同步電機頻繁損壞原因分析與改進對策
摘 要：
分析同步電動機運行中的故障征象，找出同步電動機頻繁損壞的根本原因，針對這些原因提出了改進同步機勵磁控制系統的對策。
關鍵詞：
同步機 運行分析 勵磁裝置 控制技術
大型高壓同步電動機，由于其具有一系列優點，特別是能向電網發送無功功率，改善電網質量，在各行各業得到廣泛應用。我公司球磨機用同步電動機曾在一段時期內頻繁損壞，直接影響到我公司的生產和設備的安全運行。因此正確分析判斷同步電機的故障原因，并提出相應對策，就成了我們的當務之急。
一、事故征象
我公司現有16臺1300KW/6KV同步電動機。在2000年以前平均每年要出現2～3次電機燒損的事故。其事故主要征象為：定子繞組端部綁線崩斷，電機定子繞組過熱，起動繞組籠條開焊、斷裂，電機起動及運行中出現異常聲響，經常啟動失敗等現象。
尤其是在1999年1月12日我公司7#同步電動機運行過程中突然放炮，造成7#同步電動機定子線圈局部嚴重燒壞，高壓電纜接頭燒損，電流互感器崩壞，由于7#同步機脫扣裝置拒動，保護不能正常動作，持續大電流引起密地變電所密27選Ⅱ線保護動作跳閘，影響到選Ⅱ所帶其它用電設備停機。
二、事故原因的基本判斷分析
1、電機質量分析：
電機的正常使用壽命一般應在20年左右。統計我公司所損壞的同步電動機，運行壽命大多在10年以下，尤其是這臺7#同步電動機大修后，投運僅4個月便出現了這次放炮燒損事故。
在事故分析中，部分電氣技術人員將事故的主要原因歸結到電機的大修上。這種大面積的電機損害事故，將事故原因歸結到電機質量上，我對此提出異議。建議將視線轉移到對勵磁系統的分析上；事實證明，電機修理廠在電機返修中對其重點部位進行了種種加強措施，甚至于提高了絕緣等級，但效果并不顯著。損壞事故仍不斷出現。
2、勵磁系統原因分析：
針對同步電動機起動運行過程中發生異常聲響、電機定子繞組過熱、起動繞組籠條開焊、斷裂等諸多現象，在排除電機質量原因引起事故的條件下，有必要對現行的勵磁系統進行合理的分析，從而找出電機頻繁損壞的真正原因：勵磁系統設計不合理。
三、勵磁系統存在的主要問題與電機故障原因的內在聯系
1、勵磁裝置起動回路設計不合理，使同步電機經常處在脈振情形下起動。
原主電路為橋式半控勵磁裝置，其原理圖如圖1所示。
電機在起動過程中，在轉子線圈內將感應一交變電勢，其正半波通過ZQ形成回路，產生+if；而其負半波則通過KQ及RF形成回路，產生-if。由于負載電路不對稱，形成+if與-if電流不對稱，if曲線如圖2所示。電機定子電流因此也產生強烈脈振，其曲線如圖3。電機因而遭受到脈振轉矩的強烈振動。造成整個廠房大廳內都可以聽到電機起動過程發出的強烈振動聲。這種聲音一直持續到電機起動結束才消失。
另一方面，由于裝置采用的是KGLF-11型老式勵磁裝置模擬控制，其投勵檢測元件老化，檢測不準確，導致投勵時間變化，對電機啟動造成很大影響。隨著電機起動過程滑差減小，轉子線圈內感應電勢逐步減小，當轉速達到50％以上時，勵磁回路感應電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態，形成+if與-if電流不對稱，由此形成脈振轉矩，造成電機產生強烈振動。有時在運行中受滅磁插件分立元件性能的影響，滅磁晶閘管KQ誤導通，滅磁電阻發熱燒紅冒煙。它只有一個高導通電壓，電機起動時，特別在轉子感應電壓較低時，KQ不能可靠導通，造成主機起動轉矩不對稱，使機組產生強烈振動。這正是前述的主要事故征象之一。
因此，無論電機質量如何優異，在如此惡劣的條件下電機頻繁起動，給電機造成的損傷是可想而知的。電機的壽命因此大打折扣。
2、投勵環節設計不合理，經常造成啟動失敗，重復啟動次數大大增加。
投勵環節原設計為：按同步電動機轉子滑差順極性無接點投勵環節工作，如圖4所示。
由于控制插件采用的是模擬元件，元件老化和溫度漂移以及抗干擾能力弱，造成轉子感應電壓檢測不準確。主要是由于檢測感應信號的穩壓管12WY和三極管3BG性能不穩定，還有對電容器5C的充放電時間不確定；在同步機進入亞同步時，該投勵觸發時卻沒有發出信號，往往造成同步機啟動失敗。這是模擬勵磁裝置的通病，結果是造成同步機重復啟動，從而帶來對電機的損害。
