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矿用三相异步电机常见故障分析及维修

发表时间：2020/1/9 来源：《电力设备》2019年第19期作者：魏礼鹏

[导读] 摘要：由于构造简单、运行和拖动性能可靠，三相异步电机被广泛应用于矿业生产中，但因其负载多变和工作环境恶劣，致其故障频发，从而引起停机、停产等事故，造成巨大的经济损失。

        （天地（常州）自动化股份有限公司江苏省常州市 213015）
        摘要：由于构造简单、运行和拖动性能可靠，三相异步电机被广泛应用于矿业生产中，但因其负载多变和工作环境恶劣，致其故障频发，从而引起停机、停产等事故，造成巨大的经济损失。目前，电机常见故障分为机械故障(轴承故障、转子不对中、转轴弯曲等)和电气故障(定子、转子绕组短路故障等)，其中由于绝缘材料受到环境和机械应力影响而老化引起的定子绕组匝间短路故障高达38%；由于电机制造、安装、过载运行、污染和不正确的润滑等因素导致的轴承故障约为30%。鉴于此，本文主要分析矿用三相异步电机常见故障分析及维修。
        关键词：矿用三相异步电机；故障；维修
        1、概述
        根据电动机结构及工作原理的不同可以讲电动机分为直流电动机、异步电动机和同步电动机三种，目前矿山中采用较多的电动机为三相异步电动机，三相异步电动机是依靠同时接入3300v三相电压供电的一种电动机，三相异步电动机由固定部分和转动部分组成，也就是定子和转子组成，由于三相异步电动机的定子与转子以相同磁场不同转速旋转，存在一定的差距，因此称为三相异步电动机，当电动机的三相定子通过三相对称电流将产生旋转磁场，当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生电流感应，感应电流和磁场联合作用向电机转子施加动力。
        据此，国内外学者对电机软启动技术进行了大量研究，并提出很多比较实用有效的方法。主要包括：磁控降压软启动、液阻式降压软启动、自耦变压器降压软启动、晶闸管软启动和变频器软启动等。其中晶闸管软启动具有结构简单、价格便宜、控制灵活及应用十分广泛等优点，被认为是较好的电机软启动方法。传统的晶闸管软启动器在启动过程中存在电流和转矩振荡，在轻载时尤为明显，严重时会引起转速振荡，因此，很多学者着力研究如何改进晶闸管软启动器。
        2、矿用三相异步电机常见故障分析
        2.1、电机轴承损坏
        该电机出现故障后，经维修人员对电机进行抽芯检查后，还原其故障发展过程。首先，大型轧钢同步电机阻尼条出铁芯的端部位置出现断裂，阻尼条两端大约在1/5处出现了铁芯放电现象，且铁芯局部温度过热，并产生电蚀情况。其次，用于固定阻尼条的铁芯槽口因受到电蚀作用与摩擦作用而变大，一旦槽口大到无法固定尼条时，就会产生较大的离心作用力，阻尼条就会从槽口脱出。在转动过程中，甩出的阻尼条会与定子线圈的绝缘层进行不断的摩擦，摩擦严重时会破坏定子线圈绝缘层，并产生放电，从而就会出现阻尼条故障。
        金属材料出现疲劳，轧机在具体运行期间，经过多次重复的升降速与咬刚冲击等负荷变化会促使电机阻尼条出现较强的感应电流。同时阻尼条受点动力、热应力以及机械应力的影响，在铁心振荡过程中会出现松动的情况，最终导致阻尼条疲劳断裂。而材料疲劳不是一瞬间的，而是逐渐累积的。
        2.2、电动机不能起动
        电源未接通或电源指示灯不亮。定子绕组断路。转子绕组断路。定子绕组相间短路。定子绕组匝间短路。定子绕组接地。定子绕组接线错误。熔丝烧断。热继电器整定值调的太小。控制设备接线错误。负载过大或传动装置被卡住。
        2.3、电动机带负载运行时，转速低于额定值
        电源电压过低鼠笼式转子断条。负载过大。缺相运行。三角形接法的电动机错接成Y。
        3、维修措施
        3.1、三相异步电机复合故障维修对策
        电流量作为状态变量，电压方程和磁链方程化成标准的状态方程形式。

