5 000 kW交交变频同步电动机阻尼条断裂的故障分析及治理

安 铎

（天津天钢集团中板厂，天津 300180)

5 000 kW交交变频同步电动机阻尼条断裂的故障分析及治理

安 铎

（天津天钢集团中板厂，天津 300180)

根据交交变频同步电动机阻尼绕组损坏的故障现象，根据阻尼绕组工作特性，分析了故障产生的主要原因，提出对阻尼端环结构、阻尼条装配形式等改进措施，实施后消除了原电动机存在的缺陷和隐患，并对轧钢用凸极交交变频同步电动机的设计方案改进和完善具有较高的参考价值。

电动机 阻尼绕组 阻尼条 端环

1 引言

交交变频同步电动机是一种集交、直流电动机优点于一体的调速电机。1981年，西门子公司成功研制了世界上第一台4 220 kW交交变频同步电动机。随着电子工业的高速发展,变频器技术及传动控制装置不断完善和提高,采用交交变频电动机的调速系统，如在大功率、低转速需要调速的轧钢机主传动电动机上,已得到广泛应用。我国从20世纪80年代后期陆续从国外引进交交变频同步电动机,研制起步时间是在90年代初期。上海电动机厂于1994年4月成功研制了2台5 000 kW交交变频同步电动机。该电动机用于天津中板厂三辊改造工程，是我国当时自行研制的同类电动机中功率、体积最大、技术要求最高的电动机，其中一台用于四辊可逆粗轧机，1994年11月投产使用，另一台是为改造四辊精轧机直流电动机而准备，因受资金影响一直闲置。

电动机运行期间，发生过磁极线圈匝间短路、端环Ω软连接损坏、磁极线圈鸽尾键焊点开焊、键板窜动等故障。2006年根据电动机使用和电气检测情况，在加热炉油改气技术改造期间，用另一台闲置电动机进行了替换，第二台电动机运行中发生过定子铁芯松动及鸽尾键焊点开焊故障，进行了及时处理。至2010年10月份生产运行期间，发现转子阻尼绕组有茨火现象，茨火部位为磁极铁芯槽口，运行中观察，空载、载荷不超过额定电流1.5倍时，不会发生茨火现象。在对电动机进行解体检修中发现，阻尼条与铁芯槽孔之间有间隙、阻尼条断裂、端环变形、阻尼条与端环焊接处开焊、绕组之间大部分支撑块松动。对损坏比较严重的一组励磁绕组进行了更换，其余有问题的阻尼条及端环采用氩弧焊进行补焊处理，运行半个月后，再次发现阻尼绕组有茨火现象，阻尼条断裂和端环开焊，处理后采取限制轧制压下量、加强开轧温度监控，降低电动机负荷等保护措施，维持现实生产。主传动电动机是我厂的关键设备，其是否完好直接影响产品产量、质量及规格，因此必须找出故障的真实原因，制定针对性的改进方案，才能消除这一关键设备的重大隐患。

2 设备现状及存在问题

2.1 电动机主要参数

型号：TDZBS5000- 12;功率：5 000 kW;电压：1 650 V;电流：1 834 A;励磁电压：181 V;励磁电流：437 A;功率因数 cosφ：≈ 1;频率：6/12 Hz;转速：60/120 r/min;转子形式：凸极;极数：12 极;绝缘等级：F/F。

2.2 故障现象

对电动机出现的故障情况进行观察和分析，两次故障共计更换一个磁极线圈、处理4个阻尼绕组，故障现象有如下特点：（1)发生阻尼条断裂以中间部位为主，边部为辅;（2)阻尼条断裂部位靠近端环，阻尼条与端环有开焊现象，端环变形比较严重;（3)阻尼条与铁芯槽孔存在间隙，单边间隙在0.1～0. 3;（4)Ω连接片处有甩锡现象。对另一台电动机进行详细检查，也存在如上问题。

