江都大型泵站同步电机励磁装置更新改造的研讨

2010-08-15徐冰凌杜治潮

上海大中型电机 2010年2期

徐冰凌,郭平,华骏,杜治潮

(江苏省江都水利工程管理处,江苏江都 225200)

1 前言

江都大型泵站同步电动机励磁装置先后采用了交流电动机拖动直流发电机励磁、三相桥式半控整流励磁(有续流二极管)、三相桥式全控整流励磁、三相桥式半控整流励磁(无续流二极管)、三相桥式全控整流励磁(灭磁回路改进型)。其控制器由三极管、单结晶体管分立元件及小规模集成混合式模拟控制;不断更新改造为 8位、16位、32位 CPU单片机控制的数字式控制器;由按纽操作、电位器增减磁调节,改造为触摸屏人机对话,免去电位器调节的烦恼;由柜体现场观表控制,改为控制室远方上位机显示、故障报警、监控监测;直流电流继电器失磁、失励保护,改为“SBZ”同步电动机失步保护及带载自动再整步技术,使晶闸管励磁装置的科技含量提高到新水平,更安全可靠。

2 历年励磁改造主桥电路概述

2.1 江都早期用晶闸管励磁

1973年由北京一机部机电研究所研制,1974年投运的三相半控桥晶闸管励磁装置,在我国水利发展史上发生了直流发电机励磁的变革;武汉水利学院在湖北省汤逊湖泵站研制三相半控桥励磁装置触发控制电路,其间也有不少工厂研制并投产。

我国早期励磁绝大部分是使用晶闸管三相桥式半控整流固接励磁,例如,江都一站、二站、三站共26台套,整流电压出端并接续流二极管,会产生附加的制动转矩。经多年的生产运行实践证明当电网电压低于 90%以下起动同步电动机水泵机组时,这一制动转矩就起到一定的坏作用,可能会使电动机起动失败。

在 1975至 1985年 10年左右的时间里,白天8∶00至21∶00前为用电高峰期,扬州地区电网电压普偏低 15%左右,第一台机有时要启动多次,不得不改变单结晶体管的锯齿波振荡周期,以改变投励时间早一点牵入同步,当时采用 GL型反时限过电流电磁继电器保护也不得不改变定子电流保护定值,甚至在紧急情况下下放保护强制冒险开机,当第一台开出投运后加大调节励磁电压和电流,使同步电动机运行在强励磁工况,功率因数在超前 0.95左右,把 5400V左右的电压通过多发无功来补偿供电网路的功率因数,以达到提高开机电压接近6000V,以后几台就好开出了;有时晚上开不出,寒冬腊月大运河要通航补水,网路电压要等到深夜12∶00,还要开几次才能开好。经过学习蒋宗道(研究员级高级工程师)的理论才明白是续流二极管制动转矩的影响,当然还与电网容量供不应求有关;现在都高于 6000V,有时甚至到 6100～6300V,由于启动电压高于电机额定电压 6000V,启动绕组产生的异步电磁转矩快速上升,接近同步转速“约0.95ns”时,顺极性准角投入直流电流励磁,依靠定子旋转磁场与转子磁极之间的吸引力,将同步电动机牵入同步速度运行。

2.2 全国统一设计三相桥式全控整流电路

一机部于1976年规定“今后停止生产半控励磁装置”。其间安排一机部天津电气传动设计研究院,成立同步电动机晶闸管励磁课题组,设计三相全控桥晶闸管整流固接励磁,在输出端不用并接“续流二极管”这样就使得同步电动机在起动过程转子励磁绕组感应的交变电压正、负两半波都可以经放电电阻起动,因此不会产生附加的制动转矩,从而保证了同步电动机的固有起动特性。

在计划经济情况下列为全国统一设计图纸,并由北京、上海、西安、襄凡、青岛等整流器厂生产。几年间有近千台套投运,在各行各业也集中反应出不少的故障,有关故障直接影响大型水泵机组及各行各业机电设备的安全运行。一时间,我国在静态晶闸管励磁系统的发展过程中流行的一种观点:“全控励磁装置先进,半控励磁装置有启动性能差等缺点应被淘汰”的论述也遭到工程技术人员的质疑。

