吳凌軒
(上海電氣集團上海電機廠有限公司,上海 200240)
直流電機電樞繞組類型多、接線復雜,一旦繞組出現故障,往往很難定位,只能更換整臺繞組,浪費很大,如何快速定位故障是急需解決的課題。文獻[1]介紹了直流電機常見的短路和斷路故障,并舉例介紹了如何辨別這些故障點。文獻[2]介紹了一些裝配過程中的檢測手段,將直流電機電樞繞組的故障分為短路、斷路、接地、繞組接錯等。
通過測量片間電阻來檢測電樞繞組的好壞,是直流電機維修和過程試驗的一個強有力的手段,被實踐證明是完全有效的。過去由于缺乏理論指導,只能依靠操作者的經驗,進行定性分析,對直流電機的斷路故障機理缺乏清楚的認識。
將斷路故障進行分類,并通過文獻[3]的方法,建立了故障電樞繞組模型,并對故障模型進行了計算,繪制了故障下的片間電阻圖。結合廠內的一臺故障電機,通過片間電阻的測量結果,結合本文提出的方法,快速定位電機電樞繞組的故障。作者最后還討論了該方法的適用范圍,對該方法的使用提出了一些建議。
直流電機電樞繞組焊點很多,早期大量使用錫焊工藝,電機運行時繞組內流過大電流,焊接位置受到熱應力和離心力的雙重作用,易出現脫焊風險。此外,電樞繞組受到周期負載的沖擊下,易因疲勞產生裂紋甚至斷線。故障發(fā)生后,故障支路電阻值顯著增大,直至開路,這種故障就叫做直流電機電樞繞組的斷路故障。
直流電機在制造過程中,也需要一種檢測焊接質量的手段,這種方法就是測量直流電機的片間電阻,這種方法也廣泛運用于電機的檢修過程中。過去,往往依靠操作人員的經驗對測量的電阻值進行判斷,如果測得的結果和以往經驗不符,則要對電樞繞組進行補焊加強。
以上兩種主要情況都歸為直流電機的斷路故障,區(qū)別是支路電阻變化值的大小。
根據升高片是否發(fā)生斷路故障,將直流電機電樞繞組的斷路故障分為兩大類,即升高片故障和非升高片故障。升高片故障的故障現象為,連續(xù)兩個片間電阻值偏大,且值比較接近。非升高片故障和升高片故障下片間電阻的波形有較大區(qū)別,本文重點進行分析。
根據實際直流電機制造業(yè)績,選取典型的電樞繞組類型,按照故障位置,可以將故障點概括為以下幾個部分,具體見表1。
表1 故障點分布表
首先討論單一故障點造成的故障(多故障點同時出現時,根據電路疊加定律,其故障波形為各個單故障波形結果的疊加)。文獻[3]中建立了直流電機無故障時片間電阻的分析模型,在分析故障工況時,我們只需要修改無故障模型中某個元件的電阻值,由于正常元件電阻數量級在毫歐級,故可以將該元件的電阻設置為10 Ω,模擬該元件的斷路故障。
本文研究對象選用文獻[3]中的表6,所有計算參數均和表6相同,并引入片間電阻標幺值的概念。首先計算正常片間電阻分布曲線,將此時的片間電阻設為基值,然后建立故障電樞繞組網絡模型。計算故障時所有相鄰片間電阻的值,將故障片間電阻值除以對應位置正常片間電阻值,結果為故障下的片間電阻標幺值。最后繪制故障下的片間電阻標幺值曲線,將故障下片間電阻標幺值大于102.5%的片間電阻標記出來。
以下直接給出計算結果。
假設斷路發(fā)生在第14片波繞組。故障后相鄰片間電阻計算如圖1所示。
圖1 片間電阻計算結果
2.2.1 疊繞組斷路
假設斷路發(fā)生在第14片疊繞組。故障后相鄰片間電阻計算如圖2所示。
圖2 片間電阻計算結果
2.2.2 波繞組斷路
假設斷路發(fā)生在第14片波繞組。故障后相鄰片間電阻計算如圖3所示。
圖3 片間電阻計算結果
2.3.1 疊繞組斷路
假設斷路發(fā)生在第14片疊繞組。故障后相鄰片間電阻計算如圖4所示。
圖4 片間電阻計算結果
2.3.2 均壓線斷路
假設斷路發(fā)生在第14片均壓線繞組。故障后相鄰片間電阻計算如圖5所示。
圖5 片間電阻計算結果
表2 電樞繞組參數
續(xù)表2 電樞繞組參數
經計算,在繞組無故障情況下,片間電阻為0.716 94 mΩ。
該故障電機電樞片間電阻測量記錄如圖6所示。從圖中可以看出,某些片數的片間電阻值遠遠超過了合格電阻值范圍。根據經驗定性分析,電樞繞組某些部位焊接出現了問題。
圖6 實測片間電阻
從圖中可以看出,編號為6,17,19,23,25的片間電阻阻值較大,根據前文分析,初步判斷是疊繞組斷路故障,我們在程序里面將這幾個元件的阻值同時設置為10 Ω,模擬這幾個元件斷路故障工況。片間電阻計算結果如圖7所示。
圖7 實測值和計算值對比
從圖中看出,計算值與實際值符合很好,證明假設是成立的,工廠人員針對故障繞組進行了替換和補焊,再次測量片間電阻,結果合格,電機故障排除。
很多實際操作人員和繞組焊接人員都會有疑問,如果該電機某支路焊接質量較差,實際測量的值會偏差多少呢?另外,是不是片間電阻最大值低于2.5%,就可以認為電機的焊接質量完全沒有問題呢?
