江都大型泵站同步電機(jī)勵(lì)磁裝置更新改造的研討

徐冰凌,郭 平,華 駿,杜治潮

(江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 江都 225200)

1 前言

江都大型泵站同步電動機(jī)勵(lì)磁裝置先后采用了交流電動機(jī)拖動直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、三相橋式半控整流勵(lì)磁(有續(xù)流二極管)、三相橋式全控整流勵(lì)磁、三相橋式半控整流勵(lì)磁(無續(xù)流二極管)、三相橋式全控整流勵(lì)磁(滅磁回路改進(jìn)型)。其控制器由三極管、單結(jié)晶體管分立元件及小規(guī)模集成混合式模擬控制;不斷更新改造為 8位、16位、32位 CPU單片機(jī)控制的數(shù)字式控制器;由按紐操作、電位器增減磁調(diào)節(jié),改造為觸摸屏人機(jī)對話,免去電位器調(diào)節(jié)的煩惱;由柜體現(xiàn)場觀表控制,改為控制室遠(yuǎn)方上位機(jī)顯示、故障報(bào)警、監(jiān)控監(jiān)測;直流電流繼電器失磁、失勵(lì)保護(hù),改為“SBZ”同步電動機(jī)失步保護(hù)及帶載自動再整步技術(shù),使晶閘管勵(lì)磁裝置的科技含量提高到新水平,更安全可靠。

2 歷年勵(lì)磁改造主橋電路概述

2.1 江都早期用晶閘管勵(lì)磁

1973年由北京一機(jī)部機(jī)電研究所研制,1974年投運(yùn)的三相半控橋晶閘管勵(lì)磁裝置,在我國水利發(fā)展史上發(fā)生了直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的變革;武漢水利學(xué)院在湖北省湯遜湖泵站研制三相半控橋勵(lì)磁裝置觸發(fā)控制電路,其間也有不少工廠研制并投產(chǎn)。

我國早期勵(lì)磁絕大部分是使用晶閘管三相橋式半控整流固接勵(lì)磁,例如,江都一站、二站、三站共26臺套,整流電壓出端并接續(xù)流二極管,會產(chǎn)生附加的制動轉(zhuǎn)矩。經(jīng)多年的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐證明當(dāng)電網(wǎng)電壓低于 90%以下起動同步電動機(jī)水泵機(jī)組時(shí),這一制動轉(zhuǎn)矩就起到一定的壞作用,可能會使電動機(jī)起動失敗。

在 1975至 1985年 10年左右的時(shí)間里,白天8∶00至21∶00前為用電高峰期,揚(yáng)州地區(qū)電網(wǎng)電壓普偏低 15%左右,第一臺機(jī)有時(shí)要啟動多次,不得不改變單結(jié)晶體管的鋸齒波振蕩周期,以改變投勵(lì)時(shí)間早一點(diǎn)牽入同步,當(dāng)時(shí)采用 GL型反時(shí)限過電流電磁繼電器保護(hù)也不得不改變定子電流保護(hù)定值,甚至在緊急情況下下放保護(hù)強(qiáng)制冒險(xiǎn)開機(jī),當(dāng)?shù)谝慌_開出投運(yùn)后加大調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓和電流,使同步電動機(jī)運(yùn)行在強(qiáng)勵(lì)磁工況,功率因數(shù)在超前 0.95左右,把 5400V左右的電壓通過多發(fā)無功來補(bǔ)償供電網(wǎng)路的功率因數(shù),以達(dá)到提高開機(jī)電壓接近6000V,以后幾臺就好開出了;有時(shí)晚上開不出,寒冬臘月大運(yùn)河要通航補(bǔ)水,網(wǎng)路電壓要等到深夜12∶00,還要開幾次才能開好。經(jīng)過學(xué)習(xí)蔣宗道(研究員級高級工程師)的理論才明白是續(xù)流二極管制動轉(zhuǎn)矩的影響,當(dāng)然還與電網(wǎng)容量供不應(yīng)求有關(guān);現(xiàn)在都高于 6000V,有時(shí)甚至到 6100～6300V,由于啟動電壓高于電機(jī)額定電壓 6000V,啟動繞組產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩快速上升,接近同步轉(zhuǎn)速“約0.95ns”時(shí),順極性準(zhǔn)角投入直流電流勵(lì)磁,依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極之間的吸引力,將同步電動機(jī)牽入同步速度運(yùn)行。

