李旭亮

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 故障描述與檢測(cè)試驗(yàn)

某廠家向我公司請(qǐng)求技術(shù)服務(wù)，據(jù)其描述其一臺(tái)鋁帶冷軋機(jī)組的卷取一號(hào)電機(jī)，在正常點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行和空載運(yùn)行時(shí)都無異常，可是當(dāng)上料后一旦“張力投入”按鈕按下，驅(qū)動(dòng)該電機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)器就會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁過流故障并跳閘。經(jīng)過故障復(fù)位操作后，直流驅(qū)動(dòng)器可以再次正常合閘，且點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行和空載運(yùn)行時(shí)都無異常。

廠方檢查電機(jī)外部和內(nèi)部線路正確無異常，檢查電機(jī)內(nèi)部無灼燒短路跡象，換向器表面光滑，碳刷接觸良好，各部件安裝牢固無松動(dòng)，測(cè)量勵(lì)磁對(duì)地、勵(lì)磁對(duì)電樞、電樞對(duì)地之間的絕緣都符合要求。更換勵(lì)磁控制板、測(cè)量板、主控制板以后，故障依然存在。將直流驅(qū)動(dòng)器內(nèi)各參數(shù)恢復(fù)出廠默認(rèn)值后重新進(jìn)行整定，整定過程一切正常。但故障依舊存在，且現(xiàn)象完全相同，點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行和空載運(yùn)行時(shí)都無異常，僅發(fā)生在正常張力投入瞬間，通過電腦調(diào)試軟件記錄勵(lì)磁電流如圖1所示。

通過以上常規(guī)檢查和排除沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，為分析查找故障采用替換對(duì)比方法，將從故障的卷取一號(hào)直流驅(qū)動(dòng)器上更換下來的勵(lì)磁控制板、測(cè)量板以及主控制板，依次逐一安裝在電機(jī)型號(hào)和直流驅(qū)動(dòng)器型號(hào)完全一樣的開卷一號(hào)上，發(fā)現(xiàn)開卷一號(hào)完全正常工作。至此可以完全排除卷取一號(hào)直流驅(qū)動(dòng)器硬件故障可能性。通過電腦軟件檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，開卷一號(hào)正常張力投入時(shí)實(shí)際電樞電流增大，實(shí)際和給定勵(lì)磁電流相等且無任何變化。而卷取一號(hào)當(dāng)正常張力投入時(shí)給定勵(lì)磁電流穩(wěn)定無變化，實(shí)際勵(lì)磁電流卻突然增加直至產(chǎn)生勵(lì)磁過流故障并跳閘，分別如圖2和圖3所示。

由于以上檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)未能查找到故障原因，決定逐步適當(dāng)放大勵(lì)磁過流跳閘保護(hù)閥值，并觀察。已知卷取一號(hào)直流驅(qū)動(dòng)器勵(lì)磁控制回路最大允許電流可達(dá)25A，電機(jī)勵(lì)磁線圈額定電流9.6A，當(dāng)前勵(lì)磁過流跳閘保護(hù)閥值10A，每次實(shí)驗(yàn)上調(diào)勵(lì)磁過流跳閘保護(hù)閥值量為電機(jī)額定勵(lì)磁電流的15%。前3次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象依然如故出現(xiàn)，但第4次實(shí)驗(yàn)勵(lì)磁過流跳閘保護(hù)閥值15.4A，卷取機(jī)張力正常投入時(shí)沒有出現(xiàn)勵(lì)磁過流故障，實(shí)際電樞電流突然增大，給定勵(lì)磁電流始終穩(wěn)定不變。實(shí)際勵(lì)磁電流在正常張力投入瞬間突然增大，但并未達(dá)到勵(lì)磁過流跳閘保護(hù)閥值15.4A，然后實(shí)際勵(lì)磁電流減小回落至小于額定勵(lì)磁電流，形成一次回調(diào)，而最終又穩(wěn)定到了正常張力投入之前的額定勵(lì)磁電流。保持直流驅(qū)動(dòng)器勵(lì)磁過流跳閘保護(hù)閥值15.4A不變，反復(fù)重復(fù)正常張力投入試驗(yàn)多次，現(xiàn)象完全相同，勵(lì)磁電流最大只達(dá)到15A左右，并未跳閘，僅僅是隨著正常張力投入勵(lì)磁電流產(chǎn)生一次復(fù)制較大的突升和一次復(fù)制較小的突降，然后恢復(fù)到額定勵(lì)磁電流，如圖4所示。