3、勵磁裝置無可靠的失步保護裝置，使電機運行不可靠。
同步電動機原投勵裝置采用反時限繼電器“兼作失步保護”，其原理接線如圖五；而電機“過負荷”與電機“失步”是完全不同的兩個概念，通過對電機失步時的示波照相分析其暫態過程，現場試驗及實拍電機失步的暫態波形證明：用過負荷繼電器兼作失步保護，當電機失步時，不能動作，有的雖能動作，但動作延時加長，實際上起不到保護作用。如圖5所示的過流繼電器原理。
同步電機的失步事故主要分為失勵失步和帶勵失步兩類。
3．1、失勵失步是由于勵磁系統的原因，使同步電動機的勵磁繞組失去直流勵磁。由于球磨機的同步電機過載力矩很大，導致同步電動機失去靜態穩定，滑出同步。電機發生失勵失步時，負載基本不變，定子電流增大1.5～3倍，電機聲音異常，而GL型繼電器主要用于起動時的電流保護，其整定值為6～7倍的額定值，所以GL型繼電器拒動或動作時間過長。在此情況下失勵失步一般不易被值班人員及時發現，待發現電機冒煙時，電機已失步了相當長時間，并已造成電機繞組或勵磁裝置的損壞。應當指出的是電機的失勵失步，大多不當場損壞電機，出現電機冒煙后，停機常規檢查，往往又查不出毛病，電機還能再投入運行。
由于失步運行，在阻尼繞組中就流過超過額定電流數倍至數十倍的電流，尤其是負載較重時，由于轉差較大，所以流過阻尼繞組電流就更大。阻尼繞組的溫升和熱容量，一般是按短時工作制考慮的，由于長期流過大電流，必定會導致阻尼繞組溫度過高，造成開焊、籠條斷裂，甚至于阻尼繞組完全燒毀。正是在這種狀況下，使得電機的壽命大為縮短。需要指出的是，電機失勵失步時還會在轉子回路中產生高電壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞，引起滅磁電阻發熱，嚴重時甚至造成整臺勵磁裝置燒壞。
3．2、帶勵失步，是由于負載突增（如球磨機脹肚），電機在運行中短時間嚴重欠勵磁；或電機起動過程中勵磁系統過早投勵等原因引起的。
電機在帶勵失步時，勵磁系統雖仍有直流勵磁，但勵磁電流及定子電流（包絡線）強烈脈動，電機亦遭受強烈脈振，有時甚至產生電氣共振和機械共振。帶勵失步與失勵失步對電機造成的危害其性質是一樣的。嚴重時甚至出現斷軸事故。由于電機和主機是同軸運行，電機的強烈脈振，同樣會波及到主機損傷，如緊固螺絲斷裂等。
四、勵磁系統改進對策
我公司球磨機用同步電機損壞頻繁的主要原因如上述三條，其對策主要為：
1、主電路：采用無續流二極管的新型三相橋式半控整流電路（圖6所示），線路簡潔、可靠，通過設計合理選配滅磁電阻RF，分級整定KQ的開通電壓，當電機在異步驅動狀態時，使KQ在較低電壓下便開通，電動機具有良好的異步驅動特性，有效地消除了原勵磁屏在電機異步暫態過程中所存在的脈振，滿足帶載起動及再整步的要求；而當電機在同步運行狀態時，KQ在過電壓情況下才開通，既起到保護元器件的作用，又使電機在正常同步運行時，KQ不會誤導通。
2、投勵環節改進：電機在起動及再整步過程中，按照“準角強勵磁整步”的原則設計。就物理概念而言，系指電機轉速進入臨界滑差（即原來所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉子回路中產生的磁場與定子繞組產生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉子繞組產生的S極相吸，定子磁場的S極與投勵后轉子繞組產生的N極相吸）。在準角時投入強勵，使吸力進一步加大，這樣電機進入同步便輕松、快速、平滑、無沖擊。投勵時的滑差大小，可通過數字式功能開關設定；對電機滑差大小的檢測，是根據裝置回路內測取的轉子電壓波形，經采樣后取得Uf，通過變換整形，變成方波，再經過光電隔離，輸入電腦系統，最后準確投勵。
改造后電機起動及投勵過程的波形見圖7
為使電機運行中勵磁電壓不致過高、過低或失控，在控制電路中設有1K、2K、3K功能開關。其中1K用來設定勵磁電壓的上限，它既作為設定勵磁裝置輸出直流電壓的上限，又作為電機起動及再整步投強勵的設定值；2K用來設定電機正常運行時的勵磁電壓；3K用來設定勵磁電壓的下限。投勵時，首先按1K強勵設定值運行1秒鐘，然后自動移至正常勵磁所設定的位置上。選用的LZK-3型裝置面板上有薄膜面板開關，按動上升鍵或下降鍵，可以在1K及3K所設定范圍內調整勵磁電壓大小。