2.2 全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)三相橋式全控整流電路

一機(jī)部于1976年規(guī)定“今后停止生產(chǎn)半控勵(lì)磁裝置”。其間安排一機(jī)部天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究院,成立同步電動機(jī)晶閘管勵(lì)磁課題組,設(shè)計(jì)三相全控橋晶閘管整流固接勵(lì)磁,在輸出端不用并接“續(xù)流二極管”這樣就使得同步電動機(jī)在起動過程轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組感應(yīng)的交變電壓正、負(fù)兩半波都可以經(jīng)放電電阻起動,因此不會產(chǎn)生附加的制動轉(zhuǎn)矩,從而保證了同步電動機(jī)的固有起動特性。

在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)情況下列為全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)圖紙,并由北京、上海、西安、襄凡、青島等整流器廠生產(chǎn)。幾年間有近千臺套投運(yùn),在各行各業(yè)也集中反應(yīng)出不少的故障,有關(guān)故障直接影響大型水泵機(jī)組及各行各業(yè)機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行。一時(shí)間,我國在靜態(tài)晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展過程中流行的一種觀點(diǎn):“全控勵(lì)磁裝置先進(jìn),半控勵(lì)磁裝置有啟動性能差等缺點(diǎn)應(yīng)被淘汰”的論述也遭到工程技術(shù)人員的質(zhì)疑。

2.3 無續(xù)流二極管新型三相橋式半控整流電路

二機(jī)部同步電動機(jī)運(yùn)行技術(shù)研究服務(wù)部蔣宗道教授指出:他既不同意用全控勵(lì)磁去淘汰半控勵(lì)磁,也不提倡用半控勵(lì)磁完全取代全控勵(lì)磁。要具體情況具體分析,大部分情況下采用半控橋式勵(lì)磁線路為宜,對于勵(lì)磁繞組電磁時(shí)間常數(shù) Tdo較小的中小容量同步電動機(jī),一般采用簡易半控勵(lì)磁裝置就能滿足要求。對于時(shí)間常數(shù) Tdo較大的,中型同步電動機(jī),一般應(yīng)采用快速滅磁半控勵(lì)磁裝置。勵(lì)磁容量較大,額定壓較高,裝有快速自動勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,且要求較高的調(diào)節(jié)速度,較寬的調(diào)節(jié)范圍等特殊條件,則應(yīng)選用全控勵(lì)磁線路;三相半控橋采用勵(lì)磁輸出端無并聯(lián)續(xù)流二極管的蔣宗道研制的既簡單又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改進(jìn)型三相半控勵(lì)磁主回路,就是取消 DQ續(xù)流二極管的陽極接線端,將其陽極端與 KQ啟動晶閘管的陰極相連接,形成與啟動晶閘管 KQ反向并聯(lián),此時(shí)的二極管依具功能已稱為啟動二極管,就可以得到與全控橋勵(lì)磁裝置相同的異步啟動性能;我們再來回顧一下老式的三相半控橋整流輸出端在同步電動機(jī)勵(lì)磁繞組接有續(xù)流二極管,在電機(jī)啟動時(shí)使轉(zhuǎn)子回路交流感應(yīng)電流的正、負(fù)兩半波不對稱,導(dǎo)致電機(jī)異步啟動性能嚴(yán)重變壞,經(jīng)過這樣的分析可以看出是主張?zhí)蕴鲜饺喟肟貥虻母纠碛伞６倪M(jìn)型的三相半控橋能夠保證流經(jīng)勵(lì)磁繞組閉合回路的感應(yīng)電流具有對稱的正、負(fù)兩半波,以免由于感應(yīng)電流的直流分量引起振蕩轉(zhuǎn)矩和異步轉(zhuǎn)矩。