根據(jù)以上結(jié)果，推測(cè)卷取一號(hào)勵(lì)磁電流可能受到電樞電流影響，因此做以下實(shí)驗(yàn)。(1)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將張力預(yù)設(shè)為零，結(jié)果卷取一號(hào)張力投入正常。撤除卷取張力，逐步增加預(yù)設(shè)張力后張力投入，反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)預(yù)設(shè)張力大于一定數(shù)值，張力投入瞬間就會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁過流故障并跳閘。(2)第二個(gè)試驗(yàn)，將張力預(yù)設(shè)為零并投入，此時(shí)無明顯異常；然后逐步增大張力給定值，電樞電流增加，給定勵(lì)磁電流穩(wěn)定不變，發(fā)現(xiàn)實(shí)際勵(lì)磁電流波動(dòng)逐漸增大，并且據(jù)操作人員反應(yīng)感覺作用在帶材上的張力明顯小于正常狀態(tài)。通過以上兩個(gè)試驗(yàn)可以得出，電樞電流越大對(duì)勵(lì)磁影響越大，電樞電流變化速度越快對(duì)勵(lì)磁影響越大。

綜合多次檢查測(cè)試，最終確定本故障是由電機(jī)本身造成。遂將故障電機(jī)送電機(jī)廠維修，經(jīng)電機(jī)廠檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)刷架物理中心線錯(cuò)位偏移。電機(jī)廠在對(duì)電機(jī)重新修復(fù)后設(shè)備重新投入正常使用。

2 故障原因理論分析

直流電機(jī)正常制造完成后還會(huì)對(duì)其刷架進(jìn)行微調(diào)，以保證其物理中心線與幾何中心線重合。在直流電機(jī)學(xué)中把磁極結(jié)構(gòu)上的磁極分界線稱作幾何中心線，把氣隙磁場(chǎng)分界點(diǎn)稱為物理中性線。在電機(jī)沒有負(fù)載，即電樞無電流通過，只有勵(lì)磁回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，物理中心線和幾何中心線完全重合，位于兩個(gè)磁極的正中間，這是電機(jī)的理想狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，當(dāng)電樞內(nèi)通過電流，則電樞所產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好垂直于勵(lì)磁磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，二者正交。由電樞產(chǎn)生的磁場(chǎng)的垂直正交與勵(lì)磁磁場(chǎng)的分量稱之為交軸分量，而平行于勵(lì)磁磁場(chǎng)的分量為直軸分量。在電機(jī)物理中心線與幾何中心線重合時(shí)，只有交軸分量，直軸分量為零，如圖5所示。

圖5中電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電樞交軸分量向下。當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞內(nèi)電流換向，根據(jù)右手螺旋定則，交軸分量則向上。

當(dāng)直流電機(jī)刷架位置發(fā)生偏移，就會(huì)使物理中心線與幾何中心線產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度，此時(shí)當(dāng)電樞內(nèi)有電流通過時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)將不再與勵(lì)磁磁場(chǎng)垂直，二者不再是正交關(guān)系。此時(shí)可對(duì)電樞所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行直角分解，變?yōu)榇怪庇趧?lì)磁磁場(chǎng)的交軸分量和平行于勵(lì)磁磁場(chǎng)的直軸分量，如圖6所示。

