微機勵磁裝置在南水北調(diào)大型泵站中的應(yīng)用

趙孟博 汪永進 楊曉久 何小軍

（江蘇省南水北調(diào)邳州站工程管理項目部，江蘇徐州 221000）

勵磁裝置是同步電動機正常工作必不可少的一個重要設(shè)備，勵磁裝置工作的穩(wěn)定性如何將直接關(guān)系到同步電動機及泵站的正常工作和安全運行。因此，如何選用性能可靠、操作簡便的勵磁裝置就顯得尤為重要。筆者主要以北京前鋒科技有限公司生產(chǎn)的WKLF-102B 型微機全控勵磁裝置在南水北調(diào)邳州站中的應(yīng)用為例，通過與傳統(tǒng)勵磁裝置進行比較，從裝置的組成、工作原理、優(yōu)點以及在日常運行管理中應(yīng)注意的問題等方面，對微機勵磁裝置在南水北調(diào)大型泵站中的應(yīng)用進行深入論述，為南水北調(diào)大型泵站微機勵磁裝置的設(shè)計選型以及今后的管理、其他大型泵站的更新改造提供參考。

1 勵磁裝置概述

縱觀勵磁裝置應(yīng)用發(fā)展的歷史，可將其概括為3 個階段：①20 世紀(jì)70年代的KGLF 型勵磁裝置；②20世紀(jì)80年代末至90年代的BKL 型勵磁裝置；③20 世紀(jì)90年代末至現(xiàn)在的微機型勵磁裝置。新一代微機勵磁裝置主要以微處理器（CPU）作為核心控制部件，其應(yīng)用打破了原勵磁設(shè)備的基本機理，與前兩種勵磁系統(tǒng)相比，它具有結(jié)構(gòu)更加模塊化和集成化、控制和調(diào)節(jié)更加智能化、技術(shù)可靠性更高、保護功能更加完備、操作與維護更加方便，以及與上位機通訊更加容易實現(xiàn)等優(yōu)點，克服了元件受溫漂影響較大、啟動脈振、外網(wǎng)電壓或負(fù)載突然波動引起帶勵失步跳閘等缺點。因此，截至目前，微機勵磁裝置在大型泵站及其他同步電機上都有著十分廣泛的應(yīng)用。

2 微機勵磁裝置組成

WKLF-102B 型微機勵磁裝置，主要由裝置硬件及配套專用軟件組成，其中，硬件部分包括：三相全控橋式整流主回路，起動回路，空氣開關(guān)，勵磁變壓器，測量指示元件、液晶觸摸屏、風(fēng)機單元，電源系統(tǒng)，接點量開入、開出部分，勵磁電流、電壓變送輸出，Excitrol-100 微機勵磁調(diào)節(jié)器，后臺上位機通訊接口，就地計算機或MODEM 通訊接口切換板及用于測量指示的信號變送器等；配套專用軟件主要是測量運算類、控制類和保護類軟件。

2.1 主回路

本裝置主回路采用三相全控橋式整流電路，由-V1～-V6 六個可控硅元件組成，主回路交流輸入側(cè)配有用于交流側(cè)浪涌吸收的470V/10KA 三相△形連接的壓敏電阻-RV1～-RV3，以及用于主橋可控硅及輸出短路速斷保護的三相快速熔斷器-FU1～-FU3；每只快速熔斷器均配有熔斷指示單元，在快熔熔斷時輸出輔助接點至勵磁調(diào)節(jié)器供保護之用。主回路單元還配置有用于正、負(fù)橋臂可控硅元件均壓及可控硅換相過電壓吸收的均壓及阻容吸收板，其設(shè)備編號為-API。

2.2 Excitrol-100 勵磁調(diào)節(jié)器

WKLF-102B 型微機勵磁裝置采用兩臺功能等同的Excitrol-100 型微機控制同步電動機勵磁調(diào)節(jié)器作為勵磁系統(tǒng)的A（-AA）、B（-AB）兩套核心控制、調(diào)節(jié)及保護單元，兩套調(diào)節(jié)器均能獨立完成同步電動機的起動及再整步控制、勵磁自動或手動調(diào)節(jié)、勵磁系統(tǒng)的所有保護、多種模式的串行通訊及就地、遠(yuǎn)方操作等功能。裝置的組成見圖1。

2.3 測量指示元件

（1）本裝置配置有用于勵磁電流（-P1）、勵磁電壓（-P2）及定子電流（-P3）顯示的常規(guī)表計，為顯示直觀，標(biāo)準(zhǔn)配置為指針式儀表。

