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(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

增安型无刷励磁同步电动机广泛应用于石油、化工、化肥、煤炭等行业，用于拖动往复式压缩机。往复式压缩机负载的力矩特性较为特殊，其负载转矩大小随曲轴角度变化并呈周期性波动。这种周期性波动的负载使同步电动机转子发生微观振荡[1]，所以转子上的零部件容易发生疲劳损伤，发生转子励磁电缆接头断裂、磁极引线断裂等事故。事故发生后励磁回路被断开，转子励磁电流为零。无刷励磁同步电动机采用同轴旋转的励磁发电机经整流后提供给转子励磁，励磁柜供电、励磁发电机发电、三相桥式整流电路整流等环节上，也可能存在故障的问题，从而导致转子失去励磁。

在以上事故发生后，转子瞬间失去励磁，这种突发情况打破了电机的稳态运行，会因转子突然开路而产生更大的问题和事故。本文对同步电动机转子突然开路的状态进行分析，对可能产生的连续事故和影响进行分析。

1 失磁状态的有限元建模

以一台1000kW-18极无刷励磁同步电动机为例，采用有限元软件进行建模，电机型号为TAW 1000-18/2150，电机功率为1000kW，极数为18，转速为333r/min，电压为10kV，功率因数为0.9(超前)，效率为0.94%。电机模型如图1所示。

图1 同步电动机模型

在瞬态场分析中，将模型简化为整个电机的1/18的单元电机模型，并进行网格划分，如图2所示。

图2 单元电机模型网格划分

在激励源中，将定子三相绕组设置为三相交流电压源，将励磁绕组设置为电流源，使用if语句将励磁绕组电流值设置为关于时间的函数，current=if(time≥3，0A，128A)，即当时间在3s以内，励磁电流为128A，当时间达到3s开始，励磁电流为0A。

此模型是模拟同步电动机运行过程中转子励磁回路突然开路的状态，此后励磁电流为零，同步电动机失磁运行。这种模型状态用于模拟同步电动机转子引线断裂事故、磁极引线断裂事故、励磁模块故障等事故状态。

2 失磁状态的分析

同步电动机在额定负载工况下稳定运行，当时间为3s的时刻，转子绕组突然开路，此后同步电动机进入失磁状态，电机的定子电流大幅波动，定子电流的峰值为额定电流的2.6倍左右，如图3所示。

图3 定子电流-时间曲线

电机的转矩-时间曲线如图4所示，可以看出，在3s以前，电机的电磁转矩相对平稳，当转子绕组突然开路后，电磁转矩大幅波动，转矩数值忽大忽小，电机运行不平稳，此时电机在旋转方向上将出现抖动现象。

图4 转矩-时间曲线

电机的转速-时间曲线如图5所示，在转子绕组开路后，转速下降并伴随着转速波动，此时电机运行状态为失步状态。电机转速的波动会引起电机的振动，可以通过现场振动监测来判断此时电机发生了故障。

图5 转速-时间曲线

根据励磁绕组电压-时间曲线，可以分析同步电动机失磁运行时励磁绕组的开路电压，此时转子励磁绕组开路电压的峰值为1.2kV左右，如图6所示，开路电压较大，容易引起绝缘损伤、放电和火花。

图6 励磁绕组电压-时间曲线

电机的阻尼环电流-时间曲线如图7所示，可以看出电机失磁运行后，阻尼环电流大幅度波动，并且电流值较大，电流峰值达到5000A左右。电机失步运行，阻尼绕组切割定子旋转磁场产生异步转矩，这种状态下阻尼条和阻尼环中电流较大，持续发热，如果失步运行的时间较长，容易发生阻尼绕组烧坏、烧熔的情况。

图7 阻尼环电流-时间曲线

3 同步电动机失磁的影响

在运行过程中的同步电动机，由于转子励磁回路某处断路或接触不良、励磁绕组匝间短路、励磁机或晶闸管励磁系统发生故障等原因，造成转子失去直流励磁电流，使转子磁场消失，这种状态即为失磁状态[2]。

图8为励磁绕组开路后，磁极绝缘托板损坏的事故。图9为电机较长时间失步运行后阻尼条损坏的事故。

图8 转子磁极绝缘损坏

图9 阻尼条损坏

同步电动机正常运行时，电磁转矩与轴上的负载转矩相平衡。失磁时，转子绕组开路，产生较大的感应电压，由于转子磁场突然衰减，电磁转矩也突然降低，此时电机失步运行，转子与定子旋转磁场有了相对运动，阻尼绕组切割定子旋转磁场，产生电流和异步电磁转矩[3]。

同步电动机失步后，阻尼绕组有很大的电流流过，引起阻尼绕组发热，容易导致阻尼条断裂和开焊的现象。此时励磁绕组的开路电压较大，容易发生匝间短路、匝间绝缘损坏、转子绕组接地等间接故障。

4 结语

本文对同步电动机的失磁状态进行分析和研究，在失磁状态下，励磁绕组的开路电压较大，具有再次发生间接事故的风险，并且如果不尽快采取措施，长时间在失磁状态下运行，会导致电机阻尼条损坏，所以同步电动机的失磁状态必须加以重视和监测。通过仿真分析，在突然失磁状态下，电机的定子电流波动较大，电流峰值增加，电机转速下降并失步运行，因此可以通过对电机定子电流、转速和振动的监测来判断失磁状态的发生，并尽快停机，减少损失。