王海銘

（中國(guó)石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司電氣部，浙江 寧波 315207）

一、設(shè)備概況

中國(guó)石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司為國(guó)內(nèi)特大型煉化企業(yè)，煉油加工能力位居國(guó)內(nèi)行業(yè)企業(yè)前列。煉油生產(chǎn)裝置中有多套連續(xù)重整裝置，其中三套重整裝置于1996年建成，在當(dāng)時(shí)屬于是國(guó)內(nèi)同類裝置中生產(chǎn)規(guī)模最大的，兩臺(tái)加氫壓縮機(jī)組C302A、C302B為關(guān)鍵設(shè)備，配套電動(dòng)機(jī)為增安型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定功率為3 500kW，屬于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大功率的同步電動(dòng)機(jī)組。正常生產(chǎn)期間，兩臺(tái)機(jī)組必須運(yùn)行其中一臺(tái)。

二、無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)述

增安型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)因?qū)ζ淙∠颂妓⒑突h(huán)，因此無(wú)需考慮電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的正壓通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)能量的傳遞是采用非接觸式，從而大大減少了日常維護(hù)的工作量，滿足了連續(xù)運(yùn)行的要求，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中勵(lì)磁發(fā)電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 增安型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

工作原理：當(dāng)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)組的命令后，高壓斷路器即合閘，主電動(dòng)機(jī)定子繞組受電后機(jī)組啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行升速狀態(tài)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)整流器滅磁回路可控硅導(dǎo)通，將滅磁電阻連接至無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上，一方面，為機(jī)組啟動(dòng)提供較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，另一方面，也降低勵(lì)磁繞組的端電壓，防止過(guò)高的感應(yīng)電壓擊穿投勵(lì)回路中的電子元件（此時(shí)旋轉(zhuǎn)整流回路可控硅也處于截止?fàn)顟B(tài)）。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速且滿足準(zhǔn)角度投入條件時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器控制模塊觸發(fā)整流可控硅t1～t3，將勵(lì)磁發(fā)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓整流后，加在同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組上，為同步電動(dòng)機(jī)提供持續(xù)的勵(lì)磁電流，同時(shí)關(guān)斷滅磁回可控硅。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器等效于三相二極管，最終將電動(dòng)機(jī)順利地牽入同步狀態(tài)，并保持穩(wěn)定運(yùn)行。

三、機(jī)組存在問(wèn)題

受當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)在大型同步機(jī)組設(shè)計(jì)水平、材料供應(yīng)、制造工藝等方面的制約，兩臺(tái)壓縮機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行狀況不夠理想，壓縮機(jī)故障比較頻繁，機(jī)組切換、維修頻次高；同時(shí)電動(dòng)機(jī)本體旋轉(zhuǎn)整流部分故障率也很高。公司對(duì)電動(dòng)機(jī)自1996年12月正式投入運(yùn)行至2005年期間內(nèi)故障情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共計(jì)發(fā)生重要的故障7起，其中因旋轉(zhuǎn)整流環(huán)中投勵(lì)模塊的故障有4起，因投勵(lì)可控硅的故障有3起。此類故障直接導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常啟動(dòng)或在運(yùn)行中突然停機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

四、問(wèn)題的原因分析

原有旋轉(zhuǎn)整流環(huán)的控制原理（圖2）：交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子輸出，經(jīng)三相全橋整流后，再經(jīng)投勵(lì)可控硅SCR3，輸出至主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，達(dá)到投勵(lì)目的。啟動(dòng)回路由二極管D12、D13、可控硅SCR1、SCR2和滅磁電阻Rd組成，在電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流正負(fù)半波分別流經(jīng)二極管、可控硅和滅磁電阻。

圖2 原旋轉(zhuǎn)整流環(huán)的原理圖

經(jīng)上述原理分析，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁存在以下設(shè)計(jì)缺陷。

（1）放電電阻模塊Rd只有一個(gè)開通電壓，開通電壓整定值為額定勵(lì)磁電壓值加200V時(shí)，滅磁可控硅才開通；低于整定值時(shí)，滅磁可控硅根本無(wú)法導(dǎo)通，不能滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的要求，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)末尾有脈振現(xiàn)象，存在轉(zhuǎn)矩的不對(duì)稱性，牽入力矩大大減小，并且在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，滅磁可控硅存在誤開通現(xiàn)象，雖然有滅磁電阻誤開通報(bào)警模塊，但報(bào)警模塊為光電傳輸，其可靠性較差。

（2）觸發(fā)控制模塊由電阻及二極管組成，沒(méi)有滑差檢測(cè)環(huán)節(jié)，只是通過(guò)限流電阻，提供投勵(lì)可控硅SCR3的觸發(fā)信號(hào)，以達(dá)到投勵(lì)目的。原有勵(lì)磁系統(tǒng)投勵(lì)過(guò)程為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，靜態(tài)勵(lì)磁靠人為定時(shí)投勵(lì)，只有當(dāng)電動(dòng)機(jī)完全進(jìn)入亞同步轉(zhuǎn)速后，才能可靠投上勵(lì)磁，但電動(dòng)機(jī)靠異步力矩加速至亞同步的時(shí)間受電網(wǎng)電壓、負(fù)載影響較大，若靜態(tài)勵(lì)磁投勵(lì)時(shí)間延時(shí)短，則會(huì)造成帶勵(lì)啟動(dòng)，脈振程度加劇。靜態(tài)勵(lì)磁投勵(lì)時(shí)間延時(shí)長(zhǎng)，捕捉不到最佳投勵(lì)時(shí)機(jī)，也容易造成投勵(lì)失敗，同時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)繞組長(zhǎng)時(shí)間通大電流，會(huì)使繞組的絕緣老化加速。

