论文部分内容阅读
摘要：本文系统的分析了大型变频同步电动机易发故障原因及处理方法，针对冶金轧钢用电机的特点，要求修复时间短，处理可靠，结合莱钢近年来出现的几起同步电动机故障处理经验，对阻尼条松动重新固定、焊接，增加阻尼条本体紧固措施进行了探索。
关键词：同步电机；阻尼条；阻尼绕组；松动；断裂；焊接；励磁线圈；热应力；机械应力；保护电焊
【分类号】：TD327.3
0 前 言
2013年莱钢厚板厂轧线2台9000kW主轧变频同步电动机出現故障停机，开罩检查发现两台电动机转子阻尼绕组存在阻尼条松动与断裂现象。莱钢近年来大型同步电机阻尼条断裂故障发生多起，本文对于大型轧钢同步电机阻尼条故障问题研究分析，研究阻尼条缺陷产生机理，分析阻尼条断裂的根本原因，对阻尼条故障发展趋势进行推理。对确保大电机安全运行具有重要的意义。
1、轧钢变频同步电机的转子结构特点及要求
1.1 结构特点
电机转子铁心是用扇形片拼成整圆，扇形片由1.0mm厚的高强度冷轧板冲制而成，转子励磁绕组每个极下有几组同心式励磁绕组。
为增加电机运行稳定性，在转子磁极表面镶嵌一圈阻尼条，阻尼条为铜棒，每极两端有与阻尼条同样材质的阻尼环，环上开孔，将铜棒插入环的孔中，并用硬钎焊将棒与环焊牢，两极的阻尼环之间用软连接，将整个转子的阻尼环组成一个圆环，阻尼绕组受热后可以轴向自由伸缩。浸无溶剂漆，烘干后成一整体。
1.2转子阻尼绕组的作用
1.2.1作为轧钢机调速用的交交变频同步电机，需要承担大幅度变化的冲击负荷以及频繁变化的正反转，阻尼绕组的作用与普通同步电机的要求不同。
1.2.2抑制振荡。对于一般变频同步电动机，启动时转子磁路的饱和程度较高，因此在启动初期，不得不采用较低的电压，从而大大降低了此时的转矩。由阻尼绕组提供部分转矩可以提高电机的响应速度。但对于轧钢用变频同步电动机，电动机在咬钢和抛钢时，突变的负载和速度变化导致电机功角震荡，这种转子的振荡可以引起定子电流和功率的振荡，从而使定子电流的有效值和铜耗变大，振荡严重可能使转子退出同步，使电机无法继续在正常状态下工作。
凸极同步电动机的功率特性表达式：
式中Pe------电磁功率
δm（θ）------功率角
（同步电动机功角特性图）
有阻尼条时，当转子的瞬时速度高于或低于同步角速度时，气隙合成磁场就会在阻尼绕组中感应出电流，而电流和气隙磁场相作用便产生阻尼转矩使振荡衰减。
2、变频同步电机阻尼条故障特点
2.1这两台变频同步电动机转子阻尼绕组中多根松动断裂，阻尼条断裂点在阻尼条出铁心位置，断裂松动约占1/4。
2.2松动断裂的阻尼条都在每个磁极的两边。
3、电机阻尼条故障的原因分析：
3.1电机制造过程的缺陷
阻尼铜条材质为无氧紫铜，阻尼条直径14mm，阻尼条与转子铁心配合间隙为O.1-0.2mm，电机阻尼条穿入铁心，对转子整体按规定的温度和时间进行一次真空压力浸漆（VPI）。如果嵌入铁心槽中的配合间隙偏大，并且在电机浸漆固化过程中旋转不充分，导致电机在干燥过程中阻尼槽内的绝缘漆在重力的作用下渗出，浸渍树脂流失，造成阻尼条在转子铁心槽中固定不紧密，从而影响电机质量。
3.2电动机冲击负载较大
电机一直处于动态变化的工作状态，电機阻尼绕组中某些阻尼条瞬间感应电流可高达5000A。
3.3转子磁极两侧因机械结构及磁极柔性联接原因使震动幅值较大，导致磁极两侧松动断裂严重。
一般全阻尼结构方式中间阻尼条电流较大，温度高受力也较大，也最容易松动断裂，但由于大型凸极同步电机转子磁极联接片及端部结构较大，在频繁正反转及冲击负载下震动幅度较大，导致更易断裂。