由于全部采用數字化開關及電腦控制，使裝置性能穩定。完全消除采用電位器控制時存在的諸多弊端。
3、失步保護裝置：其基本原理是利用同步電動機失步時，在其轉子回路產生不衰減交變電流分量的特征，通過測取轉子勵磁回路交變電流信號，并對其波形特征進行智能分析，快速、準確判斷電機是否失步。對于各類失步，不管其滑差大小，裝置均能準確動作。根據具體情況，動作于滅磁、再整步，或啟動后備保護環節動作于跳閘。而電機未失步，則不管其振蕩多大，裝置均不誤動作。
其中圖8（a）、（b）、（c）勵磁回路已出現不衰減的交變電流信號，電機已失步，失步保護環節應快速及時動作；圖8（d）是同步振蕩，電機未失步，失步保護環節應不誤動作。對某些舊電機或已受暗傷的電機，有時會出現轉子回路開路，此時勵磁回路電流突然下降至零，失步保護環節就應快速動作。本系統能根據勵磁回路電流波形準確快速地分析電機是否已失步。
失步保護所取信號，是從串接在勵磁回路中的分流器上測取不失真的毫伏信號。此信號經放大變換后輸入電腦系統，由電腦系統直接分析，并做出判斷輸出。
4、失步后帶載自動再整步：正常運轉中的同步電動機，經裝置檢測，判斷確認已失步后，立即動作于滅磁、異步驅動、帶載再整步。
LZK-3型綜合控制器中的滅磁環節，是采用斷勵續流滅磁，即電機失步后，立即停發觸發脈沖，勵磁控制繼電器LCJ吸合，斷開勵磁接觸器控制回路及勵磁主回路。待整流主橋路可控硅關斷后，LCJ釋放，電機進入異步驅動狀態。
電機一旦失步進入異步運行，必須改善電機的異步驅動特性。在電機處于異步運行狀態情況下，裝置自動使KQJ繼電器處于釋放狀態，通過KQJ的常閉接點，使KQ可控硅在很低電壓下便開通，以改善電機的異步驅動特性（圖9所示）。
同步電動機異步起動時轉子回路感應出很高的電壓，此電壓會直接危及電機轉子的繞組絕緣，因此勵磁裝置要及時地在主機起動過程中串接適當的滅磁電阻。
該勵磁裝置起動滅磁回路中晶閘管KQ導通電壓采用高、低通電壓分級整定，保證主機良好的異步驅動性能，如圖9所示。主機起動時，通過電阻R7、R8、穩壓管DW3分壓限幅將轉子兩端感應的高電壓轉換為低電壓信號Uf，再經RC（不在圖中）濾波、過零比較器處理、光電耦合器隔離后送至單片機系統。單片機檢測到該信號和合閘接觸器動作信號后，使繼電器KM1處于釋放狀態，KQ在很低電壓（約12V）下便導通，轉子回路的正向電流經KQ、滅磁電阻RF流過，反向電流經二極管ZQ、RF流過，保證了正反向電流的對稱性，使主機起動平穩。當主機起動結束進入同步后，微機自動讓繼電器KM1、KM3動作，KQ導通電壓轉入高通值（約250V）運行，KQ自動關斷。
為避免KQ因過電壓設定值太低或導通后由于整流電壓較高使整流電壓波形無過零點等原因關不斷，或因運行中由于某種原因誤導通，造成RF長時間通電發熱燒壞，在裝置內設有KQ誤導通檢測電路。若KQ未導通，在KQ與RF回路中，直流勵磁電壓全部降在KQ上，RF兩端無過電壓，處于冷態；一旦出現KQ導通后，直流勵磁全部降落在RF上，繼電器KM2線圈得電吸合，其動合觸點閉合，電腦系統接收到KQ誤導通信號后，先停發200ms脈沖，使整流電路轉入失控狀態，KQ在電流波形過零點自然關斷。若關不斷，電腦指令繼電器KM4（不在圖中）動作，通過觸點接通報警回路，電鈴響起，并在液晶面板上使用漢字顯示“KQ誤導通”，提請現場值班人員檢查處理。
經改造后，電機在起動過程，轉子電流If波形曲線趨向平滑，KQ兩端的電壓U1一直為零，無任何尖端和毛刺，說明滅磁晶閘管導通非常及時，起動回路特性很好。投勵后U1自動轉為正常勵磁電壓，KQ已自動關斷。
當供電系統出現“自動重合閘”、“備用電源自切”或“人工切換電源”時，將出現電能輸送渠道的短暫中斷。為防止電源恢復瞬間可能造成的“非同期沖擊”，由防沖擊檢測環節送給本裝置一對接點FCJ。電腦接收到FCJ接點信號后，將同樣動作于滅磁、異步驅動、帶載再整步。