2.3 无续流二极管新型三相桥式半控整流电路

二机部同步电动机运行技术研究服务部蒋宗道教授指出:他既不同意用全控励磁去淘汰半控励磁,也不提倡用半控励磁完全取代全控励磁。要具体情况具体分析,大部分情况下采用半控桥式励磁线路为宜,对于励磁绕组电磁时间常数 Tdo较小的中小容量同步电动机,一般采用简易半控励磁装置就能满足要求。对于时间常数 Tdo较大的,中型同步电动机,一般应采用快速灭磁半控励磁装置。励磁容量较大,额定压较高,装有快速自动励磁调节器,且要求较高的调节速度,较宽的调节范围等特殊条件,则应选用全控励磁线路;三相半控桥采用励磁输出端无并联续流二极管的蒋宗道研制的既简单又经济实用的改进型三相半控励磁主回路,就是取消 DQ续流二极管的阳极接线端,将其阳极端与 KQ启动晶闸管的阴极相连接,形成与启动晶闸管 KQ反向并联,此时的二极管依具功能已称为启动二极管,就可以得到与全控桥励磁装置相同的异步启动性能;我们再来回顾一下老式的三相半控桥整流输出端在同步电动机励磁绕组接有续流二极管,在电机启动时使转子回路交流感应电流的正、负两半波不对称,导致电机异步启动性能严重变坏,经过这样的分析可以看出是主张淘汰老式三相半控桥的根本理由。而改进型的三相半控桥能够保证流经励磁绕组闭合回路的感应电流具有对称的正、负两半波,以免由于感应电流的直流分量引起振荡转矩和异步转矩。

2.4 失控问题的妥善解决

问题并不是这样简单的解决了,无续流二极管的三相半控励磁电路,就要首先解决“失控”问题。其一是换流失控,即当控制角 α很大,励磁电流很小时,由于换流失败而造成失控,这很容易采取控制角限位措施,对移相插件稍加改进,或在 CPU控制取样中读取相关数据后立即发出控制角限位信号加以妥善解决;其二是停机失控,即停机时,在同步触发脉冲停止,励磁电源仍然存在的条件下,由于电机励磁绕组的电感放电,造成续流而引起失控,很容易采用“断励续流灭磁”,或采用快速灭磁电路,因而就不存在停机失控的问题;其三是三相半控桥有时会有失控现象,是由于晶闸管励磁装置本身故障所致,如移相插件故障,同步触发脉冲插件故障,主回路晶闸管不能正常开通,或有一相同步触发脉冲因故障而停发时就会进入故障失控状态,在 CPU控制的三相半控无续流二极管励磁装置中相关控制信号出现干扰或运行失调时会造成失控,这些都称为故障失控。此时,主桥臂上三相晶闸管中的某一相处于全开放状态,在 2/3周期,240°电角度内,该相晶闸管工作于整流工况,励磁电源向电机励磁绕组供电,转子电压波形用示波器观察到“双峰山包”波形,而另外 1/3周期,120°电角度内,该相晶闸管工作于续流工况,电机励磁绕组的电感储能经该相晶闸管元件续流放电,转子电压波形出现一个平直低谷。“双峰山包”和“平直低谷”反复交替出现,是转子励磁电压失控时波形的一个显著特点。监测转子电压波形,可以构成简单而可靠的失控保护,可以通过本柜或上位机监测、监控,声、光报警自动清除失控或提醒人工复位按钮解除此类故障失控。

2.5 快速灭磁性能

同步电动机因受某些扰动发生断电失去同步时,为使电机在电源重新恢复瞬间,免遭非同期冲击,要求在 0.2～0.3s时间内,把转子绕组中电流所产生的励磁电动势下降到其额定值的 36%左右;正常停机也尽可能通过灭磁电阻和 DQ、KQ反向并联的灭磁回路释放磁场能量,合理设计的励磁系统必须具备良好的快速灭磁性能。

2.6 三相桥式全控整流启动灭磁电路

三相全控桥的灭磁启动电路也作了简化改进,将原来 7KGZ、8KGZ两个串联晶闸管改为一个启动晶闸管 KQ,去掉了“熄灭线”。启动晶闸管采用低通启动,高通运行,由此可见与蒋宗道创立的三相半控桥灭磁电路相同。

