微机励磁装置在南水北调大型泵站中的应用

2014-12-12赵孟博汪永进杨晓久何小军

江苏水利 2014年11期

赵孟博汪永进杨晓久何小军

（江苏省南水北调邳州站工程管理项目部，江苏徐州 221000）

励磁装置是同步电动机正常工作必不可少的一个重要设备，励磁装置工作的稳定性如何将直接关系到同步电动机及泵站的正常工作和安全运行。因此，如何选用性能可靠、操作简便的励磁装置就显得尤为重要。笔者主要以北京前锋科技有限公司生产的WKLF-102B 型微机全控励磁装置在南水北调邳州站中的应用为例，通过与传统励磁装置进行比较，从装置的组成、工作原理、优点以及在日常运行管理中应注意的问题等方面，对微机励磁装置在南水北调大型泵站中的应用进行深入论述，为南水北调大型泵站微机励磁装置的设计选型以及今后的管理、其他大型泵站的更新改造提供参考。

1 励磁装置概述

纵观励磁装置应用发展的历史，可将其概括为3 个阶段：①20 世纪70年代的KGLF 型励磁装置；②20世纪80年代末至90年代的BKL 型励磁装置；③20 世纪90年代末至现在的微机型励磁装置。新一代微机励磁装置主要以微处理器（CPU）作为核心控制部件，其应用打破了原励磁设备的基本机理，与前两种励磁系统相比，它具有结构更加模块化和集成化、控制和调节更加智能化、技术可靠性更高、保护功能更加完备、操作与维护更加方便，以及与上位机通讯更加容易实现等优点，克服了元件受温漂影响较大、启动脉振、外网电压或负载突然波动引起带励失步跳闸等缺点。因此，截至目前，微机励磁装置在大型泵站及其他同步电机上都有着十分广泛的应用。

2 微机励磁装置组成

WKLF-102B 型微机励磁装置，主要由装置硬件及配套专用软件组成，其中，硬件部分包括：三相全控桥式整流主回路，起动回路，空气开关，励磁变压器，测量指示元件、液晶触摸屏、风机单元，电源系统，接点量开入、开出部分，励磁电流、电压变送输出，Excitrol-100 微机励磁调节器，后台上位机通讯接口，就地计算机或MODEM 通讯接口切换板及用于测量指示的信号变送器等；配套专用软件主要是测量运算类、控制类和保护类软件。

2.1 主回路

本装置主回路采用三相全控桥式整流电路，由-V1～-V6 六个可控硅元件组成，主回路交流输入侧配有用于交流侧浪涌吸收的470V/10KA 三相△形连接的压敏电阻-RV1～-RV3，以及用于主桥可控硅及输出短路速断保护的三相快速熔断器-FU1～-FU3；每只快速熔断器均配有熔断指示单元，在快熔熔断时输出辅助接点至励磁调节器供保护之用。主回路单元还配置有用于正、负桥臂可控硅元件均压及可控硅换相过电压吸收的均压及阻容吸收板，其设备编号为-API。

2.2 Excitrol-100 励磁调节器

WKLF-102B 型微机励磁装置采用两台功能等同的Excitrol-100 型微机控制同步电动机励磁调节器作为励磁系统的A（-AA）、B（-AB）两套核心控制、调节及保护单元，两套调节器均能独立完成同步电动机的起动及再整步控制、励磁自动或手动调节、励磁系统的所有保护、多种模式的串行通讯及就地、远方操作等功能。装置的组成见图1。

2.3 测量指示元件

（1）本装置配置有用于励磁电流（-P1）、励磁电压（-P2）及定子电流（-P3）显示的常规表计，为显示直观，标准配置为指针式仪表。

（2）在励磁主回路上还配置有霍尔电流（-B1）和霍尔电压（-B2）传感器，用于励磁电流和励磁电压的测量。

（3）从电压互感器小母线上获取的三相母线电压信号通过熔断器-FU6、-FU7、-FU8 直接送至A、B 套励磁调节器单元。

（4）从机端电流互感器二次获取的A 相定子电流信号串联定子电流表计后，依次串联至A、B 套励磁调节器单元。

（5）用于可控硅同步触发控制的三相同步信号取自柜内励磁变压器二次侧，直接送至A、B 套励磁调节器单元。

3 微机励磁装置工作原理

根据同步电动机的运行特点，可将其工作过程分为异步启动、同步牵入、运行中及停运4 个基本阶段。与之相对应，也将微机励磁装置的工作过程分为滑差捕捉、投励、控制与调节及灭磁4 个基本环节。现就各个环节的工作原理分别进行介绍。