5、后備保護環節：在同步電機或勵磁裝置出現再整步不成功、電機起動后或失步后長時間不投勵、電機在投勵后拉不進同步、起動時間過長或熔斷器、可控硅、二極管、整流變壓器損壞等故障，使電機無法正常運行時；為保證電機及勵磁裝置安全，裝置中特設了一個后備保護環節，動作于跳閘停機。后備保護動作跳閘后，控制面板上留有“后備保護動作”信號，也便于分析和記錄。
6、可控硅誤導通檢測：設計時采取了對KQ可控硅的開通電壓實行分級整定，即電機在起動過程及失步后的異步驅動暫態過程中，為改善電機的異步驅動特性，使KQ在很低電壓下便開通；而當電機進入同步后，KQ開通電壓設定值較高，主要是為了保護電機，保護可控硅、二極管，防止過電壓，因此，僅在出現過電壓情況下開通。
為避免KQ可控硅因過電壓設定值太低，或開通后關不斷，造成滅磁電阻RF長時間通電而過熱，裝置內設有KQ誤導通檢測裝置，若KQ未導通，在KQ與RF回路，直流勵磁電壓全部降落在KQ上，在滅磁電阻RF兩端無電壓，滅磁電阻RF處于冷態；一旦出現KQ導通后，直流電壓降落在滅磁電阻上，裝置內繼電器RFJ線圈得電吸合（見圖9），其接點信號輸入電腦系統，電腦接收到KQ導通信號（即RFJ接點信號）后，對于因過電壓引起的導通，電腦系統指令其過電壓消失后自動關斷。對因電壓設定值太低造成的KQ誤導通，或導通后關不斷，電腦指令控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點接通報警回路，并控制面板上“KQ誤導通”信號指示燈亮，發出聲光信號提請操作人員檢查處理。
7、失控檢測系統：由于外部因素，如觸發脈沖回路斷線或接觸不良，造成脈沖丟失，控制回路同步電源缺相或消失，主回路元件損壞（如熔斷器熔斷）造成主回路三相不平衡、缺相運行，但未造成電機失步（若失步，則由失步再整步回路或后備保護環節處理），裝置能及時檢測到，若10秒鐘后故障仍未消除，裝置就控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點，接通報警回路，并控制面板上的“失控”信號指示燈亮，發出聲光信號。
失控或缺相檢測，基本原理是利用電機進入同步后的正常運行情況下，對直流勵磁電壓波形特征進行分析，圖10是幾種典型的勵磁電壓波形，圖10（a）、（b）為正常運行，圖10（c）為缺相運行，圖10（d）為失控運行。
當控制器檢測到電機出現失步、勵磁裝置出現KQ可控硅誤導通、失控或由控制器后備保護環節動作于電機跳閘時，控制器面板上分別備有各自的指示燈。按復歸按鈕，指示燈復位。其中KQ可控硅誤導通、失控，除有燈光信號外，電腦還控制報警繼電器吸合，由BXJ接點接通音響報警回路。按復位按鈕，報警繼電器BXJ復位。
五、技術改造后的效果
1.同步電動機勵磁裝置改造后，在異步驅動過程中平滑、快速，完全消除了采用老式勵磁屏在電機異步暫態過程中所存在的脈振，滿足了帶載起動及再整步的要求；其投勵按照“準角強勵整步”的原則設計，具有強勵磁整步的功能，電機拉入同步的過程平滑、快速、可靠，大大減小了對電機的沖擊，也確保了同步電機的安全可靠運行；其先進完善可靠的帶勵失步、失勵失步保護系統，也保證了同步電動機在發生帶勵失步和失勵失步時，快速動作，保護電機，使電機免受損傷。這一技術改造措施，使我公司6KV高壓同步電動機及勵磁屏故障率、維修量顯著降低，經過3年運行考驗，受到基層維護人員的一致好評和充分肯定。
2.由于采用了先進的電腦控制技術，所有控制過程均自動處理，面板采用新型薄膜按鍵，具有完整、直觀的信號顯示系統，當電機出現失步，再整步后備保護跳閘、勵磁出現失控、裝置是否運行正常等均有信號指示；核心部件同步電動機綜合控制器也能指示自身是否發生故障，且具有不停機不減載，不損傷電機的情況下從容在線更換的功能，使整個操作更方便，性能也更穩定可靠，有利于運行操作人員的使用和監控。
3.由于交流電網上的主要負荷是異步電機和配電變壓器等感性負載，它們都需要從電網吸收無功功率。根據同步電機的性質（容性負載），如使其工作在過勵狀態，將滯后的無功功率發送給電網，可改善系統電網的功率因數。選用的LZK3型勵磁裝置設置了閉環恒功率因數調節，通過功率因數變送器，將主機運行時的功率因數轉換為標準電信號，經過輸入/輸出板處理后給電腦系統采樣參數與設定數值進行比較后，使用軟件實現PID調節，這樣不管電機負載如何變化，勵磁裝置都能自動跟蹤調節，保持恒功率因數運行，減少電機的定、轉子、整流變壓器的損耗，與老式勵磁裝置相比真正意義上實現了同步電動機的最佳經濟運行。
