佛山市高明區(qū)滄江泵站管理處 馮海鋒

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基于DSP勵磁系統(tǒng)在大型同步電動機(jī)中的應(yīng)用

佛山市高明區(qū)滄江泵站管理處 馮海鋒

【摘要】本文通過介紹傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和缺陷，以及基于DSP的WKLF-102型勵磁系統(tǒng)的技術(shù)特點及工作原理，對這種基于DSP的新型勵磁系統(tǒng)在大型同步電機(jī)機(jī)中的實際應(yīng)用過程、效果進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】勵磁系統(tǒng)；DSP；同步電動機(jī)；KGFL10；FFT；WKLF-102

勵磁系統(tǒng)是同步電動機(jī)的重要配套設(shè)備，早期的同步電動機(jī)采用直流發(fā)電機(jī)來勵磁，這樣增加了投入，并且系統(tǒng)復(fù)雜，不利于管理，這大大限制了同步電動機(jī)特別是大型同步電動機(jī)的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是可控硅技術(shù)的進(jìn)步，同步電動機(jī)不再采用直流發(fā)電機(jī)勵磁，而是將交流電經(jīng)可控硅整流后進(jìn)行勵磁。

這種可控硅整流勵磁系統(tǒng)為大型同步電動機(jī)在工礦企業(yè)的應(yīng)用立下了汗馬功勞，但早期由于技術(shù)的限制，其控制、觸發(fā)以及保護(hù)等部分，存在著明顯的不足及缺陷，甚至對同步電機(jī)造成很大的損傷，并且增大了電機(jī)運行人員的工作量，增加了他們的工作壓力。

1　傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和缺陷

目前，大部分工礦企業(yè)采用的傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)是上世紀(jì)七十年代的產(chǎn)品，如我單位之前使用的為北京整流器廠生產(chǎn)的設(shè)備KGFL10系列，不同廠的同類設(shè)備電路形式基本上以KGFL10型為代表。由于當(dāng)時技術(shù)的限制，這些裝置都是采用分立元件、插板式結(jié)構(gòu)，從而形成整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性低，故障率高，其缺陷具體表現(xiàn)為：

1）觸發(fā)信號由6塊不同的觸發(fā)板控制，各觸發(fā)信號相互之間的聯(lián)系少，很難做到相同信號之間的嚴(yán)格同步或者不同信號之間角度差值的完全準(zhǔn)確。

2）采用分立元件，各元件間的性能，質(zhì)量對整套系統(tǒng)的影響很大，特別是隨著運行時間的增加，元件溫度的上升，會造成元件性能的漂移，而又沒有完善的校正環(huán)節(jié)，給整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不可預(yù)知的影響。

3）系統(tǒng)參數(shù)的整定，通過調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)，而調(diào)整的幅度則是通過示波器來判斷，調(diào)整的準(zhǔn)備度很難提高。

4）沒有手動投勵環(huán)節(jié)，當(dāng)由于各種各樣的原因造成投勵失敗時，必須停止同步電動機(jī)的起動，由于大型同步電機(jī)需要間距一般時間才能再次進(jìn)行啟動，可能會延誤時機(jī)。

5）整套設(shè)備調(diào)試非常復(fù)雜，工序繁多，沒有記憶功能，每次使用前都要重新進(jìn)行調(diào)試。

6）沒有任何備份環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)故障或者其他原因時，會造成電機(jī)失步，這時候同步電動機(jī)運行在異步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組上會感應(yīng)出較高的電勢，會損傷同步電動機(jī)的絕緣。并且檢修故障非常復(fù)雜麻煩，不利于故障的解決，恢復(fù)生產(chǎn)。

7）抗干擾能力低。

因此，對傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)，特別是其控制、觸發(fā)及保護(hù)環(huán)節(jié)進(jìn)行改造升級，使其提高可靠性、穩(wěn)定性、安全性，是非常必要的。

