面積，由15×50板狀改為46×30柱狀，提高端環(huán)承受大電流沖擊產(chǎn)生的熱變形能力;與阻尼條焊接由端面焊接改進為端面焊接加上端環(huán)開槽通焊，加強了連接強度;Ω連接片由銅絲編織帶改為多層厚銅帶，增加斷面面積，提高過電流能力及本體強度;Ω連接片與端環(huán)連接由水平方式改為垂直方式，改善連接片的受力狀況。

（2)更換阻尼繞組全部阻尼條，配裝的阻尼條控制直徑精度和直線度，裝配后分段沖壓固定漲緊，消除間隙，防止軸向竄動。

（3)更換磁極線圈的鴿尾斜鍵，重新制作斜鍵，材質(zhì)改為Q235A，兩個接觸面進行磨削加工，保證精度和表面光潔度，提高裝配的接觸面積，斜鍵裝配后的端面固定方式改為壓板結(jié)構(gòu)，裝配后用0.05 mm塞尺檢查。

（4)磁極線圈匝間及極身的絕緣材料清除，檢查線圈是否完好，更換所有絕緣材料，隔匝半疊包5440粉云母帶，散熱匝不通包絕緣，首尾各三匝加墊0.16環(huán)氧坯布，首尾三扎轉(zhuǎn)角加墊0.25 mm復(fù)合箔6540，線圈整形，絕緣測試;極身包絕緣前刷涂環(huán)氧酯絕緣漆，內(nèi)側(cè)用0.25粉云母板包兩層，中間用0.12環(huán)氧粉云母箔包三層，外側(cè)用0.25粉云母板包兩層，裝配磁極線圈需要放置絕緣襯墊，線圈絕緣電阻、直流電阻檢測。通過磁極線圈絕緣處理，使匝間絕緣較前有較大提高。

（5)定子繞組檢查絕緣、直流電阻，繞組清理、烘焙及絕緣處理，線圈端部及引線檢查并處理，定子鐵芯與支持筋采用氣體保護焊分段焊接，治理鐵芯松動。

根據(jù)改進措施和修理方案，2011年初我廠安排對替下的電動機進行了改進性維修。2011年9月，利用大修時間進行了更換，投入運行后，通過對軋制中的工作電流、線圈溫度的檢測，相比更換前有了明顯的下降，運行穩(wěn)定，證明改進措施針對性強、效果良好。

5 結(jié)束語

根據(jù)交交變頻同步電動機阻尼條斷裂故障原因分析，制定了針對性的改進措施，消除了原電動機存在的缺陷和隱患。同時也反映出在研制交交變頻同步電動機的初期，在設(shè)計和制作電動機方面缺乏一定的經(jīng)驗，軋鋼生產(chǎn)中頻繁的載荷速度變化及長期過載對電動機的影響估計不足，這些改進措施對同類電動機的設(shè)計方案和制造工藝的完善具有重要的參考價值。

[1]李杰，李朗如，賴徳殷，等.交變頻大功率同步電動機阻尼繞組設(shè)計的分析研究[J].大電動機技術(shù)，1994（6)：19-26.

[2]李明宇，孫玉田，戈寶軍．交交變頻同步電動機阻尼繞組損耗的分析與計算[J].大電動機技術(shù)，2003（5)：16-19.

[3]賴徳殷.5 000 kW交交變頻同步電動機的研制[J].上海電動機廠科技情報，1995（3)：7-11.

Failure Analysis and Handling of 5 000 kW Cycloconverter-fed Synchronous Motor Damper Bar Breakage

An Duo
(Plate Rolling Mill,TISG,Tianjin 300180,China)

Investigating the damage ofcycloconverter-fed synchronous motor damper winding,following the working characteristics of damper winding,the author analyzes the main reasons for the failure and puts forward improvement measures for damper end ring structure and damper bar assembly method,which after being taken eliminated the defect and hidden trouble in motor.The paper provides reference for the design plan improvement of salient pole cycloconverter-fed synchronous motor in rolling mill.

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安鐸（1959—)，男，天津人，高級工程師，主要從事軋鋼設(shè)備的運行管理工作，E-mail：Anduo2006@163.com。

（收稿 2012-02-23 編輯 潘娜)