关键词：
失步运行（精选三篇）
失步运行 篇1
带刷励磁同步电机的启动过程是异步启动过程:启动开始时,转子励磁绕组直流电源不投入,定子绕组在转子启动绕组中感应出交变电流,产生的转矩拖动转子不断加速;在转子转速达到一定值时,给转子励磁绕组投入直流电源,转子加速自行牵入同步状态。在实际工作中,除了采取将同步电机定子绕组直接并入电网的启动方式外,为减少启动对电网的冲击和对设备的损伤,通常会采取降压启动方式。如果同步电机受到外部扰动时,无法克服传动系统而发生振荡,那么同步电机将会失步运行,设备的可靠连续运行将得不到保障。
1 系统介绍
某厂2台带刷励磁同步电机采用定子回路串电抗器的降压启动方式,励磁电源采用KGFL-2型同步电机励磁装置,具有顺极性投励和失步自动再整步的功能。主控系统自成系统,与上位机通过点对点方式实现通信。通信内容主要包括电机定子侧电压互感器二次电压、定子侧单相电流互感器二次电流、励磁给定与反馈等模拟量信号,以及降压启动、全压启动、励磁装置准备好、励磁故障等开关量信号。同步电机控制系统构成示意图如图1所示。
2 故障分析
2.1 事故描述
带刷励磁同步电机自投运以来,出现过2次失步运行。
第1次,在负载发生变化时,没有及时调整励磁电流,造成功率因数严重滞后,电机定子绕组温度不断升高,当电机定子绕组温度超过保护整定值时跳闸停机。事后抽芯检查,发现电机转子绕组轻微变色。
第2次,主控系统PLC“死机”,转子励磁绕组直流电源断电,定子主回路的断路器因接收不到分闸信号而无法自动分断,最后被迫在配电柜上进行强行分断停机。电机运行时振动加大,停机后检查发现电机本体温度高,励磁系统的灭磁电阻发热并散发出异味。解体电机检查发现转子铜条上有不同程度的鼓包,启动绕组间连接用铜质叠片烧损多处。
2.2 事故类型
常见的电机失步分为断电失步、带励失步和失励失步,上述事故则是由同步电机失励失步运行造成的。失励失步是指励磁回路出现异常造成转子失去励磁电流或转子磁场减弱,从而导致电磁转矩小于之前同步状态时的转矩,由于转子负载瞬时不变,因此此时转子开始减速,电机滑出同步运行区域,转子中感应出交变电流产生的磁场与定子磁场共同作用产生的电磁转矩拖动电机以低于同步转速的速度继续运转。
2.3 过程分析
在异步运行过程中,无论是转子直流电源全部失去还是处于弱磁状态,电机绕组都不会形成短路或开路,转子电流会通过直流励磁装置的灭磁回路形成通路,如图2所示。当G2端极性为正时(负半波),转子励磁绕组感应出的交变电流通过G2—Rfd2—GZ—Rfdl—G1—转子绕组形成回路;反之,在G2端极性为负时(正半波),转子励磁绕组感应出的交变电流将通过G1—Rfd1—R2—R5—W—R3—R4—W—Rfd2—G2—转子绕组形成回路。
(1)稳定失步过程中,转子绕组正、负半波电流不对称。当励磁装置欠磁运行时,转子绕组除了产生直流分量外,还产生交变电流分量。G2端极性为正时,回路中的二极管GZ将电阻短接,晶闸管关断,仅Rfdl和Rfd2得到压降。G1端极性为正时,R2、R5、W和R3、R4、W承担压降,并且阻值很大,相当于开路,转子感应电压迅速攀升。当稳压管VDw、反向截止二极管VD的电压和与电位器W所承担电压间的压差升到7KGZ和8KGZ的触发导通电压值时,7KGZ和8KGZ导通,R2、R5、W和R3、R4、W被短接,感应电压急速上升的趋势被抑制。转子绕组感应电势和电流波形如图3所示。由于电流分流器串于回路中,因此所带的单向直流电流表的指针呈规则性摆动。
