如何用现代技术测试同步电机

为了进一步了解电机电路测试和分析在同步电机（同步机）上的应用，有必要对同步电机的运行、最常见的故障、常见的测试方法、ALL-TEST IV PRO™(
现在 AT5™
)在大型同步电机上的工作原理，同步定子和转子分析的基本步骤，以及预期的测试结果(……)。
编辑 –ALL-TEST PRO 5™是 ATIV™ 的推荐替代产品。
). 在本文中，我们将讨论这些不同的方面，并参考其他材料以了解更多细节。

关于同步机

大型同步电机有两个基本功能。

• 首先是提高工厂的电功率因素。 在任何有大电感负载的工厂，如电机和变压器，电流开始落后于电压（功率因数差）。 当这种情况变得足够严重时，工厂需要明显更多的电流来完成相同数量的工作。 这可能导致电压下垂和电气元件过热。 同步电机的使用方式可以对功率因数造成很少或没有影响，也可以用来使电流引导电压以纠正功率因数问题。
• 第二种操作方法是吸收脉动负荷，如往复式压缩机。 一旦同步电机达到同步转速，它的线圈就会与来自定子的电机旋转磁场同步 “锁定”。 如果出现扭矩脉冲（如在往复式压缩机行程的顶部），电机可能会与旋转场脱节。 当这种情况发生时，转子上的一个特殊绕组称为Amortisseur绕组（见下面的同步结构）会吸收扭矩脉冲的能量，使转子保持同步。

同步电机的基本结构是简单明了的。 有三组绕组，一个定子，一个转子，轴承，以及发电机（无刷）或 “静态激励器”（有刷型）。

绕组包括

• 标准三相绕组，与标准感应电机非常相似
• 一组磁场线圈，在小型机器上是由圆形导线制成的直流线圈，在大型机器上是由矩形或带状导线制成的直流线圈
• 类似于感应电机转子鼠笼式绕组的转子绕组

有刷型和无刷型同步电机的启动方法是相似的。 两者的起跑线将有所不同。 以下是对基本操作模式的描述，然后是对差异的简要描述。

在同步电机的启动阶段，它的作用与标准感应电机基本相同。 定子接收电流并形成旋转磁场（速度=（120*应用频率）/极数）。 这个磁场在Amortisseur绕组中产生电流，通过产生自己的磁场，与气隙中的定子磁场相互作用，使转子跟随定子磁场而产生启动扭矩。 当转子开始追赶定子磁场时，直流电流被注入转子磁场线圈，形成南北磁对（转子线圈总是成对出现）。 这些磁场与定子磁场锁定同步，并以与定子磁场相同的速度跟随，而标准感应电机总是落后于定子磁场。

在有刷机中，转子磁场的直流电源通常来自 “静态”（电子）启动器，它将提供的交流电转换为直流电。 在大多数情况下，输出直流通过启动周期而变化。 驱动装置也可以被设置为短路机器的磁场线圈，以避免转子饱和和由此产生的定子上的极高电流。 一旦转子开始转动，就会提供直流电，以协助电机产生扭矩。 直流电压通过一对滑环和电刷提供。

在无刷机器中，直流发电机被直接安装在同步电机的轴上。 当同步电机启动时，发电机通过其换向器提供很少的直流电。 随着转速的增加，直流电压也随之增加，帮助电机产生扭矩，然后锁定同步转速。 在这种类型的机器中，发电机直接与转子磁场连接。

也有一些机器在转子的轴上安装了一个发电机，为一个单独的控制装置供电。 这首先用于短路绕组，然后控制输入转子的直流电量，就像电刷机一样。

最常见的同步电机故障

大型同步电机往往制造精良、坚固耐用。 它们通常是用过多的材料来承受所施加的严重负荷。 工业同步机最常见的故障依次为：。

• 由于一般磨损和污染造成的轴承
• 转子场 – 由于温度高，这些转子场往往会从里到外烧毁。
• Amortisseur绕组 – 主要用于往复式负载。 由于吸收了大量的能量，绕线杆经常会开裂。 特别是，如果转子磁场开始失效并出现短路，转子就更容易失去 “同步”。
• 定子绕组 – 一般磨损和污染。 同步机器的定子绕组往往是 “成型绕组”，并有很强的绝缘性。