2.7 失步再整步

1979年蒋宗道根据大型高压同步电动机自动再整步过程的研究,及同步电动机失步再整步过程的分析,再次设计研制出同步电动机励磁系统的改进线路。即主回路无续流二极管型三相半控励磁装置,并在《电世界》、《冶金自动化》及北京土木建筑学会 1979年学术年会发表:论同步电动机晶闸管励磁系统所应该具有的技术性能。自 1981年推出BKL-1型新型无续流二极管三相半控桥式整流励磁装置,在国内首创实现了控制插件,冷却风机故障下不停机更换,(把续流这一有争议特色的坏事变成在一定条件下转化为无害的好事,可合理利用短时间的过渡性工况,使装置获得了正常运行中不停机、不减载地更换各类控制插件的技术性能),保证同步电动机的稳定同步运行,并具有带载不停机更换故障插件,失步带载自动再整步的功能。其“SBZ”和“FQZ”系列产品为我国首创,各项技术指标在国际上均处于领先地位,拥有多项国家专利;并被列为国家“八◦五”,“九◦五”期间重点新技术推广项目,属国家级新产品;在国内受到了广泛欢迎和选用,其各项技术性能指标优于 KGLF-10型三相全控桥晶闸管整流励磁装置。投运近数千台套电机容量从 250KW-10000KW,为广大用户带来了良好的经济效益和社会效益。

3 现代微机控制

近几年来励磁装置的产品设计,在科学发展观的理论指引下,研发思路更加开拓,在市场经济的游戏规则下,出现了百花齐花,百家争鸣。将数种励磁装置控制板块功能作用综合分析,可以看出随着改革开放与科学技术的不断发展,不断升级换代,采用新技术、新工艺、新器件、新材料以及进口器件。

相继有中国核工业电机运行开发公司、苏州市友明科技有限公司、北京前锋科技有限公司、北京冶金自动化研究院伺服所、长沙伟定达电气自动化工程有限公司、苏州市苏开电气成套公司等研发并投产,鉴于体制等因素上整、北整、西整等老牌整流器厂的励磁装置竞争力日益凋谢。以上公司的产品有的在我处投运也有的在一些泵站厂矿接触,其基本看法是根据蒋宗道创立的同步电动机异步起动、快速灭磁、亚同步速准角投励,失步再整步等理论加上现代数字控制技术:采用 8位、16位、32位 CPU,程序控制器,触摸屏液晶显示及 PLC上位机通讯取得了令人满意的产品。

与上述 KL型,LGLF-10型,SBZ-101型等传统励磁都采用单稳态触发电路,单结晶体管触发电路,正弦波移相触发电路,锯齿波同步触发电路等,都是分立元件组成或分立与集成电路混合式的控制器电路有很大的区别。

3.1 控制器电路的组合功能

随着数字控制技术,计算机技术及微电子技术飞速的发展和日趋成熟,励磁控制已实现从原有的模拟式向数字式的转变,近十年来在大型泵站及石油化工等行业微机励磁的硬件和软件已在同步电机励磁装置中普遍采用。

3.1.1 励磁控制器国外状况探索

20世纪 50年代以来磁放大器出现后,广泛采用磁放大器和电磁元件组成电磁型调节器,用于直流励磁机系统;

20世纪 60年代初期随着半导体技术的发展,1957年美国 GE公司发明了晶闸管,开始采用由半导体元件组成的半导体励磁调节器。

以上两种调节器均属于模拟式调节器,其综合放大,移相触发和调差环节,全由相应的硬件电子电路完成,要实现手动与自动调压、低励限制、过励限制等多种控制功能,随着单机容量的不断增大,同步电机对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求,如更优良的励磁调节性能,有更多的限制、报警、保护等附加功能。显然,常规模拟式的励磁调节器难以满足如此高的性能要求,在这种情况下,随着数字控制技术,计算机技术及微电子技术的飞速发展和日趋成熟,采用数字式励磁调节器已成为发展趋势。微机励磁控制器电压偏差的计算、移相触发、调差环节、低励限制、过励限制都可以由软件来完成不需要增加相应功能的硬件电路。同时,各种控制功能都可以根据需要进行取舍,十分灵活。在模拟式调节器中很难实现甚至无法实现的许多控制功能,在微机式励磁控制器中则很容易实现。