3 故障原因分析

3.1 变频同步电动机阻尼绕组作用

作为轧钢机调速用的交交变频同步电动机，需要承受大幅度变化的冲击载荷以及频繁的正反转。阻尼绕组的作用与普通同步电动机不同，它已不是从考虑启动问题出发，应从改善系统动态品质为出发点，主要作用是电动机在咬钢或抛钢时，突变的负载和速度，转矩和定子电流的变化造成功率角变化振荡，在阻尼绕组中产生感应电流，使转子产生一驱动或阻碍性质的电磁转矩，以使转速趋于同步速度，使电动机快速进入稳定运行状态。

为保证调速系统的动态性能,轧钢机用同步电动机必须装设阻尼绕组,阻尼绕组设计时,从增强系统稳定性,减小功率角振荡的原则出发,选择阻尼绕组的最佳结构与参数[1]。阻尼绕组结构分为全阻尼、半阻尼（仅有d轴)，大量试验资料显示，设置全阻尼绕组其冲击电流范围、功角振荡范围要明显小于半阻尼结构，但q轴回路的电流较大，电动机损耗高，阻尼绕组温升较高[2]。因此，阻尼绕组的设计要求在机械上有抗冲击和抗热变应力的能力。

3.2 原因分析

该电动机用于中板开坯轧机的主传动，由于板坯规格单重小，轧制速度快，电动机始终处于正反转的快速变换中，电动机负荷随着轧机的低速咬入-加速至匀速轧制-抛钢频繁变化，特别是前6道轧制，轧制时间在2～3 s以内，轧制长度不超过3 m。该电动机频繁地承受负载突变及速度变化，功率角处于频繁的振荡之中，阻尼绕组产生较大的感应电流，在转子上产生与振荡方向相反的阻尼转矩，以使转速趋于同步速度，因此阻尼绕组工作周期处于高频的变化中。根据故障现象特性，结合电动机实际使用现状及电动机研制的资料，造成阻尼绕组频繁损坏的主要原因包括：

（1)该电动机设置为全阻尼绕组结构，阻尼条为5根，直径Φ18 mm，节距48 mm。根据阻尼绕组工作特点，全阻尼与半阻尼相比较,全阻尼结构各阻尼条的电流分布比较均匀，中间位置的阻尼条冲击电流最大;而半阻尼结构各阻尼条的电流分布不均匀，最大冲击电流的阻尼条在两侧;全阻尼结构，q轴回路的电流很大,其冲击电流的范围比最大电流的阻尼条约大1倍,因此端环及连接片的设计非常重要,端环及连接片应有足够的截面,连接处应接触良好、牢固可靠[3]。从阻尼绕组端环变形比较严重、Ω连接片发生过热甩锡可以判断该电动机对端环及连接片的结构设计和过流面积存在缺陷，在频繁的大电流冲击下，过大的热应力使端环变形、阻尼条与端环焊点开焊、Ω连接片过热甩锡甚至损坏。

（2)每个磁极线圈铁芯是由1 067件磁极冲片叠压组成，阻尼条长度1 870 mm，磁极冲片槽孔需要预留一定的间隙便于阻尼条装配，阻尼绕组工作时，组尼条内感应电流大幅度变化使得导体热胀冷缩，导致导体与铁芯槽孔间隙加大，当阻尼绕组工作通过大电流时，电磁力作用产生电磁振动，长期反复的电磁振动造成阻尼条疲劳断裂，过大的间隙，阻尼条也会产生轴向窜动。全阻尼结构中间组尼条的冲击电流最大，断条也以中间部位为主。

（3)该电动机磁极线圈在磁轭上固定采用单侧斜键撑紧的鸽尾结构，斜键打紧后焊接固定，曾发生过焊点开焊、键板窜动的问题，这次检查发现大部分磁极之间支撑块松动，在更换磁极线圈中发现斜键接触面积不到70%，这是因为斜键表面加工精度和光洁度不是很高及材质强度选用过高，影响磁极线圈可靠固定，在轧制过程中，高频的正反转和受过载冲击转矩，斜键焊点开焊、键板窜动。造成电动机负荷增加、产生振动，对磁极线圈端环、组尼条、软连接受力产生很大影响，这也是造成阻尼绕组损坏的原因之一。