2.4 失控問題的妥善解決

問題并不是這樣簡單的解決了,無續(xù)流二極管的三相半控勵(lì)磁電路,就要首先解決“失控”問題。其一是換流失控,即當(dāng)控制角 α很大,勵(lì)磁電流很小時(shí),由于換流失敗而造成失控,這很容易采取控制角限位措施,對移相插件稍加改進(jìn),或在 CPU控制取樣中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)后立即發(fā)出控制角限位信號加以妥善解決;其二是停機(jī)失控,即停機(jī)時(shí),在同步觸發(fā)脈沖停止,勵(lì)磁電源仍然存在的條件下,由于電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感放電,造成續(xù)流而引起失控,很容易采用“斷勵(lì)續(xù)流滅磁”,或采用快速滅磁電路,因而就不存在停機(jī)失控的問題;其三是三相半控橋有時(shí)會有失控現(xiàn)象,是由于晶閘管勵(lì)磁裝置本身故障所致,如移相插件故障,同步觸發(fā)脈沖插件故障,主回路晶閘管不能正常開通,或有一相同步觸發(fā)脈沖因故障而停發(fā)時(shí)就會進(jìn)入故障失控狀態(tài),在 CPU控制的三相半控?zé)o續(xù)流二極管勵(lì)磁裝置中相關(guān)控制信號出現(xiàn)干擾或運(yùn)行失調(diào)時(shí)會造成失控,這些都稱為故障失控。此時(shí),主橋臂上三相晶閘管中的某一相處于全開放狀態(tài),在 2/3周期,240°電角度內(nèi),該相晶閘管工作于整流工況,勵(lì)磁電源向電機(jī)勵(lì)磁繞組供電,轉(zhuǎn)子電壓波形用示波器觀察到“雙峰山包”波形,而另外 1/3周期,120°電角度內(nèi),該相晶閘管工作于續(xù)流工況,電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感儲能經(jīng)該相晶閘管元件續(xù)流放電,轉(zhuǎn)子電壓波形出現(xiàn)一個(gè)平直低谷。“雙峰山包”和“平直低谷”反復(fù)交替出現(xiàn),是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓失控時(shí)波形的一個(gè)顯著特點(diǎn)。監(jiān)測轉(zhuǎn)子電壓波形,可以構(gòu)成簡單而可靠的失控保護(hù),可以通過本柜或上位機(jī)監(jiān)測、監(jiān)控,聲、光報(bào)警自動清除失控或提醒人工復(fù)位按鈕解除此類故障失控。

2.5 快速滅磁性能

同步電動機(jī)因受某些擾動發(fā)生斷電失去同步時(shí),為使電機(jī)在電源重新恢復(fù)瞬間,免遭非同期沖擊,要求在 0.2～0.3s時(shí)間內(nèi),把轉(zhuǎn)子繞組中電流所產(chǎn)生的勵(lì)磁電動勢下降到其額定值的 36%左右;正常停機(jī)也盡可能通過滅磁電阻和 DQ、KQ反向并聯(lián)的滅磁回路釋放磁場能量,合理設(shè)計(jì)的勵(lì)磁系統(tǒng)必須具備良好的快速滅磁性能。

2.6 三相橋式全控整流啟動滅磁電路

三相全控橋的滅磁啟動電路也作了簡化改進(jìn),將原來 7KGZ、8KGZ兩個(gè)串聯(lián)晶閘管改為一個(gè)啟動晶閘管 KQ,去掉了“熄滅線”。啟動晶閘管采用低通啟動,高通運(yùn)行,由此可見與蔣宗道創(chuàng)立的三相半控橋滅磁電路相同。

2.7 失步再整步

1979年蔣宗道根據(jù)大型高壓同步電動機(jī)自動再整步過程的研究,及同步電動機(jī)失步再整步過程的分析,再次設(shè)計(jì)研制出同步電動機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的改進(jìn)線路。即主回路無續(xù)流二極管型三相半控勵(lì)磁裝置,并在《電世界》、《冶金自動化》及北京土木建筑學(xué)會 1979年學(xué)術(shù)年會發(fā)表:論同步電動機(jī)晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)所應(yīng)該具有的技術(shù)性能。自 1981年推出BKL-1型新型無續(xù)流二極管三相半控橋式整流勵(lì)磁裝置,在國內(nèi)首創(chuàng)實(shí)現(xiàn)了控制插件,冷卻風(fēng)機(jī)故障下不停機(jī)更換,(把續(xù)流這一有爭議特色的壞事變成在一定條件下轉(zhuǎn)化為無害的好事,可合理利用短時(shí)間的過渡性工況,使裝置獲得了正常運(yùn)行中不停機(jī)、不減載地更換各類控制插件的技術(shù)性能),保證同步電動機(jī)的穩(wěn)定同步運(yùn)行,并具有帶載不停機(jī)更換故障插件,失步帶載自動再整步的功能。其“SBZ”和“FQZ”系列產(chǎn)品為我國首創(chuàng),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在國際上均處于領(lǐng)先地位,擁有多項(xiàng)國家專利;并被列為國家“八?五”,“九?五”期間重點(diǎn)新技術(shù)推廣項(xiàng)目,屬國家級新產(chǎn)品;在國內(nèi)受到了廣泛歡迎和選用,其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)于 KGLF-10型三相全控橋晶閘管整流勵(lì)磁裝置。投運(yùn)近數(shù)千臺套電機(jī)容量從 250KW-10000KW,為廣大用戶帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3 現(xiàn)代微機(jī)控制