分析同步電動機運行中的故障征象，找出同步電動機頻繁損壞的根本原因，針對這些原因提出了改進同步機勵磁控制系統的對策。
關鍵詞：
同步機 運行分析 勵磁裝置 控制技術
大型高壓同步電動機，由于其具有一系列優點，特別是能向電網發送無功功率，改善電網質量，在各行各業得到廣泛應用。我公司球磨機用同步電動機曾在一段時期內頻繁損壞，直接影響到我公司的生產和設備的安全運行。因此正確分析判斷同步電機的故障原因，并提出相應對策，就成了我們的當務之急。
一、事故征象
我公司現有16臺1300KW/6KV同步電動機。在2000年以前平均每年要出現2～3次電機燒損的事故。其事故主要征象為：定子繞組端部綁線崩斷，電機定子繞組過熱，起動繞組籠條開焊、斷裂，電機起動及運行中出現異常聲響，經常啟動失敗等現象。
尤其是在1999年1月12日我公司7#同步電動機運行過程中突然放炮，造成7#同步電動機定子線圈局部嚴重燒壞，高壓電纜接頭燒損，電流互感器崩壞，由于7#同步機脫扣裝置拒動，保護不能正常動作，持續大電流引起密地變電所密27選Ⅱ線保護動作跳閘，影響到選Ⅱ所帶其它用電設備停機。
二、事故原因的基本判斷分析
1、電機質量分析：
電機的正常使用壽命一般應在20年左右。統計我公司所損壞的同步電動機，運行壽命大多在10年以下，尤其是這臺7#同步電動機大修后，投運僅4個月便出現了這次放炮燒損事故。
在事故分析中，部分電氣技術人員將事故的主要原因歸結到電機的大修上。這種大面積的電機損害事故，將事故原因歸結到電機質量上，我對此提出異議。建議將視線轉移到對勵磁系統的分析上；事實證明，電機修理廠在電機返修中對其重點部位進行了種種加強措施，甚至于提高了絕緣等級，但效果并不顯著。損壞事故仍不斷出現。
2、勵磁系統原因分析：
針對同步電動機起動運行過程中發生異常聲響、電機定子繞組過熱、起動繞組籠條開焊、斷裂等諸多現象，在排除電機質量原因引起事故的條件下，有必要對現行的勵磁系統進行合理的分析，從而找出電機頻繁損壞的真正原因：勵磁系統設計不合理。
三、勵磁系統存在的主要問題與電機故障原因的內在聯系
1、勵磁裝置起動回路設計不合理，使同步電機經常處在脈振情形下起動。
原主電路為橋式半控勵磁裝置，其原理圖如圖1所示。
電機在起動過程中，在轉子線圈內將感應一交變電勢，其正半波通過ZQ形成回路，產生+if；而其負半波則通過KQ及RF形成回路，產生-if。由于負載電路不對稱，形成+if與-if電流不對稱，if曲線如圖2所示。電機定子電流因此也產生強烈脈振，其曲線如圖3。電機因而遭受到脈振轉矩的強烈振動。造成整個廠房大廳內都可以聽到電機起動過程發出的強烈振動聲。這種聲音一直持續到電機起動結束才消失。
另一方面，由于裝置采用的是KGLF-11型老式勵磁裝置模擬控制，其投勵檢測元件老化，檢測不準確，導致投勵時間變化，對電機啟動造成很大影響。隨著電機起動過程滑差減小，轉子線圈內感應電勢逐步減小，當轉速達到50％以上時，勵磁回路感應電流負半波通路不暢，將處于時通時斷，似通非通狀態，形成+if與-if電流不對稱，由此形成脈振轉矩，造成電機產生強烈振動。有時在運行中受滅磁插件分立元件性能的影響，滅磁晶閘管KQ誤導通，滅磁電阻發熱燒紅冒煙。它只有一個高導通電壓，電機起動時，特別在轉子感應電壓較低時，KQ不能可靠導通，造成主機起動轉矩不對稱，使機組產生強烈振動。這正是前述的主要事故征象之一。
因此，無論電機質量如何優異，在如此惡劣的條件下電機頻繁起動，給電機造成的損傷是可想而知的。電機的壽命因此大打折扣。
2、投勵環節設計不合理，經常造成啟動失敗，重復啟動次數大大增加。
投勵環節原設計為：按同步電動機轉子滑差順極性無接點投勵環節工作，如圖4所示。
由于控制插件采用的是模擬元件，元件老化和溫度漂移以及抗干擾能力弱，造成轉子感應電壓檢測不準確。主要是由于檢測感應信號的穩壓管12WY和三極管3BG性能不穩定，還有對電容器5C的充放電時間不確定；在同步機進入亞同步時，該投勵觸發時卻沒有發出信號，往往造成同步機啟動失敗。這是模擬勵磁裝置的通病，結果是造成同步機重復啟動，從而帶來對電機的損害。
