罕見直流電機勵磁故障分析

李旭亮

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 故障描述與檢測試驗

某廠家向我公司請求技術服務，據(jù)其描述其一臺鋁帶冷軋機組的卷取一號電機，在正常點動運行和空載運行時都無異常，可是當上料后一旦“張力投入”按鈕按下，驅(qū)動該電機的直流驅(qū)動器就會出現(xiàn)勵磁過流故障并跳閘。經(jīng)過故障復位操作后，直流驅(qū)動器可以再次正常合閘，且點動運行和空載運行時都無異常。

廠方檢查電機外部和內(nèi)部線路正確無異常，檢查電機內(nèi)部無灼燒短路跡象，換向器表面光滑，碳刷接觸良好，各部件安裝牢固無松動，測量勵磁對地、勵磁對電樞、電樞對地之間的絕緣都符合要求。更換勵磁控制板、測量板、主控制板以后，故障依然存在。將直流驅(qū)動器內(nèi)各參數(shù)恢復出廠默認值后重新進行整定，整定過程一切正常。但故障依舊存在，且現(xiàn)象完全相同，點動運行和空載運行時都無異常，僅發(fā)生在正常張力投入瞬間，通過電腦調(diào)試軟件記錄勵磁電流如圖1所示。

通過以上常規(guī)檢查和排除沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，為分析查找故障采用替換對比方法，將從故障的卷取一號直流驅(qū)動器上更換下來的勵磁控制板、測量板以及主控制板，依次逐一安裝在電機型號和直流驅(qū)動器型號完全一樣的開卷一號上，發(fā)現(xiàn)開卷一號完全正常工作。至此可以完全排除卷取一號直流驅(qū)動器硬件故障可能性。通過電腦軟件檢測發(fā)現(xiàn)，開卷一號正常張力投入時實際電樞電流增大，實際和給定勵磁電流相等且無任何變化。而卷取一號當正常張力投入時給定勵磁電流穩(wěn)定無變化，實際勵磁電流卻突然增加直至產(chǎn)生勵磁過流故障并跳閘，分別如圖2和圖3所示。

由于以上檢測和實驗未能查找到故障原因，決定逐步適當放大勵磁過流跳閘保護閥值，并觀察。已知卷取一號直流驅(qū)動器勵磁控制回路最大允許電流可達25A，電機勵磁線圈額定電流9.6A，當前勵磁過流跳閘保護閥值10A，每次實驗上調(diào)勵磁過流跳閘保護閥值量為電機額定勵磁電流的15%。前3次實驗現(xiàn)象依然如故出現(xiàn)，但第4次實驗勵磁過流跳閘保護閥值15.4A，卷取機張力正常投入時沒有出現(xiàn)勵磁過流故障，實際電樞電流突然增大，給定勵磁電流始終穩(wěn)定不變。實際勵磁電流在正常張力投入瞬間突然增大，但并未達到勵磁過流跳閘保護閥值15.4A，然后實際勵磁電流減小回落至小于額定勵磁電流，形成一次回調(diào)，而最終又穩(wěn)定到了正常張力投入之前的額定勵磁電流。保持直流驅(qū)動器勵磁過流跳閘保護閥值15.4A不變，反復重復正常張力投入試驗多次，現(xiàn)象完全相同，勵磁電流最大只達到15A左右，并未跳閘，僅僅是隨著正常張力投入勵磁電流產(chǎn)生一次復制較大的突升和一次復制較小的突降，然后恢復到額定勵磁電流，如圖4所示。

根據(jù)以上結果，推測卷取一號勵磁電流可能受到電樞電流影響，因此做以下實驗。(1)第一個實驗，將張力預設為零，結果卷取一號張力投入正常。撤除卷取張力，逐步增加預設張力后張力投入，反復試驗，當預設張力大于一定數(shù)值，張力投入瞬間就會產(chǎn)生勵磁過流故障并跳閘。(2)第二個試驗，將張力預設為零并投入，此時無明顯異常；然后逐步增大張力給定值，電樞電流增加，給定勵磁電流穩(wěn)定不變，發(fā)現(xiàn)實際勵磁電流波動逐漸增大，并且據(jù)操作人員反應感覺作用在帶材上的張力明顯小于正常狀態(tài)。通過以上兩個試驗可以得出，電樞電流越大對勵磁影響越大，電樞電流變化速度越快對勵磁影響越大。

綜合多次檢查測試，最終確定本故障是由電機本身造成。遂將故障電機送電機廠維修，經(jīng)電機廠檢測，發(fā)現(xiàn)電機刷架物理中心線錯位偏移。電機廠在對電機重新修復后設備重新投入正常使用。