（3）投勵(lì)可控硅SCR3的散熱器面積有限，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)熱比整流二極管嚴(yán)重，易造成投勵(lì)可控硅SCR3的老化。

五、改造方案

針對(duì)上述問(wèn)題，在充分論證的基礎(chǔ)上，選用WKLF-41型微機(jī)控制無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁裝置，對(duì)原有勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行全面的改造。

1.新的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁環(huán)的控制原理

（1）旋轉(zhuǎn)主回路電氣圖見圖3，主回路包括三相半控橋式整流電路和啟動(dòng)回路。啟動(dòng)回路由啟動(dòng)可控硅、二極管及啟動(dòng)電阻組成。該回路取消了眾多勵(lì)磁廠家采用的直流回路投勵(lì)主可控硅,解決了由于直流側(cè)電流大而引起的主可控硅過(guò)熱的電流瓶頸問(wèn)題，同時(shí)還避免了由于主可控硅的損壞而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的失磁現(xiàn)象，并且其中任意一個(gè)功率組件損壞，都不會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)立即失磁。

圖3 WKLF-41型微機(jī)控制無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁裝置原理圖

（2）控制回路由主控模塊ZK12控制，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，交流勵(lì)磁機(jī)輸出為主控模塊提供工作電源。主控模塊控制三相半控橋式整流電路及啟動(dòng)回路的工作狀況，在電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)和再整步異步驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)可控硅導(dǎo)通閥值被設(shè)定為低定值（10幾伏），使啟動(dòng)電阻能可靠接入，保證轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流正負(fù)半波對(duì)稱，使電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)和再整步過(guò)程中平穩(wěn)快速。主控模塊設(shè)有滑差投勵(lì)和零壓計(jì)時(shí)投勵(lì)檢測(cè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)順極性準(zhǔn)角投勵(lì)，消除牽入同步過(guò)程中的振蕩，減小對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊。投勵(lì)完成后，啟動(dòng)可控硅導(dǎo)通閥值被設(shè)定為高定值，使啟動(dòng)電阻退出回路避免長(zhǎng)時(shí)帶電發(fā)熱，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，啟動(dòng)回路重新接入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路，吸收過(guò)電壓，保護(hù)主橋。主控模塊設(shè)有防止電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中啟動(dòng)回路出現(xiàn)誤開通的檢測(cè)環(huán)節(jié)，通過(guò)邏輯控制使整流電路工作處于失控工況，利用其續(xù)流時(shí)刻將啟動(dòng)可控硅關(guān)斷。

2.整流環(huán)元器件的參數(shù)選擇

主電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定勵(lì)磁電流Ife=188A，額定勵(lì)磁電壓Ufe=195V；空載勵(lì)磁電流Ife=85A，空載勵(lì)磁電壓Ufe=60V；滅磁電阻Rd=6Ω，滿壓?jiǎn)?dòng)感應(yīng)電流Ifq=145A。

整流功率模塊電流按兩倍額定勵(lì)磁電流選擇，電壓按＞1.5×1.414×Ifq×Rd選擇；整流功率模塊型號(hào)為ZL-400A/2 300V；啟動(dòng)功率模塊型號(hào)為QD-300A/1 000V；主控制模塊電壓等級(jí)要滿足空載和滿載勵(lì)磁電壓的要求；主控制模塊型號(hào)為ZK42-24V/270V。

六、實(shí)施效果

在經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)論證和細(xì)致的施工準(zhǔn)備后，公司于2006年10月、11月分別對(duì)兩臺(tái)機(jī)組旋轉(zhuǎn)整流環(huán)進(jìn)行了全面的改造，帶負(fù)荷運(yùn)行均一次成功，運(yùn)行至今，兩臺(tái)機(jī)組電氣部分沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，機(jī)組運(yùn)行可靠性大幅度提高。也正鑒于改造取得的成功經(jīng)驗(yàn)，公司2010年6月對(duì)甚為關(guān)鍵的加氫裂化核心機(jī)組C302C進(jìn)行了類似改造，同樣取得了十分滿意的效果，同時(shí)也獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，改造后的機(jī)組每臺(tái)每年可節(jié)約維修費(fèi)用約4萬(wàn)元。

七、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3臺(tái)大功率增安型無(wú)刷勵(lì)磁同步機(jī)組旋轉(zhuǎn)整流環(huán)的全面改造，大大提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性，保障了石化企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行，節(jié)省了大量的維修費(fèi)用和人力，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)同類機(jī)組進(jìn)行類似改造提供了理論依據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。公司計(jì)劃將對(duì)內(nèi)部其他同類四臺(tái)機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行改造。