3、勵磁裝置無可靠的失步保護裝置，使電機運行不可靠。
同步電動機原投勵裝置采用反時限繼電器“兼作失步保護”，其原理接線如圖五；而電機“過負荷”與電機“失步”是完全不同的兩個概念，通過對電機失步時的示波照相分析其暫態過程，現場試驗及實拍電機失步的暫態波形證明：用過負荷繼電器兼作失步保護，當電機失步時，不能動作，有的雖能動作，但動作延時加長，實際上起不到保護作用。如圖5所示的過流繼電器原理。
同步電機的失步事故主要分為失勵失步和帶勵失步兩類。
3．1、失勵失步是由于勵磁系統的原因，使同步電動機的勵磁繞組失去直流勵磁。由于球磨機的同步電機過載力矩很大，導致同步電動機失去靜態穩定，滑出同步。電機發生失勵失步時，負載基本不變，定子電流增大1.5～3倍，電機聲音異常，而GL型繼電器主要用于起動時的電流保護，其整定值為6～7倍的額定值，所以GL型繼電器拒動或動作時間過長。在此情況下失勵失步一般不易被值班人員及時發現，待發現電機冒煙時，電機已失步了相當長時間，并已造成電機繞組或勵磁裝置的損壞。應當指出的是電機的失勵失步，大多不當場損壞電機，出現電機冒煙后，停機常規檢查，往往又查不出毛病，電機還能再投入運行。
由于失步運行，在阻尼繞組中就流過超過額定電流數倍至數十倍的電流，尤其是負載較重時，由于轉差較大，所以流過阻尼繞組電流就更大。阻尼繞組的溫升和熱容量，一般是按短時工作制考慮的，由于長期流過大電流，必定會導致阻尼繞組溫度過高，造成開焊、籠條斷裂，甚至于阻尼繞組完全燒毀。正是在這種狀況下，使得電機的壽命大為縮短。需要指出的是，電機失勵失步時還會在轉子回路中產生高電壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞，引起滅磁電阻發熱，嚴重時甚至造成整臺勵磁裝置燒壞。
3．2、帶勵失步，是由于負載突增（如球磨機脹肚），電機在運行中短時間嚴重欠勵磁；或電機起動過程中勵磁系統過早投勵等原因引起的。
電機在帶勵失步時，勵磁系統雖仍有直流勵磁，但勵磁電流及定子電流（包絡線）強烈脈動，電機亦遭受強烈脈振，有時甚至產生電氣共振和機械共振。帶勵失步與失勵失步對電機造成的危害其性質是一樣的。嚴重時甚至出現斷軸事故。由于電機和主機是同軸運行，電機的強烈脈振，同樣會波及到主機損傷，如緊固螺絲斷裂等。
四、勵磁系統改進對策
我公司球磨機用同步電機損壞頻繁的主要原因如上述三條，其對策主要為：
1、主電路：采用無續流二極管的新型三相橋式半控整流電路（圖6所示），線路簡潔、可靠，通過設計合理選配滅磁電阻RF，分級整定KQ的開通電壓，當電機在異步驅動狀態時，使KQ在較低電壓下便開通，電動機具有良好的異步驅動特性，有效地消除了原勵磁屏在電機異步暫態過程中所存在的脈振，滿足帶載起動及再整步的要求；而當電機在同步運行狀態時，KQ在過電壓情況下才開通，既起到保護元器件的作用，又使電機在正常同步運行時，KQ不會誤導通。
2、投勵環節改進：電機在起動及再整步過程中，按照“準角強勵磁整步”的原則設計。就物理概念而言，系指電機轉速進入臨界滑差（即原來所謂的“亞同步”），按照電機投勵瞬間在轉子回路中產生的磁場與定子繞組產生的磁場互相吸引力最大（即定子磁場的N極與投勵后轉子繞組產生的S極相吸，定子磁場的S極與投勵后轉子繞組產生的N極相吸）。在準角時投入強勵，使吸力進一步加大，這樣電機進入同步便輕松、快速、平滑、無沖擊。投勵時的滑差大小，可通過數字式功能開關設定；對電機滑差大小的檢測，是根據裝置回路內測取的轉子電壓波形，經采樣后取得Uf，通過變換整形，變成方波，再經過光電隔離，輸入電腦系統，最后準確投勵。
改造后電機起動及投勵過程的波形見圖7
為使電機運行中勵磁電壓不致過高、過低或失控，在控制電路中設有1K、2K、3K功能開關。其中1K用來設定勵磁電壓的上限，它既作為設定勵磁裝置輸出直流電壓的上限，又作為電機起動及再整步投強勵的設定值；2K用來設定電機正常運行時的勵磁電壓；3K用來設定勵磁電壓的下限。投勵時，首先按1K強勵設定值運行1秒鐘，然后自動移至正常勵磁所設定的位置上。選用的LZK-3型裝置面板上有薄膜面板開關，按動上升鍵或下降鍵，可以在1K及3K所設定范圍內調整勵磁電壓大小。