3.1 滑差捕捉

如图1 所示，电阻R7、二极管-V8、可控硅-V7 及测量励磁电压并监视起动回路状况的霍尔电压传感器-B2等构成了励磁装置的气动回路。当励磁系统检测到主机高压断路器QF 合闸时，同步电机即进入了异步启动状态，由于定转子的相对运动，在转子回路中会感应出交变电流。当转子感应电流If为正半波时，电流流通路径为：D1—-R8—-R7—-V8—-B1—C1—DI；当If为负半波时，在转子两端感应电动势的作用下，启动可控硅-V7触发导通，电流流通路径为：Cl—-B1—-V7—-R7—-R8—D1—Cl。这样，在电机启动过程中，转子感应电流可以无阻碍地流过启动（灭磁）电阻及安装于主桥输出母线上的霍尔电流传感器-B1 等。-B1 再将转子感应电流放大变换送入Excitrol-100 微机励磁调节器进行处理，实现捕捉滑差的目的，为励磁装置的实时准角投励做好充分准备。而在电机起动时，励磁调节器控制起动可控硅V7 保持低定值（10～30 V）导通状态，通过-V8 和-V7将起动电阻-R7 接入电机转子回路，以改善电机的起动力矩，使起动过程平稳迅速。投入正常励磁后，励磁调节器控制起动可控硅-V7 保持高定值（>500 V）导通状态，同时，励磁调节器不断监视起动回路状态，并在起动回路开通时即时控制起动回路关断，以防止起动电阻过热。本装置没有设置专门的起动回路试验按钮，在调试位投励试验时，调节器自动进行起动回路开通及关断试验，起动回路不能正常开通或开通后无法关断都能报警并显示相应故障信息。

图1 微机励磁装置组成示意图

3.2 投励

随着电机启动过程的推进，定转子间的滑差（转差）率在逐渐减小，当转速达到亚同步转速（95%的同步转速）、滑差率为5%时，不能立即投励，因为这样会对电机造成较大的冲击，因此，需等待至正半波末尾过零点，此刻投入励磁对电机冲击最小，且启动过程平稳、快速、基本无脉振，这就是通常所说的反极性末尾准角投励。

3.3 控制与调节

为了提高同步电机及机组的动态稳定性，减小电机由于电网或负载波动而导致电机失步的几率，确保泵站运行的连续性与稳定性，Excitrol-100 型微机励磁调节器的励磁调节方式设有自动、手动和开环三种模式。

自动模式为励磁系统正常工作模式，在该模式下励磁调节器投入双闭环励磁调节器，其内环为励磁电流调节，外环可由用户指定为恒功率因数（常规模式）或恒无功功率调节（特殊模式），励磁系统通过自动调整励磁电流给定值维持功率因数或无功功率恒定，不受电网或负载波动影响；自动模式提高了同步电机及机组的动态稳定性，减小了电机由于电网或负载等突然波动而导致电机失步的机率，确保了生产工艺的连续性与稳定性。手动模式只在试验或功率参数测量回路故障导致外环调节器失效时使用，在手动模式下，外环调节器（恒功率因数或恒无功功率）退出运行，调节器按恒励磁电流调节，保持励磁电流的实际输出值与给定值相等。开环模式为极端保守运行模式，只在励磁电流测量回路故障导致内环调节器失效时自动投入，在该模式下，所有励磁限制、调节功能全部退出，保护功能除调节器自身硬件监测外也全部退出，仅维持励磁系统最基本运行。

励磁调节器的各种运行模式均可在试验时手动切换；两种自动模式之间、自动与手动模式之间交替切换时励磁输出没有波动。无功功率自动调节模式通常只在对其调节器参数整定时启用，在电机正常运行时不要人为选择该模式；但在功率因数自动调节模式下，过励限制动作或有功功率低于闭锁定值（最小无功限制启动）时会自动嵌套运行无功功率自动调节模式，以确保机组运行的安全性。同步电动机V 形曲线见图2，同步电动机功角特征见图3。

3.4 灭磁

同步电动机通常工作在过励状态（功率因数超前，发无功），其转子绕组是一种大电感负载，当断路器分闸时，在断路器分闸的瞬间，尽管励磁电压消失，励磁电流仍会继续维持一段时间，电机机端电压高于电网电压，如不迅速可靠地进行灭磁，轻则造成电机转子、定子绝缘损坏，影响电机使用寿命，重则会诱发电机起火烧坏事故。因此，采取快速有效的灭磁方式，对泵站的安全运行至关重要。

