張 宇，李 揚，王華良，湯 煒

（1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州225200；2.北京前鋒科技有限公司，北京101400；3.江蘇省揚州市江都區(qū)水務(wù)局，江蘇揚州225200）

0 引 言

江都第四抽水站是南水北調(diào)東線工程重要泵站之一，安裝有7臺套機組（立式液壓全調(diào)節(jié)軸流泵+立式同步電動機），單機流量30 m3/s，容量3 400 kW，總裝機容量23 800 kW，總抽水能力210 m3/s。

江都第四抽水站的勵磁裝置經(jīng)過多次改造。1977年采用的是KGLF11 型可控硅勵磁裝置。1994年，更新改造為BKL-101C 型同步電動機勵裝置。該裝置主回路采用無續(xù)流二極管型半控橋式線路。1998年底，勵磁裝置改造為LZK-3型同步電動機勵磁綜合控制器。該勵磁系統(tǒng)在原BKL-101C型勵磁裝置基礎(chǔ)上進行改造，增加了勵磁綜合控制器。2009年改造為LZK-3G型勵磁裝置，采用三相橋式半控整流技術(shù)，10年使用下來因設(shè)備老化、故障頻發(fā)等問題，主要表現(xiàn)在勵磁裝置設(shè)備遠程控制和監(jiān)視不能滿足現(xiàn)場需求；勵磁在運行時還存在失控現(xiàn)象；電機起動時，勵磁裝置精準投勵較差，導(dǎo)致電機起動失??；勵磁運行時，其滅磁電阻有電流通過，使之發(fā)熱，影響泵站安全；由于水泵負荷波動或電網(wǎng)電壓波動，勵磁裝置反應(yīng)不夠迅速，導(dǎo)致電機失步。當(dāng)電機運行時，勵磁裝置會有可控硅損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致水泵機組停機。為了滿足現(xiàn)代化和智能化管理泵站，勵磁裝置設(shè)備亟須進行改造和升級。

1 LZK-3G型勵磁裝置存在問題及分析［1］

江都第四抽水站LZK-3G 型勵磁裝置設(shè)備元器件老化嚴重，功能相對落后，且備品備件無法采購。在開機和運行過程中，故障頻發(fā)，總結(jié)有以下6種：

（1）通訊故障，數(shù)據(jù)刷新延遲嚴重，甚至上位機無法讀取勵磁控制器測量數(shù)據(jù)，通訊中斷。

（2）勵磁失控現(xiàn)象。原勵磁裝置采用三相橋式半控整流技術(shù)，只需三路可控硅觸發(fā)脈沖。其整流結(jié)構(gòu)由正橋臂為三只可控硅，負橋臂為三只續(xù)流二極管組成，如圖1所示。

圖1 三相橋式半控整流原理圖Fig.1 Three phase bridge half control rectifier

三相橋式半控整流勵磁裝置在滅磁回路二極管損壞情況下存在失控現(xiàn)象，一旦勵磁裝置滅磁需停發(fā)正橋臂三只可控硅觸發(fā)脈沖。由于轉(zhuǎn)子是大電感，負橋臂二極管起續(xù)流作用。勵磁在滅磁時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)子仍有較大勵磁電流，剩余勵磁電流將危害人身安全，其失控電壓波形如圖2所示。

圖2 三相橋式半控整流失控電壓波形圖Fig.2 Out of control voltage waveform of three-phase bridge half control rectifier

（3）滅磁電阻帶電發(fā)熱、變壓器發(fā)熱、可控硅易損。勵磁設(shè)備存在滅磁電阻長時間帶電，引起滅磁電阻發(fā)熱狀況。勵磁變壓器在強勵時發(fā)熱明顯，勵磁運行中有可控硅易損現(xiàn)象。