由于全部采用數字化開關及電腦控制，使裝置性能穩定。完全消除采用電位器控制時存在的諸多弊端。
3、失步保護裝置：其基本原理是利用同步電動機失步時，在其轉子回路產生不衰減交變電流分量的特征，通過測取轉子勵磁回路交變電流信號，并對其波形特征進行智能分析，快速、準確判斷電機是否失步。對于各類失步，不管其滑差大小，裝置均能準確動作。根據具體情況，動作于滅磁、再整步，或啟動后備保護環節動作于跳閘。而電機未失步，則不管其振蕩多大，裝置均不誤動作。
其中圖8（a）、（b）、（c）勵磁回路已出現不衰減的交變電流信號，電機已失步，失步保護環節應快速及時動作；圖8（d）是同步振蕩，電機未失步，失步保護環節應不誤動作。對某些舊電機或已受暗傷的電機，有時會出現轉子回路開路，此時勵磁回路電流突然下降至零，失步保護環節就應快速動作。本系統能根據勵磁回路電流波形準確快速地分析電機是否已失步。
失步保護所取信號，是從串接在勵磁回路中的分流器上測取不失真的毫伏信號。此信號經放大變換后輸入電腦系統，由電腦系統直接分析，并做出判斷輸出。
4、失步后帶載自動再整步：正常運轉中的同步電動機，經裝置檢測，判斷確認已失步后，立即動作于滅磁、異步驅動、帶載再整步。
LZK-3型綜合控制器中的滅磁環節，是采用斷勵續流滅磁，即電機失步后，立即停發觸發脈沖，勵磁控制繼電器LCJ吸合，斷開勵磁接觸器控制回路及勵磁主回路。待整流主橋路可控硅關斷后，LCJ釋放，電機進入異步驅動狀態。
電機一旦失步進入異步運行，必須改善電機的異步驅動特性。在電機處于異步運行狀態情況下，裝置自動使KQJ繼電器處于釋放狀態，通過KQJ的常閉接點，使KQ可控硅在很低電壓下便開通，以改善電機的異步驅動特性（圖9所示）。
同步電動機異步起動時轉子回路感應出很高的電壓，此電壓會直接危及電機轉子的繞組絕緣，因此勵磁裝置要及時地在主機起動過程中串接適當的滅磁電阻。
該勵磁裝置起動滅磁回路中晶閘管KQ導通電壓采用高、低通電壓分級整定，保證主機良好的異步驅動性能，如圖9所示。主機起動時，通過電阻R7、R8、穩壓管DW3分壓限幅將轉子兩端感應的高電壓轉換為低電壓信號Uf，再經RC（不在圖中）濾波、過零比較器處理、光電耦合器隔離后送至單片機系統。單片機檢測到該信號和合閘接觸器動作信號后，使繼電器KM1處于釋放狀態，KQ在很低電壓（約12V）下便導通，轉子回路的正向電流經KQ、滅磁電阻RF流過，反向電流經二極管ZQ、RF流過，保證了正反向電流的對稱性，使主機起動平穩。當主機起動結束進入同步后，微機自動讓繼電器KM1、KM3動作，KQ導通電壓轉入高通值（約250V）運行，KQ自動關斷。
為避免KQ因過電壓設定值太低或導通后由于整流電壓較高使整流電壓波形無過零點等原因關不斷，或因運行中由于某種原因誤導通，造成RF長時間通電發熱燒壞，在裝置內設有KQ誤導通檢測電路。若KQ未導通，在KQ與RF回路中，直流勵磁電壓全部降在KQ上，RF兩端無過電壓，處于冷態；一旦出現KQ導通后，直流勵磁全部降落在RF上，繼電器KM2線圈得電吸合，其動合觸點閉合，電腦系統接收到KQ誤導通信號后，先停發200ms脈沖，使整流電路轉入失控狀態，KQ在電流波形過零點自然關斷。若關不斷，電腦指令繼電器KM4（不在圖中）動作，通過觸點接通報警回路，電鈴響起，并在液晶面板上使用漢字顯示“KQ誤導通”，提請現場值班人員檢查處理。
經改造后，電機在起動過程，轉子電流If波形曲線趨向平滑，KQ兩端的電壓U1一直為零，無任何尖端和毛刺，說明滅磁晶閘管導通非常及時，起動回路特性很好。投勵后U1自動轉為正常勵磁電壓，KQ已自動關斷。
當供電系統出現“自動重合閘”、“備用電源自切”或“人工切換電源”時，將出現電能輸送渠道的短暫中斷。為防止電源恢復瞬間可能造成的“非同期沖擊”，由防沖擊檢測環節送給本裝置一對接點FCJ。電腦接收到FCJ接點信號后，將同樣動作于滅磁、異步驅動、帶載再整步。
5、后備保護環節：在同步電機或勵磁裝置出現再整步不成功、電機起動后或失步后長時間不投勵、電機在投勵后拉不進同步、起動時間過長或熔斷器、可控硅、二極管、整流變壓器損壞等故障，使電機無法正常運行時；為保證電機及勵磁裝置安全，裝置中特設了一個后備保護環節，動作于跳閘停機。后備保護動作跳閘后，控制面板上留有“后備保護動作”信號，也便于分析和記錄。