近幾年來勵(lì)磁裝置的產(chǎn)品設(shè)計(jì),在科學(xué)發(fā)展觀的理論指引下,研發(fā)思路更加開拓,在市場經(jīng)濟(jì)的游戲規(guī)則下,出現(xiàn)了百花齊花,百家爭鳴。將數(shù)種勵(lì)磁裝置控制板塊功能作用綜合分析,可以看出隨著改革開放與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,不斷升級換代,采用新技術(shù)、新工藝、新器件、新材料以及進(jìn)口器件。

相繼有中國核工業(yè)電機(jī)運(yùn)行開發(fā)公司、蘇州市友明科技有限公司、北京前鋒科技有限公司、北京冶金自動化研究院伺服所、長沙偉定達(dá)電氣自動化工程有限公司、蘇州市蘇開電氣成套公司等研發(fā)并投產(chǎn),鑒于體制等因素上整、北整、西整等老牌整流器廠的勵(lì)磁裝置競爭力日益凋謝。以上公司的產(chǎn)品有的在我處投運(yùn)也有的在一些泵站廠礦接觸,其基本看法是根據(jù)蔣宗道創(chuàng)立的同步電動機(jī)異步起動、快速滅磁、亞同步速準(zhǔn)角投勵(lì),失步再整步等理論加上現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù):采用 8位、16位、32位 CPU,程序控制器,觸摸屏液晶顯示及 PLC上位機(jī)通訊取得了令人滿意的產(chǎn)品。

與上述 KL型,LGLF-10型,SBZ-101型等傳統(tǒng)勵(lì)磁都采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,正弦波移相觸發(fā)電路,鋸齒波同步觸發(fā)電路等,都是分立元件組成或分立與集成電路混合式的控制器電路有很大的區(qū)別。

3.1 控制器電路的組合功能

隨著數(shù)字控制技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)飛速的發(fā)展和日趨成熟,勵(lì)磁控制已實(shí)現(xiàn)從原有的模擬式向數(shù)字式的轉(zhuǎn)變,近十年來在大型泵站及石油化工等行業(yè)微機(jī)勵(lì)磁的硬件和軟件已在同步電機(jī)勵(lì)磁裝置中普遍采用。

3.1.1 勵(lì)磁控制器國外狀況探索

20世紀(jì) 50年代以來磁放大器出現(xiàn)后,廣泛采用磁放大器和電磁元件組成電磁型調(diào)節(jié)器,用于直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng);

20世紀(jì) 60年代初期隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,1957年美國 GE公司發(fā)明了晶閘管,開始采用由半導(dǎo)體元件組成的半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

以上兩種調(diào)節(jié)器均屬于模擬式調(diào)節(jié)器,其綜合放大,移相觸發(fā)和調(diào)差環(huán)節(jié),全由相應(yīng)的硬件電子電路完成,要實(shí)現(xiàn)手動與自動調(diào)壓、低勵(lì)限制、過勵(lì)限制等多種控制功能,隨著單機(jī)容量的不斷增大,同步電機(jī)對勵(lì)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,如更優(yōu)良的勵(lì)磁調(diào)節(jié)性能,有更多的限制、報(bào)警、保護(hù)等附加功能。顯然,常規(guī)模擬式的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器難以滿足如此高的性能要求,在這種情況下,隨著數(shù)字控制技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟,采用數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已成為發(fā)展趨勢。微機(jī)勵(lì)磁控制器電壓偏差的計(jì)算、移相觸發(fā)、調(diào)差環(huán)節(jié)、低勵(lì)限制、過勵(lì)限制都可以由軟件來完成不需要增加相應(yīng)功能的硬件電路。同時(shí),各種控制功能都可以根據(jù)需要進(jìn)行取舍,十分靈活。在模擬式調(diào)節(jié)器中很難實(shí)現(xiàn)甚至無法實(shí)現(xiàn)的許多控制功能,在微機(jī)式勵(lì)磁控制器中則很容易實(shí)現(xiàn)。

國外微機(jī)控制器進(jìn)入實(shí)用是在 20世紀(jì) 80年代,除單微機(jī)以外又研制了雙微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,日本東芝公司、加拿大通用電氣公司、瑞士 ABB公司、德國 SIEMENS公司、英國 GEC公司等。這些大公司均具有很強(qiáng)的科研開發(fā)能力,勵(lì)磁控制器所用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般都以專用的高速可編程序控制器或高速微處理器為核心采用自行研制的專用控制板組成,從而具有結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.2 我國勵(lì)磁控制技術(shù)

20世紀(jì) 60年代前使用交流電動機(jī)拖動的直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以及硅整流勵(lì)磁裝置,由三相感應(yīng)調(diào)壓器,整流變壓器,6只二極管連接成三相橋式整流組合而成。