国外微机控制器进入实用是在 20世纪 80年代,除单微机以外又研制了双微机系统的数字式励磁调节器,日本东芝公司、加拿大通用电气公司、瑞士 ABB公司、德国 SIEMENS公司、英国 GEC公司等。这些大公司均具有很强的科研开发能力,励磁控制器所用的计算机系统一般都以专用的高速可编程序控制器或高速微处理器为核心采用自行研制的专用控制板组成,从而具有结构紧凑,可靠性高的优点。

3.1.2 我国励磁控制技术

20世纪 60年代前使用交流电动机拖动的直流发电机励磁以及硅整流励磁装置,由三相感应调压器,整流变压器,6只二极管连接成三相桥式整流组合而成。

自从我国 1964年诞生第一个晶闸管以后,电力电子技术有了快速的飞跃发展,KLF型励磁装置是20世纪 70年代初最早的一代晶闸管励磁装置,1974年一机部机电研究所研制的三相半控桥式励磁装置(有续流二极管)首先在江都大型抽水机站800kW同步电动机水泵机组更换直流发电机励磁,其控制器的移相触发单元是用来得到相位角与控制电压成比例的触发脉冲信号,从而控制晶闸管的控制角 a;移相电路是采用的分立元器件组成的单稳态触发器附加输入控制,偏置电压,输出脉冲和同步信号电路组成轿。

1976年采用全国统一设计的三相全控桥,其控制器是采用单结晶体管触发脉冲插件,移相插件,投励全压插件,附加脉冲与三相全控桥“逆变”环节,无功补偿插件,时间保护环节,灭磁环节。

1979年蒋宗道推出无续流二极管三相半控桥励磁装置,其控制器已采用分立元器件与小规模集成电路相结合。有 KPD板,LED板,8位数码显示器,(参数代码)又分为运行参数代码,控制参数代码插件机箱、启动单元、阻容灭磁单元、继电器单元、风格单元、控制电路十分复杂,有一块继电器盘及很多插件板上也有继电器,总共有 30多个,现在 PLC编程控制就很容易解决,主要是相关的功能太多了。

我国第一台投入现场运行的微机励磁控制器是电力部南京自动化研究所研制的 WLR-1型励磁调节器,于 1985年在福建池潭发电厂投入运行,WLT-1励磁控制器以 8位单板机 8085为核心,采用 PID调节方式。

清华大学分别与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂合作,研制了全数字式励磁控制器。

中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的微机自动励磁控制品,在控制规律上以 PID控制为主,同时引入了 PSS附加控制。

华中科技大学先后与东方电机股份有限公司和葛州坝电厂能达通用电气有限公司合作,开发了线性最优和自适应最优微机控制器,还有各大专院校、科研所、发电厂的创新精神。15年来,我国在微机控制器的研究开发领域及军工、电力、冶金、石油、化工、灌排水泵站、煤气、矿山等行业推广应用作出了重要贡献,取得了丰硕的成果。

20世纪 80年代末同步电动机励磁受电力部门研制的同步发电机微机励磁影响,由年青专业励磁工作者先后在北京前锋,苏州友明拉开了研发微机励磁的序幕,在 90年代初投入运转,当时使用8031,8751,MC68HC11A8单片机系统及 8253专用定时器,使触发脉冲的精度大大提高。

经过近十几年的从无到有,传统同步电动机励磁严重老化,故障频发,直接影响大型泵站及工业设备的安全运行,带来了技术创新景象,竞争的纷围也推动了微机励磁技术的性能不断升级,完善和日趋于成熟。

4 微机控制器的特点

4.1 微机控制器的特点

(1)微机励磁控制器可靠性高,这是数字电路自身的可靠性高,通常采用多微机冗余设计,多个通道互相跟踪,互为备用,可实现自动切换,再加上控制规律由软件实现,减少了硬件电路,使得由于控制器硬件电路故障而造成大型泵站停机时间大为减少,这是我们专业维修人员的切身体会。

(2)微机励磁控制器硬件结构简单,很多限制功能只需通过编写相应的软件模块即可实现,不必增加任何硬件,这样就大大降低了硬件系统的复杂性,方便生产,调试及运行维护。

(3)计算机控制系统特别是控制灵活、速度快、存储量大和逻辑判断功能,因此可以实现高级复杂的励磁控制策略,实现自适应控制、非线性控制、模糊控制和神经网络控制,从而可以大大丰富和增强励磁系统的控制功能,改善电机运行特性。