（2）在勵磁主回路上還配置有霍爾電流（-B1）和霍爾電壓（-B2）傳感器，用于勵磁電流和勵磁電壓的測量。

（3）從電壓互感器小母線上獲取的三相母線電壓信號通過熔斷器-FU6、-FU7、-FU8 直接送至A、B 套勵磁調(diào)節(jié)器單元。

（4）從機端電流互感器二次獲取的A 相定子電流信號串聯(lián)定子電流表計后，依次串聯(lián)至A、B 套勵磁調(diào)節(jié)器單元。

（5）用于可控硅同步觸發(fā)控制的三相同步信號取自柜內(nèi)勵磁變壓器二次側(cè)，直接送至A、B 套勵磁調(diào)節(jié)器單元。

3 微機勵磁裝置工作原理

根據(jù)同步電動機的運行特點，可將其工作過程分為異步啟動、同步牽入、運行中及停運4 個基本階段。與之相對應(yīng)，也將微機勵磁裝置的工作過程分為滑差捕捉、投勵、控制與調(diào)節(jié)及滅磁4 個基本環(huán)節(jié)。現(xiàn)就各個環(huán)節(jié)的工作原理分別進行介紹。

3.1 滑差捕捉

如圖1 所示，電阻R7、二極管-V8、可控硅-V7 及測量勵磁電壓并監(jiān)視起動回路狀況的霍爾電壓傳感器-B2等構(gòu)成了勵磁裝置的氣動回路。當(dāng)勵磁系統(tǒng)檢測到主機高壓斷路器QF 合閘時，同步電機即進入了異步啟動狀態(tài)，由于定轉(zhuǎn)子的相對運動，在轉(zhuǎn)子回路中會感應(yīng)出交變電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流If為正半波時，電流流通路徑為：D1—-R8—-R7—-V8—-B1—C1—DI；當(dāng)If為負(fù)半波時，在轉(zhuǎn)子兩端感應(yīng)電動勢的作用下，啟動可控硅-V7觸發(fā)導(dǎo)通，電流流通路徑為：Cl—-B1—-V7—-R7—-R8—D1—Cl。這樣，在電機啟動過程中，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流可以無阻礙地流過啟動（滅磁）電阻及安裝于主橋輸出母線上的霍爾電流傳感器-B1 等。-B1 再將轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流放大變換送入Excitrol-100 微機勵磁調(diào)節(jié)器進行處理，實現(xiàn)捕捉滑差的目的，為勵磁裝置的實時準(zhǔn)角投勵做好充分準(zhǔn)備。而在電機起動時，勵磁調(diào)節(jié)器控制起動可控硅V7 保持低定值（10～30 V）導(dǎo)通狀態(tài)，通過-V8 和-V7將起動電阻-R7 接入電機轉(zhuǎn)子回路，以改善電機的起動力矩，使起動過程平穩(wěn)迅速。投入正常勵磁后，勵磁調(diào)節(jié)器控制起動可控硅-V7 保持高定值（>500 V）導(dǎo)通狀態(tài)，同時，勵磁調(diào)節(jié)器不斷監(jiān)視起動回路狀態(tài)，并在起動回路開通時即時控制起動回路關(guān)斷，以防止起動電阻過熱。本裝置沒有設(shè)置專門的起動回路試驗按鈕，在調(diào)試位投勵試驗時，調(diào)節(jié)器自動進行起動回路開通及關(guān)斷試驗，起動回路不能正常開通或開通后無法關(guān)斷都能報警并顯示相應(yīng)故障信息。

圖1 微機勵磁裝置組成示意圖

3.2 投勵

隨著電機啟動過程的推進，定轉(zhuǎn)子間的滑差（轉(zhuǎn)差）率在逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到亞同步轉(zhuǎn)速（95%的同步轉(zhuǎn)速）、滑差率為5%時，不能立即投勵，因為這樣會對電機造成較大的沖擊，因此，需等待至正半波末尾過零點，此刻投入勵磁對電機沖擊最小，且啟動過程平穩(wěn)、快速、基本無脈振，這就是通常所說的反極性末尾準(zhǔn)角投勵。

3.3 控制與調(diào)節(jié)

為了提高同步電機及機組的動態(tài)穩(wěn)定性，減小電機由于電網(wǎng)或負(fù)載波動而導(dǎo)致電機失步的幾率，確保泵站運行的連續(xù)性與穩(wěn)定性，Excitrol-100 型微機勵磁調(diào)節(jié)器的勵磁調(diào)節(jié)方式設(shè)有自動、手動和開環(huán)三種模式。

