同步电动机和感应电动机一样是一种常用的交流电动机,但同步电动机转速恒定并具有补偿功率因素,能向电网发送无功功率,可以有效的改善电网质量,在我国各行各业得到了广泛的应用。但相较于异步电动机,同步电动机的故障率更高,尤其是转子回路中的可控励磁装置在使用一段时间后电子元件老化会使性能降低,极容易发生各类故障,影响生产和设备的安全稳定。我们就九曲河枢纽管理处所使用的电动机是额定电压6000V,功率1000千瓦,150转每分钟,在实际运行中也经常发生故障。下面,本文结合多年来的使用经验,针对高压同步电动机常见故障,就其故障原因和解决措施进行简要的分析。
　　高压同步电动机以其功率因数高、运行转速稳定、低转速设计简单等优点在高压大功率电气驱动领域有着大量的应用，如大功率风机、水泵、油泵等。对于大功率低速负载，如磨机、往复式压缩机等，使用多极同步电动机不仅可以提高系统功率因数，更可以省去变速机构，如齿轮变速箱，降低系统故障率，简化系统维护。
　　由于同步电机物理过程复杂、控制难度高，以往的高压同步电机调速系统必须安装速度/位置传感器，增加了故障率，系统的可靠性较低。
　　单元串联多电平型变频器由于具有成本低，网侧功率因数高，网侧电流谐波小，输出电压波形正弦、基本无畸变，可靠性高等特点，在高压大容量异步电机变频调速领域取得了非常广泛的应用。将单元串联多电平型变频器应用于同步电动机将有效地提高同步电机变频调速系统的可靠性，降低同步电机变频改造的成本，提高节能改造带来的效益，同时也为单元串联多电平型变频器打开一个广阔的新市场。国电四维技术人员经过大量的理论分析、计算机仿真和物理系统实验，解决了变频器驱动同步电动机的诸多关键问题，已于2012年底成功地将单元串联多电平型高压变频器应用于唐山德龙钢铁有限公司的4200kW/10kV同步电动机上。以下将简要介绍实际应用中的主要技术问题。
　　2.同步电动机的工频起动投励过程
　　为了更好的说明同步电机的运行特点，先对同步电机的工频起动投励过程进行简要的介绍。
　　在电网电压直接驱动同步电机工频运行时，同步电动机的起动投励是一个比较复杂的过程。当同步电机电枢绕组高压合闸时，通过高压断路器的辅助触点告知同步电机的励磁装置准备投励。此时，励磁装置自动在同步电机的励磁绕组上接入一个灭磁电阻，以防止励磁绕组上感应出高压，同时在起动时提供一部分起动转矩。同步电机电枢绕组上电后，在起动绕组和连有灭磁电阻的励磁绕组的共同作用下，电机开始加速。当速度到达95%的同步转速时，励磁装置根据励磁绕组上的感应电压选择合适的时机投入励磁，电机被牵入同步速运行。如果同步电机的凸极效应较强、起动负载较低，则在励磁装置找到合适的投励时机之前，同步电机已经进入同步运行状态。在这种情况下，励磁装置将按照延时投励的准则进行投励，即高压合闸后15秒强行投励。
　　3.变频器驱动同步电动机时的起动过程
　　用变频器驱动同步电机运行时，使用与上述方式不同的起动方式：带励起动。
　　在变频器向同步电机定子输出电压之前，即启动前，先由励磁装置向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流，然后变频器再向同步电机的电枢绕组输出适当的电压，起动电机。
　　同步电机与普通异步电机运行上主要的区别是同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步。
　　变频器驱动同步电动机的起动过程主要分为以下几个步骤：