2 故障原因理論分析

直流電機正常制造完成后還會對其刷架進行微調(diào)，以保證其物理中心線與幾何中心線重合。在直流電機學中把磁極結構上的磁極分界線稱作幾何中心線，把氣隙磁場分界點稱為物理中性線。在電機沒有負載，即電樞無電流通過，只有勵磁回路產(chǎn)生的磁場時，物理中心線和幾何中心線完全重合，位于兩個磁極的正中間，這是電機的理想狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，當電樞內(nèi)通過電流，則電樞所產(chǎn)生的磁場正好垂直于勵磁磁極所產(chǎn)生的磁場，二者正交。由電樞產(chǎn)生的磁場的垂直正交與勵磁磁場的分量稱之為交軸分量，而平行于勵磁磁場的分量為直軸分量。在電機物理中心線與幾何中心線重合時，只有交軸分量，直軸分量為零，如圖5所示。

圖5中電機順時針旋轉，電樞交軸分量向下。當電機逆時針旋轉時，電樞內(nèi)電流換向，根據(jù)右手螺旋定則，交軸分量則向上。

當直流電機刷架位置發(fā)生偏移，就會使物理中心線與幾何中心線產(chǎn)生一個偏轉角度，此時當電樞內(nèi)有電流通過時，其產(chǎn)生的磁場將不再與勵磁磁場垂直，二者不再是正交關系。此時可對電樞所產(chǎn)生的磁場進行直角分解，變?yōu)榇怪庇趧畲糯艌龅慕惠S分量和平行于勵磁磁場的直軸分量，如圖6所示。

電樞電流產(chǎn)生的磁場對勵磁主極磁場基波產(chǎn)生影響的現(xiàn)象稱作電樞反應，它包括交軸電樞反應和直軸電樞反應。當電機物理中心線與幾何中心線重合時，只有交軸電樞反應。當電機物理中心線與幾何中心線偏離一定角度時，就會既有交軸電樞反應，又有直軸電樞反應，且偏離角度越大，交軸電樞反應影響越小，直軸電樞反應影響越大。

直軸電樞反應所產(chǎn)生的磁場由于平行于勵磁主極磁場，則直接加強或者削弱電機主磁通，由電樞電流方向和物理中心線偏離幾何中心線的方向來共同決定的，可總結為，對于直流電動機，電刷(電機物理中心線)向電機旋轉方向偏移一個角度，則增強磁場，電刷(電機物理中心線)向電機旋轉方向的相反方向偏移一個角度，則削弱磁場；對于直流發(fā)電機，電刷(電機物理中心線)向電機旋轉方向偏移一個角度，則削弱磁場，電刷(電機物理中心線)向電機旋轉方向的相反方向偏移一個角度，則增強磁場。直軸電樞反應無論是對勵磁磁場的增強還是削弱，對實際生產(chǎn)都是不利的。直軸電樞反應絕大多數(shù)都是由于電機在制造和維修時裝配精度不夠所造成的，應盡量避免。 當卷取機正常張力投入時，隨著電樞電流的增大，其產(chǎn)生的直軸分量磁場也很大，足以對勵磁磁場產(chǎn)生明顯的增磁效果。而此時電機勵磁繞組的工作狀態(tài)與變壓器相同，直軸磁場變化所引起的通過勵磁繞組的磁通變化在其內(nèi)部產(chǎn)生了感應電動勢，且電動勢方向與勵磁電壓方向相同，兩者起到了疊加作用。由圖3和圖4所記錄的卷取機正常張力投入時刻的電樞電流變化曲線來看，此時不僅電流數(shù)值很大，而且上升速度很快，接近于階躍曲線。

由以下公式推導可得，磁場強度H=NI/Le；式中，H為磁場強度，A/m；N為勵磁線圈的匝數(shù)；I為勵磁電流(測量值)，A，這里即為電樞電流；Le為測試樣品的有效磁路長度，m。由此可知，當電樞電流較大時，其產(chǎn)生的直軸磁場分量也較大。此時通過勵磁繞組感應磁場應為，感應磁場強度B=H=μNI/Le；式中，B為磁通密度，Wb/m2；μ為磁導率是一個常量；H為磁場強度，A/m。此時通過勵磁繞組的磁通為，磁通Φ=BS=μN×I/Le。而通過勵磁繞組的磁通產(chǎn)生變化時，將會在繞組中產(chǎn)生感應電動勢，其大小由下列公式確定，感應電動勢E=NdΦ/dt=(dI/dt)μN/Le；式中，(dI/dt)為電樞電流對時間的導數(shù)，即電樞電流變化率，而其它均為常量。

3 總結

本案例中卷取電機正常張力投入時勵磁過流跳閘故障的根本原因是廠方對該電機拆解保養(yǎng)后重新裝配時，物理中心線與幾何中心線沒有完全重合，且偏差較大。同時該電機作為卷取電機，其電樞電流方向和物理中心線與幾何中心線偏離方向共同決定了直軸電樞反應的效果是對勵磁磁場產(chǎn)生增強效應，當卷取張力增大后，電樞電流上升，使得電樞磁場直軸分量在勵磁繞組中產(chǎn)生了較大的感應電動勢，造成勵磁電流瞬間激增以至于超過直流驅(qū)動器所設保護閥值造成跳閘并產(chǎn)生勵磁過流故障報警。