2　DSP勵磁系統(tǒng)的主要技術(shù)特點

隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是大規(guī)模集成電路、數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一種基于DSP的新型勵磁系統(tǒng)開始出現(xiàn)，并且迅速得到普及，我單位改造后使用的北京前鋒科技有限公司生產(chǎn)的WKLF-102型DSP新型勵磁系統(tǒng)具有以下主要技術(shù)特點：

1）采用超大規(guī)模集成度的32位嵌入式DSP處理器作為核心控制單元，主時鐘頻率達(dá)到150MHZ，勵磁調(diào)節(jié)器具有超強(qiáng)的數(shù)字處理能力。

2）具有16通道模擬量采集均為每周期（20毫秒）128點高速交流直接采樣，并且通過快速傅立葉變換（FFT）計算各電參數(shù)基波參數(shù)值，信號測量不受工業(yè)現(xiàn)場干擾影響。

3）起動無脈振，投勵無沖擊。電機(jī)異步起動過程起動電阻正、負(fù)半波可靠對稱接入，電機(jī)加速平穩(wěn)；能迅速準(zhǔn)確按整定參數(shù)捕捉滑差，實現(xiàn)投勵；設(shè)有零壓計時投勵環(huán)節(jié)，確保電機(jī)輕載起動時可靠投勵。

4）全新的可控硅同步觸發(fā)控制方式，同步信號取自勵磁變壓器的二次側(cè)，三相線電壓互為冗余，任意一相斷線不影響裝置運行。

5）勵磁調(diào)節(jié)方式可設(shè)置為自動、手動及開環(huán)模式，可以手動投勵，各種調(diào)節(jié)方式在電機(jī)運行過程中可隨時手動互相切換，并且切換時無抖動。

6）具有失步保護(hù)及不減載自動再整步功能，當(dāng)擾動超過同步電機(jī)同步能力極限而失步時，該裝置能迅速檢測到并自動采取可靠技術(shù)措施，使同步電動機(jī)自動恢復(fù)再整步，保持連續(xù)運行。當(dāng)自動再整步不成功時，裝置能夠可靠跳閘停機(jī)。

7）具有全面的保護(hù)及限制功能，具有雙調(diào)節(jié)器雙機(jī)熱備用功能，通過CAN通訊電纜連接，分主、備機(jī)運行，軟、硬件完全獨立，互為備份。備機(jī)自動跟蹤主機(jī)的運行狀況，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時能自動無抖動切換到備機(jī)運行，過程無需停機(jī)，大大提高同步電機(jī)運行的穩(wěn)定性及可靠性。

8）具有全面的自動測量功能，各檢測值能在顯示屏上顯示；各參數(shù)的設(shè)置只需要在顯示屏上設(shè)定，保存，即自動調(diào)節(jié)，無需人為操作，判斷；具有完備的事件記錄功能，準(zhǔn)確記錄每次的操作，顯示故障詳情，掉電不丟失。

9）有強(qiáng)大的抗干擾性能，通過GB/T17626嚴(yán)酷等級為三級的抗干擾測試，輸出無波動，各項功能不受影響。

3　WKLF-102大型DSP勵磁系統(tǒng)的組成及工作原理

WKLF-102大型DSP勵磁系統(tǒng)，包括三相全控橋式整流回路構(gòu)成的主回路，起動回路，空氣開關(guān)，勵磁變壓器，兩臺功能相同的Excitrol-100勵磁調(diào)節(jié)器，測量指示元件，液晶觸摸屏面板，風(fēng)機(jī)單元，電源系統(tǒng)，接點量開入、開出部分，后臺上位機(jī)通訊接口，勵磁電流、電壓4～20mA變送輸出部分，以及配套專用軟件。

Excitrol-100微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器為結(jié)構(gòu)獨立的控制單元，其功能包括測量、控制、調(diào)節(jié)與保護(hù)，同時還負(fù)責(zé)與后臺PC機(jī)液晶操作面板以及兩套調(diào)節(jié)器之間的通訊，是整個WKLF-102勵磁裝置的核心成員。