4 改进措施及效果

在对故障原因进行了详细分析后，对电动机阻尼绕组的端环结构、Ω连接片、阻尼条与铁芯槽孔间隙、磁极线圈固定提出了改进措施，同时电动机出厂已经十多年，需要进行大修理改善电动机整体性能。

（1)更换全部阻尼端环，对端环结构进行改进，增加断面面积，由15×50板状改为46×30柱状，提高端环承受大电流冲击产生的热变形能力;与阻尼条焊接由端面焊接改进为端面焊接加上端环开槽通焊，加强了连接强度;Ω连接片由铜丝编织带改为多层厚铜带，增加断面面积，提高过电流能力及本体强度;Ω连接片与端环连接由水平方式改为垂直方式，改善连接片的受力状况。

（2)更换阻尼绕组全部阻尼条，配装的阻尼条控制直径精度和直线度，装配后分段冲压固定涨紧，消除间隙，防止轴向窜动。

（3)更换磁极线圈的鸽尾斜键，重新制作斜键，材质改为Q235A，两个接触面进行磨削加工，保证精度和表面光洁度，提高装配的接触面积，斜键装配后的端面固定方式改为压板结构，装配后用0.05 mm塞尺检查。

（4)磁极线圈匝间及极身的绝缘材料清除，检查线圈是否完好，更换所有绝缘材料，隔匝半叠包5440粉云母带，散热匝不通包绝缘，首尾各三匝加垫0.16环氧坯布，首尾三扎转角加垫0.25 mm复合箔6540，线圈整形，绝缘测试;极身包绝缘前刷涂环氧酯绝缘漆，内侧用0.25粉云母板包两层，中间用0.12环氧粉云母箔包三层，外侧用0.25粉云母板包两层，装配磁极线圈需要放置绝缘衬垫，线圈绝缘电阻、直流电阻检测。通过磁极线圈绝缘处理，使匝间绝缘较前有较大提高。

（5)定子绕组检查绝缘、直流电阻，绕组清理、烘焙及绝缘处理，线圈端部及引线检查并处理，定子铁芯与支持筋采用气体保护焊分段焊接，治理铁芯松动。

根据改进措施和修理方案，2011年初我厂安排对替下的电动机进行了改进性维修。2011年9月，利用大修时间进行了更换，投入运行后，通过对轧制中的工作电流、线圈温度的检测，相比更换前有了明显的下降，运行稳定，证明改进措施针对性强、效果良好。

5 结束语

根据交交变频同步电动机阻尼条断裂故障原因分析，制定了针对性的改进措施，消除了原电动机存在的缺陷和隐患。同时也反映出在研制交交变频同步电动机的初期，在设计和制作电动机方面缺乏一定的经验，轧钢生产中频繁的载荷速度变化及长期过载对电动机的影响估计不足，这些改进措施对同类电动机的设计方案和制造工艺的完善具有重要的参考价值。

[1]李杰，李朗如，赖徳殷，等.交变频大功率同步电动机阻尼绕组设计的分析研究[J].大电动机技术，1994（6)：19-26.

[2]李明宇，孙玉田，戈宝军．交交变频同步电动机阻尼绕组损耗的分析与计算[J].大电动机技术，2003（5)：16-19.

[3]赖徳殷.5 000 kW交交变频同步电动机的研制[J].上海电动机厂科技情报，1995（3)：7-11.

Failure Analysis and Handling of 5 000 kW Cycloconverter-fed Synchronous Motor Damper Bar Breakage

An Duo
(Plate Rolling Mill,TISG,Tianjin 300180,China)

Investigating the damage ofcycloconverter-fed synchronous motor damper winding,following the working characteristics of damper winding,the author analyzes the main reasons for the failure and puts forward improvement measures for damper end ring structure and damper bar assembly method,which after being taken eliminated the defect and hidden trouble in motor.The paper provides reference for the design plan improvement of salient pole cycloconverter-fed synchronous motor in rolling mill.

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安铎（1959—)，男，天津人，高级工程师，主要从事轧钢设备的运行管理工作，E-mail：Anduo2006@163.com。

（收稿 2012-02-23 编辑 潘娜)