(4)控制准确、精度高、在线改变参数方便,其中信号处理和控制规律都由软件来完成,信号处理和控制精度高。同时,电压给定、放大倍数、时间常数等控制都由软件来完成,在线调整设定参数方便、快捷、没有电位器带来的烦恼。

(5)可实现自诊断、自检测技术、充分利用计算机的运算速度及软件的优越性,定期地对重要硬件部件和软件进行检查和监视,一旦出错,处理器对其故障进行甄别,并作出相应的处理,在显示故障消息的同时,或报警或进行调节器切换或发出停机信号等,最大限度地保证了调节器在运行过程中的透明度,进一步保证了机组运行的可靠性。

(6)数字电路不存在温漂问题,元件使用寿命长,不存在参数变化的影响。

(7)通信方便,可以通过通信总线,串行接口方便灵活接入泵站的计算机监控系统,便于远方控制和实现泵站机纵的综合协调控制。可与上位计算机通信,传送数据,接受指令。

(8)可以统一设计硬件电路,便于产品更新换代。由于软件设计具有很大灵活性,使得控制策略的改变和控制功能的增加通常只需要在软件上加以改进,加速产品升级换代。

(9)有效降低整套装置成本,并具有体积小,重量轻的特点。

4.2 微机励磁控制器的总体结构

(1)硬件构成以微机系统为中心,另辅加一些外围接口构成。微机系统从功能上分,其系统各公司也不完全相同,主要包括以下几个部分及类型:

SRD总线 CPU系统板:它是微机系统的核心部分,负责管理微机系统中所有模板,并执行微机励磁控制器的软件,如果它出故障,微机系统即无法正常运行。

A/D转换板:用于 TV,TA来的交流和直流模拟信号转换成相应的数字量。

开关量输入板:用于开关量的逻辑控制,负责光耦隔离输入各项开关状态以及控制信号,如断路器分合状态、开机、停机、增磁、减磁信号等采用光耦隔离输出触发脉冲,以及其它信号,如各种励磁限制动作信号等。

开关量输出板:用于光耦隔离输出半控 3个全控 6个触发脉冲,各种励磁限制动作信号。

定时/计数板:用于频率测量,以及触发脉冲 a角及宽度的定时,以及时钟、录波、机组运行时间等。

人机接口板:从早期读写器代码显示,8寸小液晶中文介面在线显示或微动按钮选择,不断产品升级,发展触摸屏(PLC)是人机界面,江都泵站值班员已可以在触摸屏的屏幕上触摸按键,画面上就地显示和修改各种运行状态和各整定参数:人机对话功能、开机、装置运行主画面;表与点行参数显示、记录装置各部输出波形曲线、装置设置菜单子画面;闭环运行方式设置、通讯设置画面;修正显示误差、故障记录趋势图子画面,还有报警、用户管理、数据记录、通信、显示和打印图表等。

一些非电量转换为开关量的方法:风机停风检测,快速熔断器熔断检测,硅元件温度及干式励磁变压器温度检测,励磁电流由霍尔电流传感器等。

通信板:用于接收和发送至上位机和其它微机的命令和信息。

同步信号板:对于同步信号 TV来的 12V交流信号进行降压、滤波和整形,其输出为三相交流同步信号相对应的三相方波信号。

RS385通讯接口:按用户需求而制定的通讯规约进行远程通讯不但起到监测的作用,更重要的是监控作用通讯口的就地录波,远方数据通讯。

主机 S7-200是个 32位单片机:它由中央处理器(CPU),系统程序存储器(一般为编程只读存储器 RAM或 ERROM)用户程序存储品(使用随机存取存储器 RAM,输入/输出(I/O)接口编程器接口及一些其它特殊接口电路组成,通过输入输出模块读入现场信号,处理结果通过输出模块送去外部设备,按用户要求工作。主机内的存储器包括系统存储器和用户存在 PCL的主机 I/O接口与现场的输入,输出信号之间加入了由光电耦合电路组成的输入、输出模块,以保证主机与外界强电电路可靠隔离。