　　第一步，励磁装置投励。励磁系统向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流，在同步电机转子上建立一定的磁场。
　　第二步，变频器旋转其施加在电枢绕组上的电压矢量。随着同步电机转子的转动和定子磁场的旋转，转子磁极将在某一时刻掠过定子的异性磁极，或者转子磁极加速追上旋转的定子磁极。
　　第三步，变频器按照预先设定的加速度和V/F曲线，调节输出电压，逐渐加速到给定频率。此时，同步电机的转子角逐渐拉大到某一常值，然后电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。
　　4.变频器驱动同步电动机的稳态运行与运行时的励磁调节
　　由于变频器驱动同步电机时使用无需安装速度/位置传感器的控制方法，而变频器输出波形为多电平PWM波形，与控制异步电机时的波形相同，因此在运行过程中，变频器可以完全等效于一个正弦电压源，无转矩脉动，具有较高的可靠性。
　　由于同步电机的无功电流仅在电机和变频器间流动，不进入电网，因而无须对电机的励磁电流进行精确的控制。一般可在电机运行的典型工况下，手动调节其励磁电流，使变频器的输出电流最小，输出功率因数近似为1，然后调速运行过程中维持该电流不变即可。对于需要在运行时实时调整励磁电流的工况，变频器可以实测其输出给同步电机的无功功率，向励磁装置下达励磁给定信号，调整励磁电流。
　　5.同步电动机的故障灭磁
　　在遇到故障时，如果仅停止向其电枢绕组供电，而维持其励磁电流，则旋转中的同步电机将持续地向其定子侧发出三相交流电压，危害设备安全，并可能造成事故的扩大。因此在遇到严重故障需要停机时，变频器必须通知励磁装置进行灭磁。
　　6.唐山德龙钢铁公司的现场应用情况简介
　　此次进行变频改造的是唐山德龙钢铁公司烧结车间的主抽风机，驱动风机的是一台4200kW/10kV同步电动机，其相关参数如下：

　　变频器选用国电四维同步电机变频调速系统，旁路方案选用一拖一手动旁路柜，如下图所示。

　　工频运行时，QS1、QS2断开，QS3闭合，同步电机的起动、运行、停车过程按照原有逻辑进行。
　　变频运行时，QS3断开，QS1、QS2闭合，变频器上电时，断路器QF闭合，经过约20秒延时后，励磁装置向同步电机投入励磁电流，然后从现场向变频器下达“启动”命令，变频器按照预设的逻辑向同步电机输出电压，同步电机起动。
　　变频停机时，从现场向变频器下达“停机”命令，变频器停止输出电压，分断断路器QF，由其辅助触点通知励磁装置灭磁，灭磁完成后关闭励磁装置电源。
　　遇到故障时，变频器在停止电压输出的同时，立即分断断路器QF，由其辅助触点通知励磁装置立即灭磁。
　　7.小结
　　单元串联多电平型变频器在同步电动机上应用的成功实现，扩展了高压变频器产业的应用领域，也扩大了国家能源节约政策的实现途径，为我国建设节约型社会提供了更多的技术保障。
(责任编辑：陈红霞)
    1、 故障现象
    正昊化纤材料有限公司空压站共有8台空压机，承担着整个生产装置供气的任务，确保空压机的长、满、安、稳、优运行十分重要。
    2001年6月7日，操作人员发现高压配电室内有焦糊味，4#空压机定子电流励磁电流波动大，按停车按钮和现场紧急停车按钮均无法使空压机停运，断路器拒分，跳闸线圈烧毁。立即用断路器机械紧急跳闸装置停车，使断路器断开。
    2、 故障分析
    空压机采用KGLFⅡ型晶闸管励磁装置，为6Kv高压同步机提供直流励磁。高压断路器采用SN10-10型号少油断路器。引起断路器跳闸的原因一般是：（1）电源低电压保护；（2）过流速断保护；（3）空压 机故障；（4）励磁柜故障。