自從我國 1964年誕生第一個(gè)晶閘管以后,電力電子技術(shù)有了快速的飛躍發(fā)展,KLF型勵(lì)磁裝置是20世紀(jì) 70年代初最早的一代晶閘管勵(lì)磁裝置,1974年一機(jī)部機(jī)電研究所研制的三相半控橋式勵(lì)磁裝置(有續(xù)流二極管)首先在江都大型抽水機(jī)站800kW同步電動機(jī)水泵機(jī)組更換直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,其控制器的移相觸發(fā)單元是用來得到相位角與控制電壓成比例的觸發(fā)脈沖信號,從而控制晶閘管的控制角 a;移相電路是采用的分立元器件組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器附加輸入控制,偏置電壓,輸出脈沖和同步信號電路組成轎。

1976年采用全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)的三相全控橋,其控制器是采用單結(jié)晶體管觸發(fā)脈沖插件,移相插件,投勵(lì)全壓插件,附加脈沖與三相全控橋“逆變”環(huán)節(jié),無功補(bǔ)償插件,時(shí)間保護(hù)環(huán)節(jié),滅磁環(huán)節(jié)。

1979年蔣宗道推出無續(xù)流二極管三相半控橋勵(lì)磁裝置,其控制器已采用分立元器件與小規(guī)模集成電路相結(jié)合。有 KPD板,LED板,8位數(shù)碼顯示器,(參數(shù)代碼)又分為運(yùn)行參數(shù)代碼,控制參數(shù)代碼插件機(jī)箱、啟動單元、阻容滅磁單元、繼電器單元、風(fēng)格單元、控制電路十分復(fù)雜,有一塊繼電器盤及很多插件板上也有繼電器,總共有 30多個(gè),現(xiàn)在 PLC編程控制就很容易解決,主要是相關(guān)的功能太多了。

我國第一臺投入現(xiàn)場運(yùn)行的微機(jī)勵(lì)磁控制器是電力部南京自動化研究所研制的 WLR-1型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,于 1985年在福建池潭發(fā)電廠投入運(yùn)行,WLT-1勵(lì)磁控制器以 8位單板機(jī) 8085為核心,采用 PID調(diào)節(jié)方式。

清華大學(xué)分別與哈爾濱電機(jī)廠和北京重型電機(jī)廠合作,研制了全數(shù)字式勵(lì)磁控制器。

中國電力科學(xué)研究院與南京自動化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)自動勵(lì)磁控制品,在控制規(guī)律上以 PID控制為主,同時(shí)引入了 PSS附加控制。

華中科技大學(xué)先后與東方電機(jī)股份有限公司和葛州壩電廠能達(dá)通用電氣有限公司合作,開發(fā)了線性最優(yōu)和自適應(yīng)最優(yōu)微機(jī)控制器,還有各大專院校、科研所、發(fā)電廠的創(chuàng)新精神。15年來,我國在微機(jī)控制器的研究開發(fā)領(lǐng)域及軍工、電力、冶金、石油、化工、灌排水泵站、煤氣、礦山等行業(yè)推廣應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn),取得了豐碩的成果。

20世紀(jì) 80年代末同步電動機(jī)勵(lì)磁受電力部門研制的同步發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁影響,由年青專業(yè)勵(lì)磁工作者先后在北京前鋒,蘇州友明拉開了研發(fā)微機(jī)勵(lì)磁的序幕,在 90年代初投入運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)時(shí)使用8031,8751,MC68HC11A8單片機(jī)系統(tǒng)及 8253專用定時(shí)器,使觸發(fā)脈沖的精度大大提高。

經(jīng)過近十幾年的從無到有,傳統(tǒng)同步電動機(jī)勵(lì)磁嚴(yán)重老化,故障頻發(fā),直接影響大型泵站及工業(yè)設(shè)備的安全運(yùn)行,帶來了技術(shù)創(chuàng)新景象,競爭的紛圍也推動了微機(jī)勵(lì)磁技術(shù)的性能不斷升級,完善和日趨于成熟。

4 微機(jī)控制器的特點(diǎn)

4.1 微機(jī)控制器的特點(diǎn)

(1)微機(jī)勵(lì)磁控制器可靠性高,這是數(shù)字電路自身的可靠性高,通常采用多微機(jī)冗余設(shè)計(jì),多個(gè)通道互相跟蹤,互為備用,可實(shí)現(xiàn)自動切換,再加上控制規(guī)律由軟件實(shí)現(xiàn),減少了硬件電路,使得由于控制器硬件電路故障而造成大型泵站停機(jī)時(shí)間大為減少,這是我們專業(yè)維修人員的切身體會。