几乎所有发生在同步电机中的绕组故障都是从转子或定子线圈的导体之间开始的。

常见的测试方法，优势和劣势

以下是评估同步电机状况的传统测试方法。

• 绝缘电阻测试。使用IEEE 43-2000规定的外加直流电压，在定子绕组和地之间放置一个电位。 这只测量定子绕组和定子框架之间的直接故障。 也可通过刷式机器上的滑环进行。
• 极化指数：这是 10 分钟与 1 分钟绝缘电阻的比率。 传统上，这种方法用于测量定子绕组和机架之间的绝缘状况。 与绝缘电阻测试一样，这也可以通过刷式机器上的滑环进行。 正如IEEE 43-2000中所述，这种测试方法只对1970年以前的绝缘系统真正有效。
• 高电位测试。在大型机器上最常见的是直流高电位测试，其值为电机铭牌电压的两倍加1000伏，乘以3的平方根。 在现有的绝缘系统上，这个值通常被降低到潜在电压的75%。 这种测试对绝缘系统有很大的压力，有潜在的破坏性（根据IEEE标准的388和389）。 这种类型的测试绝对不能应用于同步电机的转子绕组。
• 浪涌比较测试。通过比较两个绕组在两倍电压加1000伏的快速上升时间脉冲时的波形，仅评估定子的匝间状况。 如果有可纠正的问题，比如污染的绕组，这个测试可能会损坏电机绕组。
• 局部放电测试：这是一种非破坏性测试方法，用于测量电机绕组绝缘系统空隙中放电产生的无线电频率。 这对 6.6 千伏以上的机器进行趋势分析非常有效，而对 4 千伏以上的机器则只会发出短暂警告。 它不检测任何转子故障。

• 电机电流特征分析。是为感应电机的转子测试而设计的。
• 电压下降测试。需要将电机拆开。 在转子绕组上施加115交流电压，用电压表测量每个线圈上的电压降。 如果存在短路，电压降的变化将超过3%。

上述清单不包括同步电机机械测试设备。

关于ALL-TEST专业仪器

ALL-TEST IV PRO™ (
编辑- ALL-TEST PRO 5™是ATIV™的推荐替代品)
是一种简单的电子仪器，其性能与多用表基本相同，只是它提供一系列读数，涵盖电机电路的交流参数。 它是一款数据采集器和测试仪，可发送低压直流信号，用于简单的电阻测试（与毫欧表的方式相同），也可发送低压高频交流信号，用于交流读数。 然后，仪器以工程单位测量和计算电阻、阻抗、电感、相位角、电流/频率响应和对地绝缘电阻测试的测试结果。

电力设备的电子测试与传统电力方法的主要区别在于。

• 对电机电路有一个更完整的看法，包括转子场线圈绝缘状况变化带来的影响。
• 一种仪器适用于大范围的设备尺寸。 该测试只限于仪器的简单电阻范围（0.010欧姆至999欧姆）。
• 非破坏性–不施加有害电压。
• 更容易的数据解释–数据解释的几个简单规则（见下文数据解释）。
• 手持设备与重达 40 至 100 多磅的设备相比。
• 仪器的内部动力源。

随着绝缘系统的老化，或者如果绝缘系统受到污染并影响到绝缘的完整性，电机的电路就会发生变化。 由于转子是电路的一个组成部分，转子电路和绝缘系统的电气完整性的变化也直接反映在定子绕组上。 这样就可以立即进行故障诊断，并对电机进行长期趋势分析。

独特的测试信息使ALL-TEST Pro仪器能够查看绝缘系统的足够参数，从而进行检测和隔离。

• 定子绕组短路
• 转子场短路
• 绕线器杆断裂
• 气隙偏心率
• 绕组污染（转子和定子）
• 地面绝缘故障

用ALL-TEST Pro仪器分析同步机的基本步骤

测试同步机的步骤与评估标准感应电机的状况类似。 然而，由于电机转子上有现场线圈，所以在排除故障时需要额外的几个步骤。

当从电机控制中心或启动器测试同步机时。

• 给设备断电。 确保二级电源也被切断。
• 按照仪器上的菜单提示对定子进行标准的ALL-TEST IV PRO™（现在的AT5™）测试。
• 评估测试结果（见预期的测试结果）。
• 如果显示有故障，开始排除故障。
• 尽可能调整转子的位置，最多45度（如果转子难以转动，任何移动都可以，但不能少于5度）。
• 重新进行测试并审查读数。 如果故障移位，或变化超过一位数，那么故障很可能位于转子上。
• 如果故障保持不变（不随转子位置变化），则在电机接线盒处断开引线并重新测试。 如果仍然显示有故障，则很可能是定子的问题，如果没有，则很可能是电缆的问题。