圖1　WKLF-102型工作原理方框圖

圖2　液晶操作面板

如圖1方框圖所示，電機(jī)起動時，勵磁調(diào)節(jié)器Excitrol-100控制起動回路保持低定值（10-30V）導(dǎo)通狀態(tài)，并且通過接入電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，以改善電機(jī)的起動力矩，使起動過程平穩(wěn)迅速。調(diào)節(jié)器通過測量環(huán)節(jié)檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)差率達(dá)到5%時，調(diào)節(jié)器會輸出6路觸發(fā)脈沖到三相全控橋式整流電路，順序?qū)?對可控硅元件，使得從橋臂輸出相應(yīng)的勵磁電壓、電流到同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子。投入勵磁正常后，調(diào)節(jié)器控制起動回路，保持高定值（＞500V）導(dǎo)通狀態(tài)，并且監(jiān)視起動回路的狀態(tài)防止過熱。

WKLF-102型勵磁系統(tǒng)裝備兩臺Excitrol-100調(diào)節(jié)器，由圖1可以看到，兩套調(diào)節(jié)器能獨立完成對同步電動機(jī)的所有控制操作，相互之間沒有任何軟、硬件公用部件，只通過高速CAN總線連接以交換運行數(shù)據(jù)，分主、備機(jī)運行，備機(jī)自動跟蹤主機(jī)運行狀況，開機(jī)時自動互為選擇主、備機(jī)，并可隨時手動切換任意指定主機(jī)通道。

調(diào)節(jié)器通過測量，反饋環(huán)節(jié)，對整個系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行全面的監(jiān)控，并將監(jiān)控的情況全面反映在液晶操作面板上，如圖2所示。

4　WKLF-102大型DSP勵磁系統(tǒng)的實際應(yīng)用

高明區(qū)滄江泵站為省內(nèi)大型泵站，裝備四臺每臺額定功率為1250KW的上海電機(jī)廠生產(chǎn)的同步電機(jī)，額定勵磁電流244A，之前一直使用北京整流器廠生產(chǎn)的KGFL10型勵磁設(shè)備，該設(shè)備為分立元件式插板式結(jié)構(gòu)，故障率一直比較高，在2005年汛期期間，1號機(jī)的勵磁設(shè)備由于元件溫度升高造成性能漂移，致使不能正常投勵，1號機(jī)不能正常啟動。由于故障部位難以掌握，并且備件的性能也發(fā)生漂移，致使處理該故障花了10小時，而處理的方法僅僅是更換投勵插板里的一只小小的電位器。

2008年初，滄江泵站對四臺勵磁設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改造，采用WKLF-102大型DSP勵磁系統(tǒng)對舊系統(tǒng)進(jìn)行更換，整個工程在一周內(nèi)完成。當(dāng)年6月汛期，滄江泵站四臺機(jī)組投入防洪，新安裝的勵磁系統(tǒng)一直穩(wěn)定工作，并且由于新系統(tǒng)高度自動化，并且配備完善的事件記錄功能，所有信息自動在液晶面板上顯示，大大減少工作人員的工作量。2008年至今，經(jīng)過大約共400小時的運行，沒有出現(xiàn)過任何影響機(jī)組運行的故障，真正解決了以前一直困擾管理人員的機(jī)組運行過程中的最大難題，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

［1］WKLF-102型微機(jī)控制同步電動機(jī)勵磁裝置用戶手冊［S］.北京前鋒科技有限公司，2007，4.

［2］KGLF10系統(tǒng)同步電動機(jī)可控硅勵磁設(shè)備產(chǎn)品說明書［S］.北京整流器廠，1994，3.

［3］潘咸昂.泵站輔助設(shè)備及自動化［M］.水利電機(jī)出版社，1989，1.