(2)微機(jī)勵(lì)磁控制器硬件結(jié)構(gòu)簡單,很多限制功能只需通過編寫相應(yīng)的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn),不必增加任何硬件,這樣就大大降低了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性,方便生產(chǎn),調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)。

(3)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特別是控制靈活、速度快、存儲量大和邏輯判斷功能,因此可以實(shí)現(xiàn)高級復(fù)雜的勵(lì)磁控制策略,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、非線性控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,從而可以大大豐富和增強(qiáng)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制功能,改善電機(jī)運(yùn)行特性。

(4)控制準(zhǔn)確、精度高、在線改變參數(shù)方便,其中信號處理和控制規(guī)律都由軟件來完成,信號處理和控制精度高。同時(shí),電壓給定、放大倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)等控制都由軟件來完成,在線調(diào)整設(shè)定參數(shù)方便、快捷、沒有電位器帶來的煩惱。

(5)可實(shí)現(xiàn)自診斷、自檢測技術(shù)、充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度及軟件的優(yōu)越性,定期地對重要硬件部件和軟件進(jìn)行檢查和監(jiān)視,一旦出錯(cuò),處理器對其故障進(jìn)行甄別,并作出相應(yīng)的處理,在顯示故障消息的同時(shí),或報(bào)警或進(jìn)行調(diào)節(jié)器切換或發(fā)出停機(jī)信號等,最大限度地保證了調(diào)節(jié)器在運(yùn)行過程中的透明度,進(jìn)一步保證了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

(6)數(shù)字電路不存在溫漂問題,元件使用壽命長,不存在參數(shù)變化的影響。

(7)通信方便,可以通過通信總線,串行接口方便靈活接入泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),便于遠(yuǎn)方控制和實(shí)現(xiàn)泵站機(jī)縱的綜合協(xié)調(diào)控制?？膳c上位計(jì)算機(jī)通信,傳送數(shù)據(jù),接受指令。

(8)可以統(tǒng)一設(shè)計(jì)硬件電路,便于產(chǎn)品更新?lián)Q代。由于軟件設(shè)計(jì)具有很大靈活性,使得控制策略的改變和控制功能的增加通常只需要在軟件上加以改進(jìn),加速產(chǎn)品升級換代。

(9)有效降低整套裝置成本,并具有體積小,重量輕的特點(diǎn)。

4.2 微機(jī)勵(lì)磁控制器的總體結(jié)構(gòu)

(1)硬件構(gòu)成以微機(jī)系統(tǒng)為中心,另輔加一些外圍接口構(gòu)成。微機(jī)系統(tǒng)從功能上分,其系統(tǒng)各公司也不完全相同,主要包括以下幾個(gè)部分及類型:

SRD總線 CPU系統(tǒng)板:它是微機(jī)系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)管理微機(jī)系統(tǒng)中所有模板,并執(zhí)行微機(jī)勵(lì)磁控制器的軟件,如果它出故障,微機(jī)系統(tǒng)即無法正常運(yùn)行。

A/D轉(zhuǎn)換板:用于 TV,TA來的交流和直流模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。

開關(guān)量輸入板:用于開關(guān)量的邏輯控制,負(fù)責(zé)光耦隔離輸入各項(xiàng)開關(guān)狀態(tài)以及控制信號,如斷路器分合狀態(tài)、開機(jī)、停機(jī)、增磁、減磁信號等采用光耦隔離輸出觸發(fā)脈沖,以及其它信號,如各種勵(lì)磁限制動作信號等。

開關(guān)量輸出板:用于光耦隔離輸出半控 3個(gè)全控 6個(gè)觸發(fā)脈沖,各種勵(lì)磁限制動作信號。

定時(shí)/計(jì)數(shù)板:用于頻率測量,以及觸發(fā)脈沖 a角及寬度的定時(shí),以及時(shí)鐘、錄波、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間等。

人機(jī)接口板:從早期讀寫器代碼顯示,8寸小液晶中文介面在線顯示或微動按鈕選擇,不斷產(chǎn)品升級,發(fā)展觸摸屏(PLC)是人機(jī)界面,江都泵站值班員已可以在觸摸屏的屏幕上觸摸按鍵,畫面上就地顯示和修改各種運(yùn)行狀態(tài)和各整定參數(shù):人機(jī)對話功能、開機(jī)、裝置運(yùn)行主畫面;表與點(diǎn)行參數(shù)顯示、記錄裝置各部輸出波形曲線、裝置設(shè)置菜單子畫面;閉環(huán)運(yùn)行方式設(shè)置、通訊設(shè)置畫面;修正顯示誤差、故障記錄趨勢圖子畫面,還有報(bào)警、用戶管理、數(shù)據(jù)記錄、通信、顯示和打印圖表等。