(2)同步电机异步运行时,在转子绕组里感应出频率为sf1的正弦交变电流,该电流建立起以滑差频率相对于转子脉动的单相旋转磁场。根据电机学基础理论,该旋转磁场可分解为波幅恒定、转速为同步转速(此时频率为sf1)、旋转方向完全相反的2个旋转磁场。正向旋转磁场与定子旋转磁场在空间上相对静止,相互交链产生恒定的异步电磁转矩。反向旋转磁场与定子旋转磁场在空间上无法保持相对静止,它相对于转子的转速为-sn1,相对于定子的转速则为nsn1,也即n1(1-2s),因此在定子绕组中感应产生频率为f1(1一2s)的交变电流。这个电流和基频电流叠加建立的定子磁场和转子单向脉动磁场共同作用产生的交变异步转矩,是导致失步后电机出现振动、定子电流增大的重要原因。
(3)在结构设计上,感应电机的转子极数与定子绕组的极数相同,这是为了实现定子、转子旋转磁场相对静止,从而获得恒定的电磁转矩以保证电机能够稳定运行。同步电机在启动时类似于感应电机,它能平稳加速拖入同步得益于此。事故电机转子极数和定子绕组极数同为6,转子磁极在空间上均匀分布。异步运行时,转子本体铜条等同于多相绕组,定子磁场切割转子本体铜条,感应出频率为sf1的多相电流,其合成磁场相对于转子速度为n2,相对于定子的转速为n2+n,而定子磁场相对于定子转速为n1,显然n2=sn1=n1-n。这样,合成磁场与定子磁场在空间上保持相对静止,共同产生恒定的异步转矩,短时是无害的,但定子绕组、转子铜条长时间地通过大电流将会发热膨胀变形。
(4)同步滑向稳定失步的过渡过程很短。尽管同步电机的失步过程与启动过程都是异步运行,但是前者转差率由零开始增大,感应电机稳定运行在同步点至最大电磁转矩区间内,最大电磁转矩下的转差率通常为0.12～0.2,而后者的转差率在静止启动时为1,转子加速后逐渐减至0.05(亚同步时的转差率),直流励磁投入后,经过短暂的振荡实现同步,转差率变为零,整个过程相对较长。
(5)定子回路的过流保护基本失去作用。失步后,定子电流往往小于额定电流的2倍,而电机启动电流往往是额定电流的3～7倍,因此常规的过流继电器很难检测到失步下的定子故障电流,或者检测到电流后虽然启动,但是极可能出现还没有到动作时限就已返回的情况,基本上无法实现失步保护的目的。从发生的两起事故知,过流继电器没有有效动作。
3 应对措施
电机定子绕组、转子阻尼绕组由于具有一定热容量和过载能力,因此允许短时间的失步运行,但长时间的失步运行会给同步电机带来很大危害,如电机烧损。对于克服不了外界扰动而不能自动再整步或无需再整步的同步电机,除了增加可靠的失步保护继电器外,还须对控制系统进行改进,以达到及时分断和保护电机的目的。
(1)由于短时的失步运行是允许的,因此可在控制程序中加入“过载超时保护功能”。跟踪记录电机空载和带载工况下的运行电流和启动时间,可发现正常情况下定子实际运行电流最大值约为额定电流的80%,轻载启动时间约为75s。由于定子电流二次模拟量信号已接入PLC,因此在编制程序时可通过增加定子电流检测功能块,实现在运行电流超过一定值且持续一定时间后,PLC自动输出停止命令,并将该功能块在启动过程中屏蔽。
(2)在控制回路中增加必要的硬接线方式。在PLC输出端增加“励磁柜故障”信号或“事故紧急停车”信号以实现事故下的分断,防止PLC“死机”后输出模块无输出造成断路器收不到停机命令。
(3)输出模块在网络故障、CPU故障、工作电源丢失等异常状态下一律发停止命令(逻辑值为0)。
(4)如果断路器控制回路的直流操作电源丢失,那么断路器将无法分断;而检测回路失去直流电源时,励磁将停止,电机也将失励失步运行。对于这些问题,可采取在直流控制回路中增加失压继电器(一旦失压,便发报警信号)或选用带有失压自动脱扣功能的断路器加以解决。
(5)改变励磁电流可调节电机功率因数,提高电网质量,但励磁电流的调整区间有限,须对其设定上下限。同步电机的“V”型曲线显示,减少励磁电流时,隐极电机过载能力下降,定子电流增加,对应的功率角增大,功率因数降低;当功率因数滞后到一定值时,电机将不能稳定运行而进入失步状态。