除故障排除外，平均测试时间约为3-5分钟。

在测试拆开的同步机时，一定要记住，如果没有转子，读数会有很大不同。

• 进行ALL-TEST IV PRO™自动测试（AT5
  Z/
  
  
  测试模式）的定子上，并评估测试结果。 这将提供任何故障的即时指示。
• 对于转子的测试。

• 进行自动测试并与过去的读数进行比较；或者。

• 进行自动测试并与 “相同 “的转子进行比较；或者。
• 在每个现场线圈上进行自动测试，而不是进行压降测试。
• 这三者的所有参数都应符合评价限制。

由于测试的风格，这些结果可以在同类机器之间进行趋势和比较。

电机电路测试的其他应用包括评估和验收，以及预测性维护。

预期的测试结果

如本文最后一节所述，测试结果与三相感应机的测试结果类似。 故障模式是非常直接的，在ALL-TEST Pro仪器的测试范围内，无论设备大小，都适用。 以下是对测试测量及其结果的简要概述，用于基本故障排除。

• 简单的电阻测量：这是电路中高电阻连接、连接松动或导体断裂的指示器。 这个测试很重要，特别是如果电阻问题在一个地方，因为根据I2R，一个电阻点会放出大量的热能（单位：瓦特）。 例如，一个0.5欧姆的电阻横跨在一个有100安培的电路中，会发出：（100安培2)(0.5欧姆)=5,000瓦(5kW)的能量价值。 这大约是用于转动价值6马力的电动机的能量。
• 电感测量：这是线圈磁性强度和其他线圈对一个线圈影响的指标。 它受电路匝数、线圈尺寸和其他线圈电感的影响。 这个测量值本身只是一个很好的指标，说明了转子绕组的状况和转子的偏心。 电感只有在严重时才会显示绕组短路。
• 阻抗测量：这是测量电路中的复合电阻。 它可以像电感一样，用于检查转子绕组和转子状况。 然而，当与电感一起使用时，它可以用来快速检测过热的绕组和绕组污染。 通过查看每相之间的电感和阻抗的关系。如果电感和阻抗相对平行，那么任何电感和阻抗的不平衡都是在转子和定子之间的关系上（转子位置）；如果它们不平行，这就表明有绝缘问题，如绝缘击穿或绕组污染。
• 相位角和 I/F（电流/频率）：它们都是定子或转子匝间绝缘故障的指示器。
• 绝缘电阻。评估对地的绝缘，只有在绝缘失效时才会显示。

旋转机械和变压器电子静态绕组电路分析指南》中概述的测试极限建议如下：

表1：测试极限值（峰-峰值）

*如果测量是平行的，可以超过这个值。

以下是对故障排除规则的概述。

• 绕组短路。

• 绕组短路可以通过查看类似线圈或相间仪器的相位角和I/F读数来评估。
• 相位角（Fi） – 相位角应在平均读数的1位以内。 例如，读数为77/75/76将是好的，因为平均读数是76。 读数为74/77/77将是糟糕的。
• 当前频率响应（I/F）–当前频率响应应在平均读数的2位以内。 例如，读数为-44/-45/-46就很好。 读数为-40/-44/-44将是糟糕的。 然而，像-42/-44/-44这样的读数应被视为可疑。

• 绕组污染和转子位置

• 转子在电动机内的位置可能导致自然相位不平衡。 绕组污染也会导致相位不平衡。 评估 DF 可以显示相位不平衡是来自转子还是污染。

• 转子位置 – 转子位置不平衡可以通过查看电感和阻抗值是否相当平衡来评估。 例如，如果有17/18/19的电感和24/26/29的阻抗值，那么不平衡是由转子位置引起的。 如果电感是5/5/5，阻抗是8/9/8，也可能是这种情况。
• 绕组污染 – 这种情况也可能出现在过热（烧毁）的绕组中。 这些情况是由于隔热系统崩溃导致隔热材料发生变化的结果。

总结

通过一套简单的规则和指令，ALL-TEST IV PRO™（现在的AT5™）为同步机器的故障诊断和趋势分析提供了一个优秀的工具。 该测试采用简单的、非破坏性的测试测量，比任何其他测试都能更全面地了解电机定子和转子电路。 测试评估简单而直接，不受设备大小或类型的影响。

书目

• 旋转机械和变压器的电子静止绕组电路分析指南北京工业大学，ALL-TEST部门，2001年。
• Penrose, Howard W. 电机电路分析。理论、应用和能源分析冯小刚，《设计成就》，2001年。