（4）勵磁投勵失敗?，F(xiàn)場起動同步電機時，監(jiān)視系統(tǒng)顯示跳車信號，致使電機無法正常起動和運行，最終確認為勵磁投勵失敗故障。

（5）電機失步。泵站在運行中，水泵突然會出現(xiàn)停機現(xiàn)象，經(jīng)查為勵磁裝置報電機失步故障。

（6）恒功率因素調(diào)節(jié)緩慢。

原勵磁功率因素調(diào)節(jié)采用功率因素變送器，信號采集后送至單片機控制系統(tǒng)，其設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 恒功率因素測量和控制原理Fig.3 Constant power factor measurement and control

功率因素變送器的硬件配置影響了功率因素調(diào)節(jié)的實時性和快速性，表現(xiàn)出勵磁系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，調(diào)節(jié)緩慢等現(xiàn)象。

2 改造方案

針對以上問題，選用WKLF-102 型勵磁裝置，它具有以下功能來滿足泵站改造和升級要求：

（1）具有通訊網(wǎng)關(guān)，將RS485通訊轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)，提高通訊可靠性，勵磁數(shù)據(jù)實時上傳至上位機，中控室實時監(jiān)控勵磁運行情況。

（2）采用三相橋式全控整流，勵磁變壓器和可控硅應(yīng)考慮在強勵、系統(tǒng)電壓跌落和長時間過負荷運行等極端條件下，能夠運行良好，不發(fā)熱不損壞。

（3）利用三相橋式全控整流在可控硅觸發(fā)角85°整流有負電壓去關(guān)斷滅磁回路中的可控硅，使得滅磁電阻脫開轉(zhuǎn)子回路而保持冷態(tài)。

（4）分析同步電機異步起動特點，并根據(jù)電機轉(zhuǎn)子和定子磁勢分析出勵磁投勵最佳時刻，優(yōu)化電氣原理圖設(shè)計，使得勵磁裝置精準投勵，解決投勵失敗問題；軟件控制則采用失步再整步保護和雙閉環(huán)控制，解決電機失步和勵磁調(diào)節(jié)緩慢的問題。

2.1 三相橋式半控整流失控問題解決方法

采用三相橋式全控整流可以解決三相橋式半控整流失控的問題。三相橋式全控整流由于負橋臂是可控硅組成，沒有續(xù)流，因而停機時不存在失控。數(shù)字調(diào)節(jié)器停發(fā)六路可控硅觸發(fā)脈沖，全橋整流輸出立即停止。其控制原理如圖4所示。

圖4 三相橋式全控整流控制原理圖Fig.4 Three phase bridge full control rectifier

三相橋式全控整流，正橋臂、負橋臂分別由三只可控硅組成。模擬量采用軟件濾波，可實現(xiàn)現(xiàn)場抗諧波信號干擾［3］。勵磁投勵后，可控硅觸發(fā)角α控制在85°時整流輸出負電壓，利用輸出負電壓去關(guān)斷滅磁回路可控硅V7，使得滅磁電阻在勵磁運行后可控硅V7 關(guān)斷而迅速脫開同步電機轉(zhuǎn)子，保證滅磁電阻長時間無電流，保持冷態(tài)。

2.2 勵磁變壓器過熱問題解決方法

為了解決原勵磁變壓器過熱情況，應(yīng)滿足以下條件：

（1）勵磁變壓器應(yīng)在同步電機1.1 倍額定勵磁電流下能夠長期運行，且有一定裕量。

（2）同步電機的系統(tǒng)電壓下降至80%時，勵磁裝置保證強勵倍數(shù)不小于1.4倍。

（3）勵磁裝置處于最大勵磁電流時，保證可控硅觸發(fā)角不超過10°。

根據(jù)以上條件，勵磁變壓器二次側(cè)電壓U21應(yīng)滿足公式：

式中：Ufe為額定勵磁電壓162 V；ΔU為可控硅總壓降2 V；cosα為可控硅最小觸發(fā)角系數(shù)0.986；C為三相橋式傾斜系數(shù)0.5；K為強勵倍數(shù)1.4；XT為勵磁變壓器漏抗0.04。