4 结束语
同步电机失步运行的现象不尽相同,有时无法第一时间发现,但潜在的损伤已产生,如绕组绝缘阻值降低、转子铜条开焊、绕组变形或铁芯松动等。由于大型电机的停运直接关系到生产,因此需针对可能造成失步的因素进行辨析,并对原有控制系统设计缺陷进行改进,以保障同步电机安全运行。
摘要：结合同步电机失步运行的一个典型案例,分析同步电机失步运行的过程及特点,并对控制系统存在的设计缺陷进行改进,以防同步电机失步后不能及时停运。
数控维修失步 篇2
1. 软件故障
软件故障即系统故障, 包括NC机床数据设定不当和系统加工程序参数设定不当。
重新设置丝杠反向间隙补偿值。这个数据非常实用, 特别是机床使用几年后, 丝杠有一定磨损, 用这个数据来补偿丝杠间隙, 保证加工精度。最简易的测量方法是:将千分表固定在一机床平面上, 用手轮正向反向移动工作台或刀架, 观察表针的变化, 多测几个点, 取中间值。
合理设定步进电机转子较长的启动加速时间, 以便获得足够的能量, 防止丢步;合理设定步进电机转子较长的减速时间, 防止出现越步或过冲现象。降低系统的快速速率 (G00的速率) , 减少脉冲频率。
有时合理细分步距角也能解决失步问题。需要指出, 细分不是步进电机的细分, 而是步进电机驱动器的细分。细分的目的是减少步进电机的低频振动, 增加电机工作时的平稳性, 提高电机的输出扭矩, 提高步进电机精度, 在加工圆弧时效果尤为明显, 但相应的机床运行速度就会降低, 所以这个数据并不是越高越好。
调整用户零件加工程序。可以适当提高主轴转速, 降低走刀量, 减小切削深度。需特别注意, 当将NC数据改动后, 系统必须重新启动, 重新确认一次, 方能执行。
2. 硬件故障
硬件故障也分两个方面, 机械故障和电气故障。
机械故障的原因较多, 也最难查找。比如:检查丝杠是否轴向窜动, 双头螺母是否预紧。在某一段, 丝母与丝杠间隙是否过大或溜板镶条是否太紧、太松。丝杠有无弯曲变形, 丝杠导槽内有无铁屑、油泥等异物。联轴器或传动齿轮是否松动或异物卡住。
电气故障方面, 包括在传动链的适当部位安装反馈元件, 如编码器、光栅尺等, 彻底消除丢步的现象, 但成本太高。建议采用大功率的步进电机, 增加输出扭矩或者采用性能较好的混合式步进电机、交流伺服电机等方法, 但成本会增高。
驱动器故障。驱动器是把控制器发出的信号再处理放大输给步进电机。如文章开头所述实例, 可将X轴与Z轴驱动器交换对接, 若Z轴工作正常, 可判定Z轴驱动器出现故障。首先检查接线是否松动、折断, 其次取下驱动板, 在了解基本原理的情况下, 用万用表检测限流电阻、稳压二极管等易损电子元件。同时, 还可以检测一下功放电路有无断线、击穿等现象。
控制器故障。控制器是控制脉冲方式的, 可以进行程序的控制输出, 其发出的信号进入步进电机驱动器后, 会由驱动器转换成强电流信号, 带动电机运转。看系统有没有受到干扰, 找出干扰源, 降低干扰。可以选用较好的双纹屏蔽线代替普通导线、加电源滤波器或采用光电隔离器等措施降低干扰。
3. 其他原因
基于频率特征的失步解列判据原理 篇3
我国电网已进入了大容量、远距离、多区域互联的发展时期,西电东送、南北互联在带来巨大经济效益的同时使电网日趋复杂化,系统失步发生的概率也大幅增加[1,2,3]。失步解列作为防止系统崩溃的最后一道防线,对电力系统安全稳定运行具有重要意义[4,5]。目前基于视在阻抗轨迹的解列判据整定较为困难,容易受到系统运行方式和网络结构变化的影响;根据基于u cosφ轨迹的失步解列判据能够得到失步中心出现的时刻,却难以得到失步中心的位置;基于相角的失步解列判据在电网复杂的情况下,电网潮流方向改变时会造成误判;基于补偿原理的失步解列判据在线路带大量中间负荷时难以实现[6,7,8]。