3.4阻尼条和铁心之间发生放电
电弧侵蚀阻尼条和铁心，阻尼条与铁心的间隙进一步增大。一旦铁心槽口被电蚀到足够大，部分断裂的阻尼条可能飞出槽口，打坏定转子绕组
3.5设计缺陷，主要是过载能力及余量不足。
3.6阻尼条受力情况分析
3.6.1负载变化时阻尼条瞬间感应电流流过产生的热应力
3.6.2转子铁心冷热循环对阻尼条产生的热应力
3.6.3机械应力：阻尼条作为导体在磁场中相对运动产生的电磁力轧钢时的动态变化产生通过阻尼条的磁场
3.6.4电机转子旋转产生的离心力
（阻尼条的受力情况）
3.7阻尼条断裂故障结论
通过对阻尼条断裂截面痕迹分析来看，断面的金属晶体结构有明显的阶段式发展痕迹，没有烧痕、熔痕。由此判断阻尼条断裂是一个疲劳发展过程。
电机在轧钢生产过程中，轧机负荷的变化使电机的阻尼条产生较大的感应电流，阻尼条在承受的热应力、机械应力、电动力情况下，造成了阻尼条在铁心中周期振荡、松动、发展，最终疲劳断裂。我们从阻尼条的受力情况和断裂截面分析中可知，阻尼铜条的机械疲劳是阻尼条断裂的最直接原因。材料疲劳是循序渐进的，而不是突然发生的。
4、电机修复方案
4.1施工方案一。可以将阻尼条整体更换、整体真空压力浸漆（VPI）固定，但由于现场条件所限，需返厂处理，这样施工工期较长，需要两个多月的时间。
4.2施工方案二。现场对电机转子阻尼条断裂焊补、加固。
经过论证，我们认为方案二完全能够达到使用要求，决定采用方案二。
4.3施工过程。
剔除无法焊接处理的3、4根阻尼条，这样剩余的阻尼条完全能够满足工况要求，其他断裂的几根进行co2保护电焊修补，松动的槽口填充自干专用固定胶，为增加阻尼条固定的可靠性，把部分槽口损坏严重的阻尼条与铁芯进行不锈钢焊条焊接处理。
4.4施工关键。
电机阻尼条断裂缺陷修复的关键点是连接断裂阻尼条，增加阻尼条本体紧固措施。根据电机具体结构特点，电机阻尼条断裂处位置狭小，阻尼条旁边3mm处即是转子励磁线圈，焊接空间位置狭小，焊接产生大量的热量，为了降低焊接对铁心及转子励磁线圈的热影响，焊接必须错开焊接，每个焊接点分4到5次焊接完成。焊接工作从矩形槽的两边向中心展开。首先将焊机的电流调整至60 A，用直径
1.2mm的不锈钢焊条将镶衬的钢带焊接在铁芯叠片上，待焊缝冷却后将焊机的电流调整到160A，用直径为2mm的不锈钢焊条由两边向中心堆焊，保持焊缝的充分冷却是不伤害绝缘的关键，不同焊点的焊缝可以交错进行，以提高焊接效率。
氧乙炔焊操作相对简单，焊接透入深度大，强度高，但其热影响区大，焊接焰火极易损伤阻尼绕组旁边的励磁线圈，在施工位置狭小的空间施工极为困难。而保护电焊焊接虽然产生热量小，热影响区小，施工操作不影响励磁绝缘的优点，但此焊接工艺却具有焊接处熔点低、机械强度低、焊点受力容易开裂的先天缺陷。因此，需要针对同步电机阻尼条断裂缺陷不同情况进行处理。
5 结 论
通过对大电机阻尼条缺陷产生机理研究分析，总结了阻尼条故障的特点和修复技术，找出了阻尼条故障的根本原因。针对缺陷的具体情况制定了修复方案并成功实施，缩短了停机检修时间，提高了主设备利用率，经过几个月的运行，效果良好，为公司效益最大化作出了贡献。
参考文献：
1、陈世坤 电机设计 机械工业出版社
2、田德见等 交交变频调速同步电机设计 冶金自动化
3、电机工程手册（电机卷） 同步电机 机械工业出版社 第二版
4、马志云 电机瞬态分析 中国电力出版社