根據文獻[4]推薦,我們假設某元件電阻焊接質量不好,則可設該元件電阻值增加為正常情況電阻值的1.2倍。通過計算此時最大片間電阻偏差值,若該值大于2.5%,則說明該標準可以檢測焊接質量問題。將結果如表3所示。
表3 最大片間電阻偏差表
絕大部分焊接質量問題可以通過片間電阻測量進行排除,但是仍有部分繞組故障較難發(fā)現。如單蛙繞組中波繞組發(fā)生焊接故障,單疊繞組(均壓線在換向器側)中均壓線發(fā)生焊接故障,較難通過片間電阻測量結果發(fā)現問題。實際上,當單蛙繞組中波繞組元件值若從1.2倍增加到1.4倍時,此時最大片間電阻值正好等于2.5%。所以,建議后續(xù)在片間電阻檢測時,針對單蛙繞組的檢測標準應高于其他類型的電樞繞組,保證(波繞組)焊接質量問題及早發(fā)現。
對于同一套電樞繞組,不同位置的焊接問題體現在片間電阻值上,結果也不同。如單疊繞組(均壓線在換向器側),焊接問題發(fā)生在疊繞組元件上時的片間電阻最大偏差值為13.92%,發(fā)生在均壓線繞組時為3.8%,差值達到3.6倍。文獻[5]提出對帶均壓線繞組檢查均壓線焊接故障需要測量每個均壓線元件兩端的片間電阻,若測量單蛙繞組波繞組焊接故障則需要測量波繞組元件兩端的片間電阻。按照這種思想,重新選取了測量片間電阻的片距,不再統(tǒng)一取相鄰的片間,而是根據元件首尾在換向器上位置進行計算。
4.2.1 單波繞組中波繞組斷路故障
假設第14片波繞組電阻增加為正常值的1.2倍。波繞組整流片距為76,所以片間電阻選擇[N,N+76],故障后片間電阻計算結果如圖8所示。
圖8 波繞組節(jié)距片間電阻計算結果
4.2.2 單蛙繞組中波繞組斷路故障
假設第14片波繞組電阻增加為正常值的1.2倍。波繞組整流片距為85,所以片間電阻選擇[N,N+85],故障后片間電阻計算結果如圖9所示。
圖9 波繞組節(jié)距片間電阻計算結果
4.2.3 單疊繞組,均壓線在換向器側,均壓線斷路故障
假設第14片均壓線繞組電阻增加為正常值的1.2倍。均壓線繞組整流片距為86,所以片間電阻選擇[N,N+86],故障后片間電阻計算結果如圖10所示。
圖10 均壓線節(jié)距片間電阻計算結果
表4 對比表
從上表可以看出,修改測量位置后,波繞組和均壓線位置的斷路故障的靈敏度顯著提高,基本達到了和疊繞組靈敏度同一水平。
從國內外文獻以及實際操作習慣來說,很少看到使用片間電阻檢測電樞繞組的短路故障,大多數是用來檢查斷路故障。從理論上來說,若某條支路發(fā)生了短路故障,則該支路電阻會下降,片間電阻測量結果必然會發(fā)生變化。
我們選用2.1中波繞組的案例,做一個對比試驗,假設第14條波繞組支路分別發(fā)生了短路和斷路故障,該支路正常時電阻為r1,假設短路電阻為r2,假設斷路電阻為r3,r2和r3變化范圍均為1-100r1,此時該支路發(fā)生短路和斷路故障后電阻分別為r12和r13,則有
分別計算第13和第14片片間電阻的標幺值,并繪制曲線。
從圖11、圖12很容易看出來,當引起故障的故障電阻阻值一致時,斷路故障可以通過測量片間電阻非常明顯的發(fā)現,而短路故障則僅當引起短路故障的電阻值很小的時候,才有可能從片間電阻測量值中發(fā)現。下面給出當r2=r3=10×r1的時候片間電阻的計算值對比圖,此時假設斷路故障發(fā)生在13-14片之間,短路故障發(fā)生在43-44片之間。
圖11 短路電阻和最大片間電阻的關系
圖12 斷路電阻和最大片間電阻的關系
從圖13中可以看出,13-14片間電阻變?yōu)榱苏r的5倍,而43-44片間電阻僅下降了4.5%,如果不仔細檢查測量的結果,很難發(fā)現短路故障。
圖13 短路和斷路片間電阻對比
所以,目前片間電阻測量主要用在發(fā)現電樞繞組斷路故障,檢查電樞繞組的焊接質量。直流電機電樞繞組的短路故障目前多采用匝間試驗的試驗方法進行檢查。
其他電樞繞組類型使用同樣的分析方法也能得出類似的結論。