6、可控硅誤導通檢測：設計時采取了對KQ可控硅的開通電壓實行分級整定，即電機在起動過程及失步后的異步驅動暫態過程中，為改善電機的異步驅動特性，使KQ在很低電壓下便開通；而當電機進入同步后，KQ開通電壓設定值較高，主要是為了保護電機，保護可控硅、二極管，防止過電壓，因此，僅在出現過電壓情況下開通。
為避免KQ可控硅因過電壓設定值太低，或開通后關不斷，造成滅磁電阻RF長時間通電而過熱，裝置內設有KQ誤導通檢測裝置，若KQ未導通，在KQ與RF回路，直流勵磁電壓全部降落在KQ上，在滅磁電阻RF兩端無電壓，滅磁電阻RF處于冷態；一旦出現KQ導通后，直流電壓降落在滅磁電阻上，裝置內繼電器RFJ線圈得電吸合（見圖9），其接點信號輸入電腦系統，電腦接收到KQ導通信號（即RFJ接點信號）后，對于因過電壓引起的導通，電腦系統指令其過電壓消失后自動關斷。對因電壓設定值太低造成的KQ誤導通，或導通后關不斷，電腦指令控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點接通報警回路，并控制面板上“KQ誤導通”信號指示燈亮，發出聲光信號提請操作人員檢查處理。
7、失控檢測系統：由于外部因素，如觸發脈沖回路斷線或接觸不良，造成脈沖丟失，控制回路同步電源缺相或消失，主回路元件損壞（如熔斷器熔斷）造成主回路三相不平衡、缺相運行，但未造成電機失步（若失步，則由失步再整步回路或后備保護環節處理），裝置能及時檢測到，若10秒鐘后故障仍未消除，裝置就控制報警繼電器BXJ閉合，通過其接點，接通報警回路，并控制面板上的“失控”信號指示燈亮，發出聲光信號。
失控或缺相檢測，基本原理是利用電機進入同步后的正常運行情況下，對直流勵磁電壓波形特征進行分析，圖10是幾種典型的勵磁電壓波形，圖10（a）、（b）為正常運行，圖10（c）為缺相運行，圖10（d）為失控運行。
當控制器檢測到電機出現失步、勵磁裝置出現KQ可控硅誤導通、失控或由控制器后備保護環節動作于電機跳閘時，控制器面板上分別備有各自的指示燈。按復歸按鈕，指示燈復位。其中KQ可控硅誤導通、失控，除有燈光信號外，電腦還控制報警繼電器吸合，由BXJ接點接通音響報警回路。按復位按鈕，報警繼電器BXJ復位。
五、技術改造后的效果
1.同步電動機勵磁裝置改造后，在異步驅動過程中平滑、快速，完全消除了采用老式勵磁屏在電機異步暫態過程中所存在的脈振，滿足了帶載起動及再整步的要求；其投勵按照“準角強勵整步”的原則設計，具有強勵磁整步的功能，電機拉入同步的過程平滑、快速、可靠，大大減小了對電機的沖擊，也確保了同步電機的安全可靠運行；其先進完善可靠的帶勵失步、失勵失步保護系統，也保證了同步電動機在發生帶勵失步和失勵失步時，快速動作，保護電機，使電機免受損傷。這一技術改造措施，使我公司6KV高壓同步電動機及勵磁屏故障率、維修量顯著降低，經過3年運行考驗，受到基層維護人員的一致好評和充分肯定。
2.由于采用了先進的電腦控制技術，所有控制過程均自動處理，面板采用新型薄膜按鍵，具有完整、直觀的信號顯示系統，當電機出現失步，再整步后備保護跳閘、勵磁出現失控、裝置是否運行正常等均有信號指示；核心部件同步電動機綜合控制器也能指示自身是否發生故障，且具有不停機不減載，不損傷電機的情況下從容在線更換的功能，使整個操作更方便，性能也更穩定可靠，有利于運行操作人員的使用和監控。
3.由于交流電網上的主要負荷是異步電機和配電變壓器等感性負載，它們都需要從電網吸收無功功率。根據同步電機的性質（容性負載），如使其工作在過勵狀態，將滯后的無功功率發送給電網，可改善系統電網的功率因數。選用的LZK3型勵磁裝置設置了閉環恒功率因數調節，通過功率因數變送器，將主機運行時的功率因數轉換為標準電信號，經過輸入/輸出板處理后給電腦系統采樣參數與設定數值進行比較后，使用軟件實現PID調節，這樣不管電機負載如何變化，勵磁裝置都能自動跟蹤調節，保持恒功率因數運行，減少電機的定、轉子、整流變壓器的損耗，與老式勵磁裝置相比真正意義上實現了同步電動機的最佳經濟運行。
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