5、电机制造工艺 湖南大学 龚坰等 机械工业出版社
作者简介：薛志勇（1970-），工程师 ，现从事电机、变压器维修技术管理。
关键词：同步电机；阻尼条；阻尼绕组；松动；断裂；焊接；励磁线圈；热应力；机械应力；保护电焊
【分类号】：TD327.3
0 前 言
2013年莱钢厚板厂轧线2台9000kW主轧变频同步电动机出現故障停机，开罩检查发现两台电动机转子阻尼绕组存在阻尼条松动与断裂现象。莱钢近年来大型同步电机阻尼条断裂故障发生多起，本文对于大型轧钢同步电机阻尼条故障问题研究分析，研究阻尼条缺陷产生机理，分析阻尼条断裂的根本原因，对阻尼条故障发展趋势进行推理。对确保大电机安全运行具有重要的意义。
1、轧钢变频同步电机的转子结构特点及要求
1.1 结构特点
电机转子铁心是用扇形片拼成整圆，扇形片由1.0mm厚的高强度冷轧板冲制而成，转子励磁绕组每个极下有几组同心式励磁绕组。
为增加电机运行稳定性，在转子磁极表面镶嵌一圈阻尼条，阻尼条为铜棒，每极两端有与阻尼条同样材质的阻尼环，环上开孔，将铜棒插入环的孔中，并用硬钎焊将棒与环焊牢，两极的阻尼环之间用软连接，将整个转子的阻尼环组成一个圆环，阻尼绕组受热后可以轴向自由伸缩。浸无溶剂漆，烘干后成一整体。
1.2转子阻尼绕组的作用
1.2.1作为轧钢机调速用的交交变频同步电机，需要承担大幅度变化的冲击负荷以及频繁变化的正反转，阻尼绕组的作用与普通同步电机的要求不同。
1.2.2抑制振荡。对于一般变频同步电动机，启动时转子磁路的饱和程度较高，因此在启动初期，不得不采用较低的电压，从而大大降低了此时的转矩。由阻尼绕组提供部分转矩可以提高电机的响应速度。但对于轧钢用变频同步电动机，电动机在咬钢和抛钢时，突变的负载和速度变化导致电机功角震荡，这种转子的振荡可以引起定子电流和功率的振荡，从而使定子电流的有效值和铜耗变大，振荡严重可能使转子退出同步，使电机无法继续在正常状态下工作。
凸极同步电动机的功率特性表达式：
式中Pe------电磁功率
δm（θ）------功率角
（同步电动机功角特性图）
有阻尼条时，当转子的瞬时速度高于或低于同步角速度时，气隙合成磁场就会在阻尼绕组中感应出电流，而电流和气隙磁场相作用便产生阻尼转矩使振荡衰减。
2、变频同步电机阻尼条故障特点
2.1这两台变频同步电动机转子阻尼绕组中多根松动断裂，阻尼条断裂点在阻尼条出铁心位置，断裂松动约占1/4。
2.2松动断裂的阻尼条都在每个磁极的两边。
3、电机阻尼条故障的原因分析：
3.1电机制造过程的缺陷
阻尼铜条材质为无氧紫铜，阻尼条直径14mm，阻尼条与转子铁心配合间隙为O.1-0.2mm，电机阻尼条穿入铁心，对转子整体按规定的温度和时间进行一次真空压力浸漆（VPI）。如果嵌入铁心槽中的配合间隙偏大，并且在电机浸漆固化过程中旋转不充分，导致电机在干燥过程中阻尼槽内的绝缘漆在重力的作用下渗出，浸渍树脂流失，造成阻尼条在转子铁心槽中固定不紧密，从而影响电机质量。
3.2电动机冲击负载较大
电机一直处于动态变化的工作状态，电機阻尼绕组中某些阻尼条瞬间感应电流可高达5000A。
3.3转子磁极两侧因机械结构及磁极柔性联接原因使震动幅值较大，导致磁极两侧松动断裂严重。
一般全阻尼结构方式中间阻尼条电流较大，温度高受力也较大，也最容易松动断裂，但由于大型凸极同步电机转子磁极联接片及端部结构较大，在频繁正反转及冲击负载下震动幅度较大，导致更易断裂。
3.4阻尼条和铁心之间发生放电
