對(duì)輥破碎機(jī)主電機(jī)缺相故障的現(xiàn)場分析

劉昶

（寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司，湖北 鄂州 436000）

低壓三相異步電動(dòng)機(jī)的一次主回路中，由于斷路器故障、接觸器故障、接線端子虛接等，造成其中一相斷電，稱為缺相。電動(dòng)機(jī)缺相后，停止的電動(dòng)機(jī)無法正常啟動(dòng)，正在運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生異響、減速甚至堵轉(zhuǎn)。通常，缺相運(yùn)行會(huì)造成電動(dòng)機(jī)繞組溫度急速上升而燒毀，影響生產(chǎn)。最近，本單位出現(xiàn)了一起“特殊”的電動(dòng)機(jī)缺相故障。

1 故障情形及其原因

本人在對(duì)運(yùn)行中的鋼渣破碎生產(chǎn)線點(diǎn)檢的過程中，隱約聽到對(duì)輥破碎機(jī)的一臺(tái)主電機(jī)有異響聲，讓操作人員暫停了破碎線的生產(chǎn)。然后，單獨(dú)運(yùn)行對(duì)輥破碎機(jī)，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不同步，由于是無負(fù)荷試車，其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的嗡嗡聲，聽得很明顯，初步判斷該電動(dòng)機(jī)存在缺相故障。試車完，我讓操作人員停機(jī)并關(guān)掉對(duì)輥破碎機(jī)的電源開關(guān)，觸摸兩臺(tái)主電機(jī)，均未有發(fā)燙冒煙的狀況。排查故障電動(dòng)機(jī)一次主回路，發(fā)現(xiàn)異響電動(dòng)機(jī)的接線盒內(nèi)一根接線柱斷了，如圖1所示。

接著，檢查電動(dòng)機(jī)，結(jié)果顯示正常，沒有燒壞?；謴?fù)接線后，試車運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常，沒有再出現(xiàn)嗡嗡聲。

當(dāng)有塊度大、含鐵量高、硬度硬的渣鋼通過對(duì)輥破碎機(jī)時(shí)，為保障機(jī)器不被損壞，對(duì)輥破碎機(jī)的彈簧壓緊調(diào)整裝置會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生較大壓縮彈性形變讓渣鋼落下，但是，形變回彈恢復(fù)會(huì)讓破碎機(jī)機(jī)體包括底座劇烈振動(dòng)，再加上電動(dòng)機(jī)使用時(shí)間已久，就出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)繞組出線接線柱被震斷的情況。

令人感到奇怪的是，這起因接線柱斷而造成的缺相故障并不是我在點(diǎn)檢過程中碰巧才發(fā)生的，而是電動(dòng)機(jī)“帶病”作業(yè)了一段時(shí)間才被發(fā)現(xiàn)。通常電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，為什么這臺(tái)電動(dòng)機(jī)“帶病”作業(yè)，并未出現(xiàn)這樣的后果呢？下面將對(duì)這一疑問做合理分析。

2 電動(dòng)機(jī)缺相的嚴(yán)重后果

對(duì)輥式破碎機(jī)主電機(jī)額定功率30kW，一次主回路如圖2所示，采用Y-△降壓啟動(dòng)，我們按定子繞組不同接法的兩個(gè)階段進(jìn)行討論。

圖1

圖2 主電機(jī)一次回路圖

2.1 定子繞組Y接法的降壓啟動(dòng)階段

接觸器KM、KMY吸合，定子繞組如圖3所示。接線柱未斷前，各繞組電流為：

式中，IY為每相繞組的啟動(dòng)電流，IΔ為電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的相電流。

忽略電動(dòng)機(jī)自身損耗，電動(dòng)機(jī)輸出功率PN=3UANIANcosφ=UABIANcosφ，UAB為電源線A、B兩端電壓，cosφ為電機(jī)功率因數(shù)。

接線柱斷后，將形成缺少一相繞組、另二相繞組串聯(lián)的狀態(tài)，如圖4所示。

圖3 繞組Y接法

圖4

串聯(lián)二相繞組兩端電壓仍為UAB，每相繞組上的電壓為0.5UAB，假設(shè)故障前后轉(zhuǎn)速不變、負(fù)載不變，功率因數(shù)無變化，電動(dòng)機(jī)輸出功率也不變。則

IBN后、ICN后分別是故障后BN、CN繞組的故障電流。

通過上述分析得知：缺相故障發(fā)生后，每相繞組的啟動(dòng)電流是無故障時(shí)啟動(dòng)電流的倍，與電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的相電流相等，在短時(shí)間的啟動(dòng)階段（KMY吸合時(shí)間僅3秒），電動(dòng)機(jī)繞組不易燒毀。處于啟動(dòng)階段的對(duì)輥破碎機(jī)是嚴(yán)禁帶負(fù)荷的，這跟Y接法啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩偏小有關(guān)，實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，缺相后電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩更小，無法帶動(dòng)擠壓輥筒運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 定子繞組△接法