    SN10-10型断路器采用CD10型电磁操作机构。正常情况下，分闸回路是靠与机构联动的辅助开关切断的，若遇以下情况可能造成分闸线圈烧毁：（1）机构卡涩。（2）机构调整不当。（3）辅助开关调整不当。
    从现场情况来看，跳闸线圈的绝缘将铁芯粘住，接通跳闸线路后，跳闸铁芯无法向上冲击连杆机构，四连杆机构无法动作，使分闸线圈长期带电，造成分闸线圈烧毁。
    什么原因引起断路器跳闸呢？分析认为低电压信号与其他几台高压同步机引自同一高压PT柜，而其他几台高压同步机运行正常，不可能引起此故障；排温、水压、油压从现场观测看指标均正常；通过对高压同步机及高压电缆的摇测看，均合格且过流保护继电器也没有动作、掉牌报警，因此引起高压断路器跳闸的原因只有励磁柜故障了。
该励磁装置的脉冲信号是通过移相位信号与电压负反馈信号综合后，形成移相控制电压加到脉冲产生环节，控制输出直流电压的高低。用示波器观察输出电压波形，脉冲产生电路和整流晶闸管工作正常。接着检查移相给定电路。
    用万用表测量移相环节输出，发现输出电压时高时低，检查给定电压部分一切正常。用万用表测量电压负反馈输出端电压忽大忽小，可能是电位器接触不良。经查电位器引出焊片和电阻体铆接处有松动，致使输出端时高时低不稳定。
    认真检查励磁装置回路，发现一快速熔断器熔断，同步机碳刷粉末堆积很多，有放电痕迹。原来是励磁装置移相环节中电压负反馈信号不稳定，造成励磁电压突然升高，致使碳刷粉堆积过多的集电环对地断路，引起快速熔断器熔断，微动开关动作，高压断路器跳闸。由于跳闸铁芯卡涩无法断开熔断器辅助触点，而将熔断器线圈烧毁，最终导致高压熔断器拒分，空压机无法停车。
    3、 故障处理
  （1） 重新绕制跳闸线圈并浸漆烘干，清扫铁芯干净，装配好跳闸线圈。
  （2） 检查轴销有无锈蚀，转动是否灵活，加注润滑油。
  （3） 检查定位止钉的锁母有无松动，将止钉位置调到110%额定合闸电压能合上，而65%额定分闸电压能顺利分闸试验，并对松动锁母进行坚固处理。
  （4） 调整辅助开关与水平线成45°角。
  （5） 重新铆紧电位器。
  （6） 清扫粉末，去除碳化部分并进行绝缘处理。
  （7） 更换快速熔断器。
  （8） 重新调试励磁装置，各保护装置联动试车一切正常。

实例分析
    我们公司有4台高压10KV3500kw电机，我不明白的是为什么要把功率因数调到超前0.94，而不是电力公司定的0.92以上就可以了，功率因数超前有什么危害，还有是什么好处？
    功率因数超前会似整个电网的电压升高，如果供配电设备的绝缘效果跟不上，会造成绝缘层击穿，严重的会引起相间短路。
    因为电路中还有其它的电感性负载，将同步电机功率因数超前，相当于电容性负载，可以补偿电路中其它电感性负载，使整体电路的功率因数更接近于1，相当于起到补偿电容的作用。
    整个电网都超前？这几乎是不可能的，因为整个电路中感性负载太多了，如果整个电路真的超前，那确实没有什么好处。

三相高压同步电动机励磁装置故障失磁后，电机能否变异步运行？
    如果励磁回路的灭磁电阻正常接入，且负载较小，不会导致励磁线圈交流电流过大，可以正常运行；若负载太大，长期异步运行会使电动机励磁线圈电流过大，会发热烧坏的。
    同步电机励磁失磁的话，如果励磁回路的灭磁电阻不能正常接入，即使负载不大，励磁绕组无电流可能造成转子上的阻尼条烧坏。
    同步电机励磁失磁的话若是负载情况下决不可运行。因为这样可能造成转子上的阻尼条烧坏。