根據(jù)式（1），U21=223 V，取整后考慮裕度，選取U21為230 V。選取變壓器容量時，應(yīng)考慮變壓器損耗和1.1 倍勵磁電流同步電機穩(wěn)定運行，應(yīng)滿足公式如下：

式中：S為勵磁變壓器容量；U21勵磁變壓器二次側(cè)電壓；Ife為額定勵磁電流。

根據(jù)式（2），勵磁變壓器容量S=106 kVA，考慮裕度，可選取勵磁變?nèi)萘?10 kVA，電壓為400 V/230 V，可保證勵磁裝置在任何情況下變壓器穩(wěn)定運行。

2.3 可控硅損壞問題解決方法

可控硅損壞原因有過電壓和過電流。在選取可控硅時應(yīng)滿足以下條件：

（1）可控硅電壓反向重復(fù)峰值VRRM，應(yīng)大于勵磁變壓器二次側(cè)峰值電壓的2.75倍，滿足以下：

根據(jù)式（3）VRRM=894.335 V，考慮可控硅電壓裕度（實際值應(yīng)大于計算值的2.5倍），可選可控硅反向重復(fù)峰值2 600 V。

（2）可控硅在常溫下平均通態(tài)電流IT，應(yīng)考慮海拔、環(huán)境溫度系數(shù)、散熱器系數(shù)，散熱風(fēng)機風(fēng)速系數(shù)等，滿足以下：

式中：K1為電流儲備系數(shù)，取2；K2為橋式電路系數(shù)，取0.367；K3為海拔系數(shù)，取1.1；K4為風(fēng)速系數(shù)，取1；K5為溫度系數(shù)，取1；K6風(fēng)速降低系數(shù)，取0.9。

故IT=268.2 A，再考慮可控硅電流裕度（實際值應(yīng)大于計算值的2倍），可選可控硅平均通態(tài)電流600 A。由此，可控硅選取KP600 A/2 600 V，再配備可控硅阻容過壓吸收模塊和快速熔斷器保護，使得可控硅能長期穩(wěn)定運行。

2.4 投勵失敗和過早投勵引起失步問題的解決方法

同步電機一般以異步起動方式為主，電機將從零轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速95%時，勵磁以順極性準確角投勵方式投勵，并保持幾秒的強勵動作，強行把電機牽入同步。其投勵邏輯圖如圖5所示。

圖5 勵磁裝置投勵邏輯圖Fig.5 Logic diagram of excitation device

采用電流霍爾傳感器AP1 檢測轉(zhuǎn)子滑差情況，判斷電機起動時轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的幅值和頻率，捕捉同步電機5%滑差，并進行準確角投勵［4］。

同步電機異步起動特點：前期起動定子電流幅值高，其轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電流幅值也大，且頻率高，接近工頻50 Hz；后期隨著電機不斷升速，電機起動定子電流幅值不斷衰減，其轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電流幅值相應(yīng)減少，頻率變小，勵磁裝置將動作于投勵狀態(tài)，將同步電機牽入同步。

同步電機在異步起動加速過程中，由于定子電壓作用形成定子磁勢F1，同步電機勵磁繞組在異步起動過程中產(chǎn)生交變感應(yīng)電壓，與滅磁電阻形成轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁勢為Ff。

F1磁勢和Ff磁勢夾角在45°～90°時，勵磁裝置投勵。此刻同步電機定子磁場和轉(zhuǎn)子勵磁繞組磁場處于順向吸引區(qū)，同步電機易牽入同步且對電網(wǎng)沖擊少，產(chǎn)生脈振最小，投勵時刻最佳，工程上稱為最佳順極性投勵［5］，其F1磁勢和Ff磁勢圖如圖6 所示。反之，其他區(qū)域投勵較為困難，容易發(fā)生投勵失敗，且對電機及電網(wǎng)有較大沖擊。