一些非電量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量的方法:風(fēng)機(jī)停風(fēng)檢測,快速熔斷器熔斷檢測,硅元件溫度及干式勵(lì)磁變壓器溫度檢測,勵(lì)磁電流由霍爾電流傳感器等。

通信板:用于接收和發(fā)送至上位機(jī)和其它微機(jī)的命令和信息。

同步信號板:對于同步信號 TV來的 12V交流信號進(jìn)行降壓、濾波和整形,其輸出為三相交流同步信號相對應(yīng)的三相方波信號。

RS385通訊接口:按用戶需求而制定的通訊規(guī)約進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊不但起到監(jiān)測的作用,更重要的是監(jiān)控作用通訊口的就地錄波,遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)通訊。

主機(jī) S7-200是個(gè) 32位單片機(jī):它由中央處理器(CPU),系統(tǒng)程序存儲器(一般為編程只讀存儲器 RAM或 ERROM)用戶程序存儲品(使用隨機(jī)存取存儲器 RAM,輸入/輸出(I/O)接口編程器接口及一些其它特殊接口電路組成,通過輸入輸出模塊讀入現(xiàn)場信號,處理結(jié)果通過輸出模塊送去外部設(shè)備,按用戶要求工作。主機(jī)內(nèi)的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存在 PCL的主機(jī) I/O接口與現(xiàn)場的輸入,輸出信號之間加入了由光電耦合電路組成的輸入、輸出模塊,以保證主機(jī)與外界強(qiáng)電電路可靠隔離。

雙微機(jī)主、副熱備,無擾動自動切換,無論是三相半控及三相全控都可具有,進(jìn)一步提高控制器的可靠性。

(2)外圍接口

測量濾波部分:它把 TV、TA交流,經(jīng) RC濾波變成峰值為幾伏的交流電壓信號,勵(lì)磁電流采樣由分流器或霍爾電流傳感器,定子電壓,電流分別由信號變換器隔離輸入輸出開關(guān)量均通過繼電器,光耦隔離提高抗干擾能力,進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換板。

觸發(fā)脈沖放大部分:同步電壓取樣、電流取樣、電壓與電流輸出設(shè)定,閉環(huán)觸發(fā)脈沖信號輸出與抗干擾功能合為一體;具有不大于 1%的輸出精度,自動作用于過壓、過流、斷相保護(hù),能在各種惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行,閉環(huán)控制由 PLC通過自動選定的變送器取樣信號與設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)為依據(jù),實(shí)現(xiàn)通過選定的運(yùn)行方式使對應(yīng)的電量變送器作為閉環(huán)取樣信號輸入;可觸發(fā)相移角從 10～175°變化;微機(jī)發(fā)出來的是功率很小的 3個(gè)(三相半控橋)或 6個(gè)(三相全控橋)觸發(fā)脈沖,經(jīng)過功率管及脈沖變壓器進(jìn)行功率放大觸發(fā)晶閘管。

微機(jī)用的電源:為微機(jī)系統(tǒng)提供電能,要求其可靠性高,有多種交流和直流電源。

(3)軟件構(gòu)成

實(shí)時(shí)控制軟件主要包括:主程序 A/D采樣程序,控制量計(jì)算程度,勵(lì)磁限制程序,同步信號處理及觸發(fā)脈沖形成程序,開關(guān)量及鍵盤命令程序,通信程序等。

從大的流程看可分為主程序和中斷服務(wù)程度。在編程時(shí)充分采用模塊結(jié)構(gòu),以便于調(diào)試、修改和維護(hù)。使用 C語言也有很強(qiáng)的繪圖、通信、字符處理、磁盤管理等功能,特別是與硬件中斷的接口使它既能在微機(jī)勵(lì)磁控制器中用于實(shí)時(shí)控制編程,也能用于上位機(jī)的人機(jī)接口的圖形界面編制。