电弧侵蚀阻尼条和铁心，阻尼条与铁心的间隙进一步增大。一旦铁心槽口被电蚀到足够大，部分断裂的阻尼条可能飞出槽口，打坏定转子绕组
3.5设计缺陷，主要是过载能力及余量不足。
3.6阻尼条受力情况分析
3.6.1负载变化时阻尼条瞬间感应电流流过产生的热应力
3.6.2转子铁心冷热循环对阻尼条产生的热应力
3.6.3机械应力：阻尼条作为导体在磁场中相对运动产生的电磁力轧钢时的动态变化产生通过阻尼条的磁场
3.6.4电机转子旋转产生的离心力
（阻尼条的受力情况）
3.7阻尼条断裂故障结论
通过对阻尼条断裂截面痕迹分析来看，断面的金属晶体结构有明显的阶段式发展痕迹，没有烧痕、熔痕。由此判断阻尼条断裂是一个疲劳发展过程。
电机在轧钢生产过程中，轧机负荷的变化使电机的阻尼条产生较大的感应电流，阻尼条在承受的热应力、机械应力、电动力情况下，造成了阻尼条在铁心中周期振荡、松动、发展，最终疲劳断裂。我们从阻尼条的受力情况和断裂截面分析中可知，阻尼铜条的机械疲劳是阻尼条断裂的最直接原因。材料疲劳是循序渐进的，而不是突然发生的。
4、电机修复方案
4.1施工方案一。可以将阻尼条整体更换、整体真空压力浸漆（VPI）固定，但由于现场条件所限，需返厂处理，这样施工工期较长，需要两个多月的时间。
4.2施工方案二。现场对电机转子阻尼条断裂焊补、加固。
经过论证，我们认为方案二完全能够达到使用要求，决定采用方案二。
4.3施工过程。
剔除无法焊接处理的3、4根阻尼条，这样剩余的阻尼条完全能够满足工况要求，其他断裂的几根进行co2保护电焊修补，松动的槽口填充自干专用固定胶，为增加阻尼条固定的可靠性，把部分槽口损坏严重的阻尼条与铁芯进行不锈钢焊条焊接处理。
4.4施工关键。
电机阻尼条断裂缺陷修复的关键点是连接断裂阻尼条，增加阻尼条本体紧固措施。根据电机具体结构特点，电机阻尼条断裂处位置狭小，阻尼条旁边3mm处即是转子励磁线圈，焊接空间位置狭小，焊接产生大量的热量，为了降低焊接对铁心及转子励磁线圈的热影响，焊接必须错开焊接，每个焊接点分4到5次焊接完成。焊接工作从矩形槽的两边向中心展开。首先将焊机的电流调整至60 A，用直径
1.2mm的不锈钢焊条将镶衬的钢带焊接在铁芯叠片上，待焊缝冷却后将焊机的电流调整到160A，用直径为2mm的不锈钢焊条由两边向中心堆焊，保持焊缝的充分冷却是不伤害绝缘的关键，不同焊点的焊缝可以交错进行，以提高焊接效率。
氧乙炔焊操作相对简单，焊接透入深度大，强度高，但其热影响区大，焊接焰火极易损伤阻尼绕组旁边的励磁线圈，在施工位置狭小的空间施工极为困难。而保护电焊焊接虽然产生热量小，热影响区小，施工操作不影响励磁绝缘的优点，但此焊接工艺却具有焊接处熔点低、机械强度低、焊点受力容易开裂的先天缺陷。因此，需要针对同步电机阻尼条断裂缺陷不同情况进行处理。
5 结 论
通过对大电机阻尼条缺陷产生机理研究分析，总结了阻尼条故障的特点和修复技术，找出了阻尼条故障的根本原因。针对缺陷的具体情况制定了修复方案并成功实施，缩短了停机检修时间，提高了主设备利用率，经过几个月的运行，效果良好，为公司效益最大化作出了贡献。
参考文献：
1、陈世坤 电机设计 机械工业出版社
2、田德见等 交交变频调速同步电机设计 冶金自动化
3、电机工程手册（电机卷） 同步电机 机械工业出版社 第二版
4、马志云 电机瞬态分析 中国电力出版社
5、电机制造工艺 湖南大学 龚坰等 机械工业出版社
作者简介：薛志勇（1970-），工程师 ，现从事电机、变压器维修技术管理。