圖6 順極性投勵磁勢圖Fig.6 Excitation potential diagram of forward polarity

勵磁裝置根據(jù)電機起動時轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電流波形，利用IC1電流霍爾傳感器LT308，并通過勵磁裝置內(nèi)部運算放大器IC2、IC3和過零比較器IC4，將信號轉(zhuǎn)變?yōu)門TL 電平信號，送至微機處理器，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 勵磁裝置投勵原理圖Fig.7 Schematic diagram of excitation device

勵磁裝置檢測轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流半波周期ΔTHC，當(dāng)ΔTHC=0.2 s時，滑差即為5%時投勵。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流半波周期與同步電機滑差率滿足以下關(guān)系：

式中：ΔTHC為轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流半波周期；S為同步電機滑差率；f為轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流頻率。

當(dāng)同步電機轉(zhuǎn)子滑差率S＝5%時，ΔTHC=0.2 S。滿足上述條件，勵磁裝置發(fā)出投勵信號。其同步電機起動時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流波形及微機TTL電平信號如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流波形及微機TTL波形Fig.8 Induced current waveform of rotor and TTL

另外，凸極效應(yīng)比較強且轉(zhuǎn)動慣量較小的同步電機，在空載異步起動時，起動電流幅值偏小且衰減過快，進入亞同步時間較短，勵磁裝置難以捕捉到滑差。在上述情況下，勵磁裝置將采取定時投勵，確保同步電機牽入同步。

勵磁裝置有滑差投勵和定時投勵兩種投勵方式，以順極性準確角滑差投勵方式為主，定時投勵方式為輔，這樣保證了勵磁裝置投勵準確性，從而解決了勵磁投勵失敗和過早投勵引起失步的問題。

2.5 帶勵失步問題的解決方法

同步電機在水泵水位突增期間或系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波動不穩(wěn)定時，如果勵磁裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)過慢，就有可能導(dǎo)致同步電機失步，即為帶勵失步［6］。

帶勵失步將勵磁裝置產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與失步引起感應(yīng)電流形成的電磁轉(zhuǎn)矩，兩者電磁轉(zhuǎn)矩共同作用，引起電機脈振。其電機總電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：P為電機總電磁轉(zhuǎn)矩；S為同步電機滑差率；E為同步電機轉(zhuǎn)子電動勢；U為同步電機定子電壓有效值；Xd'為同步電機超瞬變電抗；θ為轉(zhuǎn)子電動勢與定子電壓矢量夾角。

同步電機在失步影響下，勵磁電流、有功功率和定子電流幅值周期性振蕩，導(dǎo)致同步電機的機械振蕩；電氣振蕩和機械振蕩兩者疊加，使得同步電機受損。

為了解決電機失步，采取失步再整步保護措施。勵磁裝置在運行過程中應(yīng)實時檢測電機滑差，如電機滑差達到3%要求，勵磁裝置則判定電機屬于失步狀態(tài)且失步程度較輕，則裝置應(yīng)自動快速滅磁，然后再次判斷電機滑差是否小于再整步臨界滑差；若滿足條件，勵磁再次投勵并發(fā)出強勵動作。若同步電機能牽入同步成功，機組則繼續(xù)運行；若同步電機牽入同步不成功，則勵磁發(fā)跳電機信號。其失步再整步保護軟件流程圖如圖9所示。

圖9 勵磁裝置失步再整步保護流程圖Fig.9 Flow chart of out of step and step protection

勵磁裝置失步再整步保護有效解決了電機運行過程中失步的問題，但是該保護有一定條件：同步電機失步程度不能太深、電機負載不能過重，即帶勵失步時的滑差SW和再整步臨界滑差SL應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：SW為同步電機帶勵失步時滑差；SL為同步電機再整步臨界滑差。

2.6 恒功率因素調(diào)節(jié)緩慢問題的解決

可采用雙閉環(huán)控制模式解決該問題。內(nèi)環(huán)為恒勵磁電流控制模式（稱手動模式），勵磁繞組阻值變化和勵磁電源波動都能使勵磁電流保持恒定。其控制滿足下式：