双微机主、副热备,无扰动自动切换,无论是三相半控及三相全控都可具有,进一步提高控制器的可靠性。

(2)外围接口

测量滤波部分:它把 TV、TA交流,经 RC滤波变成峰值为几伏的交流电压信号,励磁电流采样由分流器或霍尔电流传感器,定子电压,电流分别由信号变换器隔离输入输出开关量均通过继电器,光耦隔离提高抗干扰能力,进入 A/D转换板。

触发脉冲放大部分:同步电压取样、电流取样、电压与电流输出设定,闭环触发脉冲信号输出与抗干扰功能合为一体;具有不大于 1%的输出精度,自动作用于过压、过流、断相保护,能在各种恶劣环境下可靠运行,闭环控制由 PLC通过自动选定的变送器取样信号与设定的运行参数为依据,实现通过选定的运行方式使对应的电量变送器作为闭环取样信号输入;可触发相移角从 10～175°变化;微机发出来的是功率很小的 3个(三相半控桥)或 6个(三相全控桥)触发脉冲,经过功率管及脉冲变压器进行功率放大触发晶闸管。

微机用的电源:为微机系统提供电能,要求其可靠性高,有多种交流和直流电源。

(3)软件构成

实时控制软件主要包括:主程序 A/D采样程序,控制量计算程度,励磁限制程序,同步信号处理及触发脉冲形成程序,开关量及键盘命令程序,通信程序等。

从大的流程看可分为主程序和中断服务程度。在编程时充分采用模块结构,以便于调试、修改和维护。使用 C语言也有很强的绘图、通信、字符处理、磁盘管理等功能,特别是与硬件中断的接口使它既能在微机励磁控制器中用于实时控制编程,也能用于上位机的人机接口的图形界面编制。

5 大型泵站盛磁装置改造

江都管理处在 1997年争取到水利部“948”项目,水利部科技司下达重点科研项目:《江都抽水站机组监控关键技术》,引进消化国外先进技术与设备,解决我国大型轴流转浆式水泵的自动化监控技术,以提高国内大型泵站的自动化水平,从而实现优化调度自动化,提高泵站的运行效益。本项目的实施点为江都第四抽水站,为了使系统建设完善实用,结合江都四站的实际情况,在研制机组监控关键技术的同时,对江都四站的部分设备进行更新改造,从而使江都四站全面实现计算机监控,要求基本达到“无人值守,少人看管”,自动化程度达到国内领先水平。在其中的励磁是利用SBZ-101励磁装置进行局部改造,保留主桥臂,江都管理处根据“948”项目的整体要求:上位机通讯、监控、监测,本机操作与远方操作相结合,本柜有液晶显示,静态调试与实时运行参数,并可在线设定修改,恒功力因数最佳经济运行等方案的技术要求,由中标单位:苏州市友明科技有限公司设计制作 LZK-3同步电动机晶闸管励磁装置的控制箱及实施二次接线现场改造,投资25000元/台套,一次开机投运成功,超过了预期要求,使我国大型泵站同步电动机励磁装置第一个实现与上位计算机通讯,第一个实现中文界面显示的液晶屏。由此可见江都抓住水利部投资的机遇,经过 1年多的调研、论证,并进行了一系列的前期准备工作,设计规划《国内一流,国际先进》的机组监控关键技术的蓝图,引进美国 Honeywe11或 Modican等公司的小型监控系统设备及其它先进的控制技术;引进美国 Wonderware公司的工业组态软件,开发实时监控应用软件;引进部分传感器及数字仪表。于 1999年 2月 21日正式开始安装与调试,至4月 8日带负荷开机成功。

江都大型泵站 33台励磁装置,先后经过 3至 4次启用更新改造,现已应用苏州友明 23台新型三相半控桥微机励磁;北京前锋 10改进型三相全控桥双微励磁,正转电动抽水,TL1600-28/2600,1600kW;反转发电机 TLF562◦5-28/2600,562kVA可逆式轴流泵机组应用,为解决原电机定子变极发电带来的不便,此次改造增加一台 4300KW、3000V、25Hz同步电动机,同轴拖动一台 4000kW同步发电机变频机组,同时也增加 2台改进型三相全控双微机励磁,电机由上海电气集团上海电机厂有限公司制造。