自動模式為勵磁系統(tǒng)正常工作模式，在該模式下勵磁調(diào)節(jié)器投入雙閉環(huán)勵磁調(diào)節(jié)器，其內(nèi)環(huán)為勵磁電流調(diào)節(jié)，外環(huán)可由用戶指定為恒功率因數(shù)（常規(guī)模式）或恒無功功率調(diào)節(jié)（特殊模式），勵磁系統(tǒng)通過自動調(diào)整勵磁電流給定值維持功率因數(shù)或無功功率恒定，不受電網(wǎng)或負(fù)載波動影響；自動模式提高了同步電機及機組的動態(tài)穩(wěn)定性，減小了電機由于電網(wǎng)或負(fù)載等突然波動而導(dǎo)致電機失步的機率，確保了生產(chǎn)工藝的連續(xù)性與穩(wěn)定性。手動模式只在試驗或功率參數(shù)測量回路故障導(dǎo)致外環(huán)調(diào)節(jié)器失效時使用，在手動模式下，外環(huán)調(diào)節(jié)器（恒功率因數(shù)或恒無功功率）退出運行，調(diào)節(jié)器按恒勵磁電流調(diào)節(jié)，保持勵磁電流的實際輸出值與給定值相等。開環(huán)模式為極端保守運行模式，只在勵磁電流測量回路故障導(dǎo)致內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器失效時自動投入，在該模式下，所有勵磁限制、調(diào)節(jié)功能全部退出，保護功能除調(diào)節(jié)器自身硬件監(jiān)測外也全部退出，僅維持勵磁系統(tǒng)最基本運行。

勵磁調(diào)節(jié)器的各種運行模式均可在試驗時手動切換；兩種自動模式之間、自動與手動模式之間交替切換時勵磁輸出沒有波動。無功功率自動調(diào)節(jié)模式通常只在對其調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時啟用，在電機正常運行時不要人為選擇該模式；但在功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)模式下，過勵限制動作或有功功率低于閉鎖定值（最小無功限制啟動）時會自動嵌套運行無功功率自動調(diào)節(jié)模式，以確保機組運行的安全性。同步電動機V 形曲線見圖2，同步電動機功角特征見圖3。

3.4 滅磁

同步電動機通常工作在過勵狀態(tài)（功率因數(shù)超前，發(fā)無功），其轉(zhuǎn)子繞組是一種大電感負(fù)載，當(dāng)斷路器分閘時，在斷路器分閘的瞬間，盡管勵磁電壓消失，勵磁電流仍會繼續(xù)維持一段時間，電機機端電壓高于電網(wǎng)電壓，如不迅速可靠地進行滅磁，輕則造成電機轉(zhuǎn)子、定子絕緣損壞，影響電機使用壽命，重則會誘發(fā)電機起火燒壞事故。因此，采取快速有效的滅磁方式，對泵站的安全運行至關(guān)重要。

圖2 同步電動機V 形曲線

在WKLF-102B 型微機勵磁裝置中，無論是手動滅磁、正常停機滅磁，還是保護（如失步）動作滅磁，都會啟動滅磁子程序。具體方法為：按下按鈕即啟動滅磁控制投入。勵磁工況為“工作”且電機正常運行時，上述所有按鈕操作無效，只有電機停機（包括正?；蚴鹿释C，判別依據(jù)為斷路器輔助接點分且定子電流小于5%）或外部滅磁輸入接點吸合（-X5 端子排編號為15 和19 號端子）才會啟動滅磁控制投入?，F(xiàn)場有滅磁再整步試驗要求時，可通過短時間短接外部滅磁輸入接點進行試驗。滅磁控制投入后即啟動逆變滅磁。調(diào)節(jié)器強制輸出可控硅觸發(fā)導(dǎo)前角為150°，主回路三相整流橋輸出負(fù)電壓，轉(zhuǎn)子儲能通過整流橋及勵磁變壓器回送電網(wǎng)，勵磁電流逐漸衰減至零后停止觸發(fā)脈沖，即告滅磁結(jié)束。正常逆變滅磁時間應(yīng)小于1 s，若逆變滅磁啟動3 s 后勵磁電流仍沒有衰減至零，則認(rèn)為逆變滅磁失敗，調(diào)節(jié)器將停止觸發(fā)脈沖使主橋處于續(xù)流滅磁狀態(tài)，同時啟動10 s 定時；在定時時間到而勵磁電流仍沒有衰減至零，則動作于空氣開關(guān)跳閘。

4 微機勵磁裝器的優(yōu)點

作為新一代的升級換代產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的勵磁裝置相比，無論是從可靠性、功能、控制與調(diào)節(jié)方式，還是通迅等方面，WKLF-102B 型微機勵磁裝置都有了長足的進步，具有諸多傳統(tǒng)裝置所不具備的優(yōu)點，具體敘述如下。