式中：If1為勵磁電流給定；ΔIfd勵磁電流變化量；KP比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)。

外環(huán)為恒功率因素控制模式或恒無功功率控制模式（稱自動模式）。其控制對象是功率因素或無功功率，但此控制模式最終控制對象仍為勵磁電流。

在恒功率因素滿足公式：

式中：If2為恒功率因素下勵磁電流；cosα功率因素變化量；KPα為比例系數(shù)；KIα為積分系數(shù)；KDα為微分系數(shù)。

在恒無功功率下有公式：

式中：If3為恒無功功率下勵磁電流；ΔQ為無功功率變化量；KPQ為比例系數(shù)；KIQ為積分系數(shù)；KDQ為微分系數(shù)。

通過機端電流信號和機端電壓信號測量，可以計算出電機的無功功率、有功功率、功率因素、視在功率；利用不同控制對象采取不同PID 和雙閉環(huán)控制模式，實現(xiàn)模擬量快速、精準、良好靜態(tài)和動態(tài)調(diào)節(jié)的特性。

2.7 WKLF-102現(xiàn)場調(diào)試

經(jīng)過改造和升級后，現(xiàn)場1 號～7 號機組共7 臺水泵，對應(yīng)WKLF-102 型勵磁裝置分別進行開機調(diào)試。以1 號機組為例，圖10 為同步電機起動從零轉(zhuǎn)速升速到同步電機牽入同步的定子電流波形，圖11為同步電機起動到投勵后轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電流和投勵后勵磁電流波形。根據(jù)同步電機定子電流波動情況判定勵磁投勵比較平穩(wěn)；同步電機牽入同步時，定子電流相對平穩(wěn)，故勵磁投勵時對電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊較小。

圖10 同步電機起動至運行定子電流波形圖Fig.10 Stator current waveform from starting to running of synchronous motor

圖11 同步電機起動至運行轉(zhuǎn)子電流波形圖Fig.11 Rotor current waveform from starting to running of synchronous motor

勵磁裝置在不同控制模式下進行了現(xiàn)場試驗，表1 是在水泵不同水位情況下產(chǎn)生的負載，增加勵磁電流后，勵磁裝置在恒勵電流模式下勵磁電流測量情況；表2 在水泵不同水位情況下產(chǎn)生的負載，勵磁裝置在恒勵功率因素模式下，功率因素測量情況。這些試驗表明：勵磁裝置調(diào)節(jié)平穩(wěn)，響應(yīng)及時，測量精準。

表1 水泵負載變化時勵磁恒勵磁電流模式調(diào)節(jié)試驗Tab.1 Regulation test of constant excited current modewhen water pump load changes

表2 水泵負載變化時勵磁恒功率因素模式調(diào)節(jié)試驗Tab.2 Regulation test of constant power factor mode when water pump load changes

3 結(jié) 語

新勵磁裝置經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和運行實踐，最終解決了原LZK-3G勵磁故障問題：

（1）改造后勵磁設(shè)備采用三相橋式全控整流技術(shù)，解決了原勵磁失控現(xiàn)象；現(xiàn)裝置滅磁電阻在同步電機運行后保持冷態(tài)，勵磁變壓器熱穩(wěn)定和可控硅不易受損。

（2）現(xiàn)勵磁裝置具有順極性準確角滑差檢測投勵和定時投勵兩種功能，兩者互為補充，勵磁軟件有失步再整步保護功能，解決了勵磁投勵失敗和同步電機帶勵失步運行的問題。

（3）勵磁裝置采用實時采集模擬量并計算電機功率因數(shù)和其他電機實時參數(shù)，利用雙閉環(huán)控制模式，實現(xiàn)快速、精準、實時穩(wěn)定的調(diào)節(jié)勵磁電流的目的。