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为得到这种形式，要对磁链方程中的电感矩阵求逆，但当电机正常状态运行时 μ =0，该电感矩阵是非奇异阵。而用 μif作状态变量代替短路电流 if，如此电感矩阵在任何短路系数下均为奇异阵，形成通用的电机正常状态与定子绕组匝间短路故障状态方程。
        定子电流频谱图表现的是电机故障对电流的影响，为直观地显示故障相位调制过程，故采用包络分析再次分解信号。复合故障包络谱比正常电机信号包络谱和存在单一定子匝间故障或单一轴承外圈故障的电机信号包络谱具有更多样的特征频率，波形图波动成分更多，不仅有68Hz、146Hz 等轴承外圈故障振动频率附近成分，还出现 98Hz 对应定子匝间短路故障振动频率附近频率。从以上包络谱中，进一步分析可清晰得到故障振动成分对应的缺陷频率，明确复合故障与单一故障在振动检测诊断上的区别，为振动检测和故障引起的相位调制提供了有效的验证。
        3.2、振荡维修对策
        功率因数角的定义是电压相量和电流相量初相角的差值，晶闸管的续流角为负载相电压超前所对应的负载电流的相位角，这2个变量反应了相同的电压、电流变化过程，因此在实际应用中可以把晶闸管续流角和功率因数角等效。
        在电机启动过程中，电流的振荡得到了充分的抑制。通过日光灯法来观测异步电机的转速，可以看到在传统软启动控制系统启动时，电机的转速在启动初期和同步转速附近确实发生了振荡，而且在同步转速附近的振荡较为明显，电机转速围绕着同步转速上下来回振荡。在关断角闭环控制系统启动时，电机的转速在启动初始未发生明显振荡，在超过同步转速后，很快退回到同步转速附近，也未发生同步转速附近上下振荡的情况。针对三相异步电机在传统软启动过程中发生的电流、转矩和转速振荡问题，从触发角、转动惯量和负载对电动机启动过程中的影响进行不同探究，发现电动机软启动时不同时期的振荡均是由于续流角的变化引起的。在启动初期由于转速的提高，续流角减小而引起振荡；在同步转速附近由于转速超过同步转速，续流角发生突变而引起振荡。基于此，提出了一种基于关断角闭环控制的软启动方式，并进行了仿真和实验验证，结果表明：该方法不仅可以抑制启动初期电流、转矩和转速的振荡，还可以有效抑制同步转速附近电流、转矩和转速的振荡。
        3.3、应急处理方法
        首先，维修人员要将完全断裂的10根阻尼条全部替换掉，端部阻尼条要替换成含银量为45%的BAg45CuZn银焊条实施钎焊。在焊接期间，要实施连贯焊接，并在其周围铺设相应的隔热棉，以此来避免周边绝缘被破坏。其次，针对开口大于5mm的铁芯，要应用CHS302不锈钢焊条实施焊接加固；针对开口大于10mm的铁芯，要应用不锈钢片调整弧度，并对其实施搭接焊接，焊接操作要采用小电流间隔焊接，以此来保护周边绝缘，再应用环氧树脂对缝隙进行填充。最后，要将所有阻尼条定位套进行拆除，并对没有断裂痕迹的阻尼条的端部实施进一步的焊接加固。同时利用云母带来对定子绝缘破损位置的底层进行包扎，外部要用涂刷了环氧树脂的绝缘带进行包扎。剩余其他没有发生断裂的阻尼条，工作人员要利用气泵锤对铁芯开口处进行击打，通过微量变形来达到其胀紧的作用。另外，要对每一个可见螺栓进行紧固，并对楔形块下绝缘垫板进行更换，对修复好的电机转子要实施静平衡校核，彻底清洗定转子，并在组装操作前喷漆并烘干。
        参考文献：
        [1]郭瑞锋.矿用三相异步电动机的改造[J].机械管理开发,2019,34(06):156-157+196.
        [2]田培祥.矿用三相异步电机常见故障分析及维修[J].世界有色金属,2018(02):50+52.
        [3]张景杰.矿用三相异步电动机故障仿真分析[J].电气工程学报,2017,12(07):40-46.
        [4]陶春鸣,马延敏.异步电机损耗的模糊预补偿粒子群优化[J].煤矿机械,2014,35(07):72-75.
        作者简介：魏礼鹏（1987--），男，汉族，江苏徐州人，工程师，硕士，主要从事煤矿供配电设备的嵌入式控制系统的研发工作。