圖3 同步電動機功角特性

4.1 技術(shù)可靠性高［2］

WKLF-102B 系列微機控制同步電動機勵磁裝置作為最新一代同步電動機勵磁系統(tǒng)，其核心控制單元為Excitrol-100 型微機控制同步電動機勵磁調(diào)節(jié)器；該勵磁調(diào)節(jié)器為結(jié)構(gòu)獨立的控制單元，其涵蓋了勵磁系統(tǒng)所有測量、控制、調(diào)節(jié)與保護功能；Excitrol-100 勵磁調(diào)節(jié)器采用具有超大規(guī)模集成度的32 位嵌入式DSP 處理器作為核心控制單元，其150 MHz的主時鐘頻率足以應(yīng)對任何復(fù)雜的快速運算；Excitrol-100 勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部幾乎所有模擬量測量均采用快速傅立葉變換（FFT）運算，具有極高的工業(yè)現(xiàn)場抗干擾能力。

4.2 內(nèi)置錄波器功能強大

勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部配置有可同時錄制兩路模擬量和八路接點量的錄波器；最大錄波分辯率為每周期（每20 ms）128 點，最大錄波時長為76 s，在錄波時長內(nèi)可任意配置錄波追憶時間；兩路模擬量可根據(jù)需要選擇配置為調(diào)節(jié)器采集的所有模擬通道中的任意兩個通道；錄波器可手動觸發(fā)或自動觸發(fā)，配合Excitrol—soft 軟件包中的波形分析功能很方便地實現(xiàn)波形分析、存儲、打印等。

4.3 操作、調(diào)試和維護簡單方便

支持多種控制操作模式，包括：就地面板按鈕操作，帶觸摸屏的就地液晶面板操作，就地PC 機運行Excitrol—soft 軟件包操作，遠(yuǎn)方RS485 接口后臺PC 機操作，通過外置調(diào)制解調(diào)器及公用電話線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程PC 機連接實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、調(diào)試及故障診斷。

4.4 故障檢測、定位及顯示智能化

本裝置具有完備的事件記錄、故障檢測、定位及顯示功能，對各種報警信息可追溯。在運行過程中，裝置不斷地對硬件及軟件進行掃描檢測，實時監(jiān)視記錄設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)，如：斷路器的狀態(tài)、機組啟動時間等。一旦發(fā)現(xiàn)故障或異常，便由蜂嗚器報警和燈光指示，用戶可根據(jù)主機箱面板指示燈指示情況和讀寫器顯示內(nèi)容，判明詳細(xì)故障類型及定位故障發(fā)生地點，極大地方便了工程技術(shù)人員對裝置故障進行準(zhǔn)確分析和及時處理。

4.5 保護功能強大

Excitrol-100 型微機勵磁調(diào)節(jié)器配置功能豐富的勵磁保護限制軟件，包括：調(diào)節(jié)器硬件監(jiān)視、勵磁關(guān)聯(lián)硬件監(jiān)視，勵磁運行監(jiān)視及保護，勵磁限制等三大類別；調(diào)節(jié)器自身軟件運行的可靠性則由DSP 內(nèi)部及外部兩級“看門狗”保證，軟件運行出錯時自動復(fù)位DSP，以實現(xiàn)軟件故障自恢復(fù)。

4.6 通訊更加方便

Excitrol-100 勵磁調(diào)節(jié)器提供有4 個異步串行通訊接口，分別為：隔離的標(biāo)準(zhǔn)9 線制RS232 串行通訊接口，用于與就地PC 機直接連接或通過調(diào)制解調(diào)器及公用電話網(wǎng)與遠(yuǎn)程計算機連接；隔離的RS485 串行通訊接口，用于與就地液晶操作面板連接；CAN 總線串行通訊接口，用于雙調(diào)節(jié)器配置時雙機數(shù)據(jù)交換；隔離的RS485 串行通訊接口，用于調(diào)節(jié)器與后臺計算機通訊，支持后臺測控。

5 結(jié)語

隨著微機綜合自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，以及大功率同步電動機在南水北調(diào)大型泵站中的廣泛應(yīng)用，人們對勵磁裝置也提出了更高的要求。鑒于南水北調(diào)工程的重要性及其運行特點，集“控制、保護、測量、通訊”于一體的新一代微機勵磁裝置必將在今后的大型泵站運行中發(fā)揮重要作用。

［1］王運昌，劉成高，尹德慶，等.微機勵磁系統(tǒng)在泵站工程中的應(yīng)用［J］.排灌機械，2004，22（6）：19.

［2］陽漢文.泵站同步電動機勵磁設(shè)備改造［J］.湖南水利水電，2009（2）：83.