啟動(dòng)完成，接觸器KMY釋放，KM、KM△吸合，定子繞組為△接法，如圖5所示。

三相繞組電流為：

忽略電動(dòng)機(jī)自身損耗，電動(dòng)機(jī)輸出功率PN=3UACIACcosφ。

式（1）中，IAB為AB繞組電流，IBC為BC繞組電流，IAC為AC繞組電流，IN為額定線電流。

接線柱震斷后，正常△接法的定子一相繞組斷路，另兩相繞組構(gòu)成V形接法，如圖6所示。

圖5

圖6

假設(shè)故障前后轉(zhuǎn)速不變、負(fù)載不變，功率因數(shù)無變化，電動(dòng)機(jī)輸出功率也不變。因此

式（2）中，UAC為電源線A、C兩端電壓，IAC為缺相故障前AC繞組的運(yùn)行電流，IAC后為缺相故障后AC繞組的故障電流。通過上式可以推出：

各繞組的電流為：

IAB后、IBC后分別為缺相故障后AB、BC繞組的故障電流。

通過上述分析得知：發(fā)生缺相故障后，電動(dòng)機(jī)斷路繞組的電流為0，另外，兩組繞組電流增大到正常運(yùn)行時(shí)的1.5倍，電動(dòng)機(jī)處于過載狀態(tài)。實(shí)際在發(fā)生突然缺相時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)稍微下降，軸負(fù)載功率由兩相繞組承擔(dān)，繞組運(yùn)行電流甚至?xí)^1.5倍的額定運(yùn)行電流，足以導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組由于過電流發(fā)熱而燒毀。

3 未出現(xiàn)嚴(yán)重后果的原因

對(duì)輥破碎機(jī)的工作原理如圖7所示，輥筒1及其可動(dòng)軸承可水平左右移動(dòng)，兩輥筒分別與兩臺(tái)主電機(jī)通過三角皮帶傳動(dòng)，相向旋轉(zhuǎn)工作。兩輥筒之間縫隙一般在2mm左右(見圖8），輥筒在生產(chǎn)一段間后，輥縫會(huì)由于輥筒表面磨損嚴(yán)重而變大，如圖9所示。這可以通過對(duì)輥面的堆焊進(jìn)行修復(fù)，我們檢查發(fā)現(xiàn)，輥筒1的兩端由于局部堆焊過厚導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)起來會(huì)剮蹭到輥筒2，如圖10所示。而缺相故障的就是輥筒2的主電機(jī)。

圖7

圖8 進(jìn)料口俯視圖

圖9

圖10

在Y接法的啟動(dòng)階段，要使輥筒2轉(zhuǎn)速增加的條件是：動(dòng)轉(zhuǎn)矩矢量和ΔT=T1+T2-TL1＞0，其中，TL1為輥筒2的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，T2為剮蹭產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩，T1為輥筒2的電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)輥筒1剮蹭到輥筒2時(shí)，由于無負(fù)荷啟動(dòng)，T2＞TL1,即使T1=0，即故障電機(jī)無輸出轉(zhuǎn)矩也能讓輥筒2加速轉(zhuǎn)起來。既然故障電機(jī)基本無須輸出轉(zhuǎn)矩，那么，故障電機(jī)的繞組不會(huì)過流，電機(jī)不過載。

在△接法的生產(chǎn)作業(yè)階段，輥筒2運(yùn)行轉(zhuǎn)速不變。在主電機(jī)無故障、輥筒間無剮蹭時(shí)，圖11所示，輥筒2動(dòng)轉(zhuǎn)矩矢量和ΔT=T前-TL=0，得出T前=TL，T前為此時(shí)輥筒2的電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，TL為輥筒2的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；在輥筒間有剮蹭、主電機(jī)故障時(shí)，圖12所示，輥筒2動(dòng)轉(zhuǎn)矩矢量和ΔT=T+T2-TL=0，得出T=TL-T2，T為此時(shí)輥筒2的電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該階段輥筒穩(wěn)定轉(zhuǎn)速快，T2較大，TL不變，所以T遠(yuǎn)小于T前，即故障時(shí)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于正常運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，那么，缺相故障時(shí)電機(jī)繞組電流不會(huì)超過額定運(yùn)行電流，電機(jī)不會(huì)因過電流燒毀。

圖11

圖12

4 結(jié)語

對(duì)輥破碎機(jī)主電機(jī)由于接線柱震斷造成的缺相故障是發(fā)生在電動(dòng)機(jī)繞組△接法的帶負(fù)荷生產(chǎn)階段，缺相后的電動(dòng)機(jī)繞組電流是正常運(yùn)行時(shí)的1.5倍，電動(dòng)機(jī)會(huì)因繞組過流而燒毀；在Y接法的啟動(dòng)階段，故障電機(jī)繞組電流是正常啟動(dòng)時(shí)的倍，并且無法讓輥筒轉(zhuǎn)起來。由于擠壓輥筒間的剮蹭作用及輥筒工作方式的影響，兩階段故障電機(jī)均不會(huì)過流過載，因此，出現(xiàn)了缺相電動(dòng)機(jī)仍在“帶病”作業(yè)的特殊情況發(fā)生。

主電機(jī)接線柱震斷在生產(chǎn)過程中不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，需增加電氣專檢頻率、力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)整改；產(chǎn)線上增加除鐵裝置，控制對(duì)輥破碎機(jī)的入口鋼渣流量，減少對(duì)輥破碎機(jī)的機(jī)體震動(dòng)。