本文研究了电力系统失步振荡过程中,两侧电动势幅值相等及不等情况下电压频率的特征,从而提出一种基于频率特征的失步解列判据,该判据可以区分同步振荡和失步振荡,识别振荡中心的位置,同时不受系统结构变化和运行方式变化的影响。目前对电网频率测量算法的研究[9,10,11]和PMU在频率测量方面的应用[12,13]为判据的实现奠定了理论基础。
1 失步振荡时电压频率的特征
在图1所示的MN线路等值系统中,两侧等值电动势分别为ES、ER,其等值正序阻抗为ZS、ZR;两侧母线电压为UM、UN;线路正序阻抗为ZMN;M侧流向N侧的线路电流为IM,N侧流向M侧的线路电流为IN。
当系统发生失步振荡时,不妨设M侧是送电端,ES超前于ER,ES=ERejδ,其角速度可分别表示为ωS=ω+Δω与ωR=ω;ES与ER之间的夹角δ在0°~360°的范围内周期性变化。不妨设t=0时ES与ER的相量关系如图2所示。其中δ0为t=0时ES与ER之间的夹角,则有:
假设两侧电动势的幅值相等,即|ES|=|ER|=E,系统中各元件的阻抗角相同。在失步振荡过程中,在偏离额定频率不多的情况下,可不计及频率变化所引起的系统阻抗变化。
如图1所示,计及K点的电气位置系数可以表示为:
其中,0<ρK<1。母线M和母线N处的电气位置系数可分别表示为,则线路上任意
K点的电压可以表示为:
由式(3)可求得K点电压的幅值:
1.1 失步振荡中心的电压频率特征
在两侧电动势幅值相等且系统中各元件阻抗角相等的情况下,振荡中心位于整个电气的中心,即ρK=1/2处[14]。从而由式(4)可以求得振荡中心的电压幅值:
由式(3)和式(5)得到振荡中心电压的瞬时值为:
设fS和fR分别为两侧等值电动势的频率,则振荡中心的电压角速度为(ωS+ωR)/2,其频率为(fS+fR)/2。根据文献[5]的研究,电流IM在系统振荡时的频率也为(fS+fR)/2,即振荡中心处的电压频率和电流频率相等。
1.2 失步振荡时任意K点电压频率特征
在系统失步振荡情况下,当0°<δ<180°时,根据式(3)能够得到如图3所示的相量关系图。
图中ω+ΔωK为线路上任意K点电压相量的角速度,由于夹角δ呈周期性变化,因此不妨设t=0时ES与ER之间的夹角δ0=0,相量UK和ρKER之间的夹角δK0=0,从而可以得到:
利用平行四边形法则和余弦定理可以得到:
由式(7)—(9)可以得到δK的表达式:
从而可以得到,当0°<δ<180°时,线路上任意K点对应的电压相量UK的频率为:
同理,当180°<δ<360°时,利用平行四边形法则和余弦定理能够得到K点对应的电压相量的频率为:
可以看出线路上任意K点对应的电压相量UK的频率fK取决于K点的电气位置系数、系统两端等值电动势的频率及其夹角δ。由于前文所设,M侧是送电端,ES超前于ER,即ES的频率fS大于ER的频率fR,由式(11)和式(12)可以得到K点电压频率的变化规律如图4所示。
图4为2个失步振荡周期内电压频率的变化规律,可见电压频率随两侧电动势夹角连续变化,失步振荡中心即ρK=1/2处的电压频率等于(fS+fR)/2,其一侧的电压频率在(fS+fR)/2~fS之间周期性变化,另一侧的电压频率在fR~(fS+fR)/2之间周期性变化。
2 两侧电动势幅值不等时电压频率的特征
考虑两侧等值电动势幅值不相等的情况,不妨设|ES|>|ER|,|ER|=α|ES|,且|ES|=|ES|,其中0<α<1,同时根据上文假设M侧是送电端,ES超前于ER,则有ER=αESe-jδ。当系统发生失步振荡时,线路上任意K点电压仍可以表示为式(3),从而可以求得两侧电动势不等的情况下,K点电压幅值U′K的表达式:
当0°<δ<180°时,其相量关系仍如图3所示,利用余弦定理和平行四边形法则可以得到:
其中,δ′K为两侧电动势幅值不等时,UK与ρKER之间的夹角。由式(13)和式(14)可以得到δ′K的表达式:
当0°<δ<180°时,由式(7)、式(8)和式(15)可以得到线路上任意K点对应的电压相量的频率为:
同理,当180°<δ<360°时,再次利用余弦定理和平行四边形法则可以得到线路上任意K点对应的电压相量的频率为:
在两侧等值电动势幅值不等的情况下,当系统发生失步振荡时,根据式(16)和式(17)可以得到如图5所示的线路上任意K点的电压频率变化规律。
图5为一个失步振荡周期内电压频率的变化规律,可见当α=0.8时,振荡中心的电气位置系数ρK=0.555 5;当α=0.4时,振荡中心的电气位置系数ρK=0.714 3。可见两侧电动势幅值差别越大,振荡中心越靠近幅值较小的一侧。与两侧电动势幅值相等的情况相比较,线路上任意一点电压频率仍具有如下规律:失步振荡中心处的电压频率等于(fS+fR)/2,其一侧的电压频率在(fS+fR)/2~fS的范围内周期性变化,另一侧的电压频率在fR~(fS+fR)/2的范围内周期性变化。
3 基于频率特征的失步解列判据
正常运行的电力系统中各发电机以同步转速运行,各发电机的电动势都以同样的工频角频率旋转,各电动势之间的相位差维持不变[9],此时电流频率和电压频率均为工频频率。当发电机输入或输出功率发生变化,其功角δ需要经过若干次在新的功角值附近振荡之后才能稳定,这一过程即同步振荡,此时包括频率在内的电气量出现摆动且以平均值为中心进行振荡。如果电力系统受到某种干扰,发电机功角δ在0°~360°之间周期性地变化,称作电力系统异步振荡[14]。通过上文的分析可知,此时电压频率具有如下特征:
a.振荡中心同一侧的电压频率同时增加或同时减小;
b.振荡中心两侧的电压频率没有交集;
c.对于振荡中心的两侧,若一侧电压频率增加,则另一侧电压频率减小;反之若一侧电压频率减小,则另一侧电压频率增加。
设f1(k)和f2(k)分别为某元件两端测得的电压频率,定义|f1(k)-f2(k)|i=|f1(k+i-1)-f2(k+i-1)|和(f1(k)-f2(k))i=(f1(k+i-1)-f2(k+i-1)),则有:
其中,m为求和的次数,对差值进行求和运算可以避免差值为零,同时起到抑制噪声、降低测量误差的作用。当同时满足式(18)和式(19)时可以判定系统内发电机功角出现振荡;同时满足式(18)—(21)时可以判定振荡中心在该元件上,因为振荡中心的两侧,若一侧电压频率增加,则另一侧电压频率减小,而振荡中心同一侧的各处电压频率同时增加或同时减小。
上述分析可以表示为图6所示的流程图。
4 仿真与分析
仿真系统采用IEEE 3机9节点数据,如图7所示。线路参数考虑线路损耗和分布电容的影响,机组参数考虑励磁和调速器。利用BPA软件对该系统进行暂态仿真研究。设0周期时线路B-3上母线B近端发生三相短路事故,保护第一次动作失误,经过19个周期即0.38 s故障线路被切除,故障后系统发生失步振荡。
图8为软件自动监控的仿真过程中最大发电机功角差,发生在G1与G3之间,可见在大约60个周期后发电机功角差δ在0°~360°之间周期性地变化,系统进入失步运行过程中。各条线路两侧母线电压值可以由BPA测得。图9分别为线路1-A和线路2-A两侧电压频率(基于50 Hz的相对值),可见振荡中心位于线路2-A上,线路1-A处于振荡中心的一侧。仿真过程中一周期采样10个点,即步长为0.002 s,根据式(18)—(21),取m=3,将线路1-A两侧电压频率采样值代入图6所示的流程图,判据在1.104 s判断出系统失步振荡但振荡中心不在此线路上;对于线路2-A,判据在1.27 s判断出系统失步振荡且振荡中心在此线路上。
5 结语