5 大型泵站盛磁裝置改造

江都管理處在 1997年?duì)幦〉剿俊?48”項(xiàng)目,水利部科技司下達(dá)重點(diǎn)科研項(xiàng)目:《江都抽水站機(jī)組監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)》,引進(jìn)消化國外先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備,解決我國大型軸流轉(zhuǎn)漿式水泵的自動化監(jiān)控技術(shù),以提高國內(nèi)大型泵站的自動化水平,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度自動化,提高泵站的運(yùn)行效益。本項(xiàng)目的實(shí)施點(diǎn)為江都第四抽水站,為了使系統(tǒng)建設(shè)完善實(shí)用,結(jié)合江都四站的實(shí)際情況,在研制機(jī)組監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí),對江都四站的部分設(shè)備進(jìn)行更新改造,從而使江都四站全面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控,要求基本達(dá)到“無人值守,少人看管”,自動化程度達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。在其中的勵(lì)磁是利用SBZ-101勵(lì)磁裝置進(jìn)行局部改造,保留主橋臂,江都管理處根據(jù)“948”項(xiàng)目的整體要求:上位機(jī)通訊、監(jiān)控、監(jiān)測,本機(jī)操作與遠(yuǎn)方操作相結(jié)合,本柜有液晶顯示,靜態(tài)調(diào)試與實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù),并可在線設(shè)定修改,恒功力因數(shù)最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方案的技術(shù)要求,由中標(biāo)單位:蘇州市友明科技有限公司設(shè)計(jì)制作 LZK-3同步電動機(jī)晶閘管勵(lì)磁裝置的控制箱及實(shí)施二次接線現(xiàn)場改造,投資25000元/臺套,一次開機(jī)投運(yùn)成功,超過了預(yù)期要求,使我國大型泵站同步電動機(jī)勵(lì)磁裝置第一個(gè)實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)通訊,第一個(gè)實(shí)現(xiàn)中文界面顯示的液晶屏。由此可見江都抓住水利部投資的機(jī)遇,經(jīng)過 1年多的調(diào)研、論證,并進(jìn)行了一系列的前期準(zhǔn)備工作,設(shè)計(jì)規(guī)劃《國內(nèi)一流,國際先進(jìn)》的機(jī)組監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)的藍(lán)圖,引進(jìn)美國 Honeywe11或 Modican等公司的小型監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備及其它先進(jìn)的控制技術(shù);引進(jìn)美國 Wonderware公司的工業(yè)組態(tài)軟件,開發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用軟件;引進(jìn)部分傳感器及數(shù)字儀表。于 1999年 2月 21日正式開始安裝與調(diào)試,至4月 8日帶負(fù)荷開機(jī)成功。

江都大型泵站 33臺勵(lì)磁裝置,先后經(jīng)過 3至 4次啟用更新改造,現(xiàn)已應(yīng)用蘇州友明 23臺新型三相半控橋微機(jī)勵(lì)磁;北京前鋒 10改進(jìn)型三相全控橋雙微勵(lì)磁,正轉(zhuǎn)電動抽水,TL1600-28/2600,1600kW;反轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī) TLF562?5-28/2600,562kVA可逆式軸流泵機(jī)組應(yīng)用,為解決原電機(jī)定子變極發(fā)電帶來的不便,此次改造增加一臺 4300KW、3000V、25Hz同步電動機(jī),同軸拖動一臺 4000kW同步發(fā)電機(jī)變頻機(jī)組,同時(shí)也增加 2臺改進(jìn)型三相全控雙微機(jī)勵(lì)磁,電機(jī)由上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司制造。

5 結(jié)語

(1)很多公司都幾代產(chǎn)品,進(jìn)一步向發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁靠近,雙微機(jī)無論是全控,半控比比皆是,有個(gè)觀點(diǎn)叫“簡單實(shí)用就是好”,在要求不是很高的泵站單微機(jī)勵(lì)磁就很好了。能減少大量的外接二次線,減少干擾,應(yīng)采用一塊大板的總線加以小插件結(jié)木式結(jié)構(gòu),象變頻器的整流 -變頻控制器一樣。

(2)高頻整流 PWM技術(shù),隨著 IGBT、IGCT等全控功率制造技術(shù)的日趨成熟,電壓、電流在增大、單價(jià)在下降,在勵(lì)磁系統(tǒng)中就有可能使用基于全控器件的 PWM高頻整流器來取代目前所使用的基于晶閘管的相控整流裝置。以解決三相大功率相控整流裝置電網(wǎng)中引起諧玻電壓等缺點(diǎn),使控制簡單,更為優(yōu)秀。

(3)江都大型泵站勵(lì)磁裝置成功改造踐行科學(xué)發(fā)展觀,推動泵站微機(jī)監(jiān)控、監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)不斷完善和提高,為全國水利系統(tǒng) 500多臺套同步電動機(jī)勵(lì)磁裝置及各行各業(yè)勵(lì)磁裝置的更新改造提供借鑒。

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