图2 同步电动机V 形曲线

在WKLF-102B 型微机励磁装置中，无论是手动灭磁、正常停机灭磁，还是保护（如失步）动作灭磁，都会启动灭磁子程序。具体方法为：按下按钮即启动灭磁控制投入。励磁工况为“工作”且电机正常运行时，上述所有按钮操作无效，只有电机停机（包括正常或事故停机，判别依据为断路器辅助接点分且定子电流小于5%）或外部灭磁输入接点吸合（-X5 端子排编号为15 和19 号端子）才会启动灭磁控制投入。现场有灭磁再整步试验要求时，可通过短时间短接外部灭磁输入接点进行试验。灭磁控制投入后即启动逆变灭磁。调节器强制输出可控硅触发导前角为150°，主回路三相整流桥输出负电压，转子储能通过整流桥及励磁变压器回送电网，励磁电流逐渐衰减至零后停止触发脉冲，即告灭磁结束。正常逆变灭磁时间应小于1 s，若逆变灭磁启动3 s 后励磁电流仍没有衰减至零，则认为逆变灭磁失败，调节器将停止触发脉冲使主桥处于续流灭磁状态，同时启动10 s 定时；在定时时间到而励磁电流仍没有衰减至零，则动作于空气开关跳闸。

4 微机励磁装器的优点

作为新一代的升级换代产品，与传统的励磁装置相比，无论是从可靠性、功能、控制与调节方式，还是通迅等方面，WKLF-102B 型微机励磁装置都有了长足的进步，具有诸多传统装置所不具备的优点，具体叙述如下。

图3 同步电动机功角特性

4.1 技术可靠性高［2］

WKLF-102B 系列微机控制同步电动机励磁装置作为最新一代同步电动机励磁系统，其核心控制单元为Excitrol-100 型微机控制同步电动机励磁调节器；该励磁调节器为结构独立的控制单元，其涵盖了励磁系统所有测量、控制、调节与保护功能；Excitrol-100 励磁调节器采用具有超大规模集成度的32 位嵌入式DSP 处理器作为核心控制单元，其150 MHz的主时钟频率足以应对任何复杂的快速运算；Excitrol-100 励磁调节器内部几乎所有模拟量测量均采用快速傅立叶变换（FFT）运算，具有极高的工业现场抗干扰能力。

4.2 内置录波器功能强大

励磁调节器内部配置有可同时录制两路模拟量和八路接点量的录波器；最大录波分辩率为每周期（每20 ms）128 点，最大录波时长为76 s，在录波时长内可任意配置录波追忆时间；两路模拟量可根据需要选择配置为调节器采集的所有模拟通道中的任意两个通道；录波器可手动触发或自动触发，配合Excitrol—soft 软件包中的波形分析功能很方便地实现波形分析、存储、打印等。

4.3 操作、调试和维护简单方便

支持多种控制操作模式，包括：就地面板按钮操作，带触摸屏的就地液晶面板操作，就地PC 机运行Excitrol—soft 软件包操作，远方RS485 接口后台PC 机操作，通过外置调制解调器及公用电话线网络与远程PC 机连接实现远程操作、调试及故障诊断。

4.4 故障检测、定位及显示智能化

本装置具有完备的事件记录、故障检测、定位及显示功能，对各种报警信息可追溯。在运行过程中，装置不断地对硬件及软件进行扫描检测，实时监视记录设备的运行状态和参数，如：断路器的状态、机组启动时间等。一旦发现故障或异常，便由蜂呜器报警和灯光指示，用户可根据主机箱面板指示灯指示情况和读写器显示内容，判明详细故障类型及定位故障发生地点，极大地方便了工程技术人员对装置故障进行准确分析和及时处理。

4.5 保护功能强大

Excitrol-100 型微机励磁调节器配置功能丰富的励磁保护限制软件，包括：调节器硬件监视、励磁关联硬件监视，励磁运行监视及保护，励磁限制等三大类别；调节器自身软件运行的可靠性则由DSP 内部及外部两级“看门狗”保证，软件运行出错时自动复位DSP，以实现软件故障自恢复。

4.6 通讯更加方便

Excitrol-100 励磁调节器提供有4 个异步串行通讯接口，分别为：隔离的标准9 线制RS232 串行通讯接口，用于与就地PC 机直接连接或通过调制解调器及公用电话网与远程计算机连接；隔离的RS485 串行通讯接口，用于与就地液晶操作面板连接；CAN 总线串行通讯接口，用于双调节器配置时双机数据交换；隔离的RS485 串行通讯接口，用于调节器与后台计算机通讯，支持后台测控。