電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)勵(lì)磁主極磁場(chǎng)基波產(chǎn)生影響的現(xiàn)象稱作電樞反應(yīng)，它包括交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)。當(dāng)電機(jī)物理中心線與幾何中心線重合時(shí)，只有交軸電樞反應(yīng)。當(dāng)電機(jī)物理中心線與幾何中心線偏離一定角度時(shí)，就會(huì)既有交軸電樞反應(yīng)，又有直軸電樞反應(yīng)，且偏離角度越大，交軸電樞反應(yīng)影響越小，直軸電樞反應(yīng)影響越大。

直軸電樞反應(yīng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)由于平行于勵(lì)磁主極磁場(chǎng)，則直接加強(qiáng)或者削弱電機(jī)主磁通，由電樞電流方向和物理中心線偏離幾何中心線的方向來共同決定的，可總結(jié)為，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，電刷(電機(jī)物理中心線)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移一個(gè)角度，則增強(qiáng)磁場(chǎng)，電刷(電機(jī)物理中心線)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的相反方向偏移一個(gè)角度，則削弱磁場(chǎng)；對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，電刷(電機(jī)物理中心線)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移一個(gè)角度，則削弱磁場(chǎng)，電刷(電機(jī)物理中心線)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的相反方向偏移一個(gè)角度，則增強(qiáng)磁場(chǎng)。直軸電樞反應(yīng)無論是對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的增強(qiáng)還是削弱，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)都是不利的。直軸電樞反應(yīng)絕大多數(shù)都是由于電機(jī)在制造和維修時(shí)裝配精度不夠所造成的，應(yīng)盡量避免。 當(dāng)卷取機(jī)正常張力投入時(shí)，隨著電樞電流的增大，其產(chǎn)生的直軸分量磁場(chǎng)也很大，足以對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯的增磁效果。而此時(shí)電機(jī)勵(lì)磁繞組的工作狀態(tài)與變壓器相同，直軸磁場(chǎng)變化所引起的通過勵(lì)磁繞組的磁通變化在其內(nèi)部產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且電動(dòng)勢(shì)方向與勵(lì)磁電壓方向相同，兩者起到了疊加作用。由圖3和圖4所記錄的卷取機(jī)正常張力投入時(shí)刻的電樞電流變化曲線來看，此時(shí)不僅電流數(shù)值很大，而且上升速度很快，接近于階躍曲線。

由以下公式推導(dǎo)可得，磁場(chǎng)強(qiáng)度H=NI/Le；式中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)；I為勵(lì)磁電流(測(cè)量值)，A，這里即為電樞電流；Le為測(cè)試樣品的有效磁路長(zhǎng)度，m。由此可知，當(dāng)電樞電流較大時(shí)，其產(chǎn)生的直軸磁場(chǎng)分量也較大。此時(shí)通過勵(lì)磁繞組感應(yīng)磁場(chǎng)應(yīng)為，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B=H=μN(yùn)I/Le；式中，B為磁通密度，Wb/m2；μ為磁導(dǎo)率是一個(gè)常量；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。此時(shí)通過勵(lì)磁繞組的磁通為，磁通Φ=BS=μN(yùn)×I/Le。而通過勵(lì)磁繞組的磁通產(chǎn)生變化時(shí)，將會(huì)在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小由下列公式確定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=NdΦ/dt=(dI/dt)μN(yùn)/Le；式中，(dI/dt)為電樞電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即電樞電流變化率，而其它均為常量。

3 總結(jié)

本案例中卷取電機(jī)正常張力投入時(shí)勵(lì)磁過流跳閘故障的根本原因是廠方對(duì)該電機(jī)拆解保養(yǎng)后重新裝配時(shí)，物理中心線與幾何中心線沒有完全重合，且偏差較大。同時(shí)該電機(jī)作為卷取電機(jī)，其電樞電流方向和物理中心線與幾何中心線偏離方向共同決定了直軸電樞反應(yīng)的效果是對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)，當(dāng)卷取張力增大后，電樞電流上升，使得電樞磁場(chǎng)直軸分量在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生了較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，造成勵(lì)磁電流瞬間激增以至于超過直流驅(qū)動(dòng)器所設(shè)保護(hù)閥值造成跳閘并產(chǎn)生勵(lì)磁過流故障報(bào)警。