趙孟博 楊曉久 張振河

（1.江蘇省南水北調(diào)劉山站工程管理項目部，江蘇徐州 221000；2.徐州市大廟翻水站管理所，江蘇 徐州 221000）

0 引言

邳州站工程是南水北調(diào)東線工程的第6 級泵站，工程等別為Ⅰ等，泵站規(guī)模為大（I）型，設計規(guī)模為100 m3/s，安裝4 臺套（含備用機1 臺）豎井式貫流泵，單機設計流量33.3 m3/s，配套1950 kW 臥式同步電動機，額定電壓10 kV，總裝機容量7800 kW。

勵磁裝置是同步電動機正常工作必不可少的一個重要設備，勵磁裝置性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到泵站機組的正常工作和安全運行。筆者以WKLF—102 型微機全控勵磁裝置在邳州站中的應用為例，從裝置的組成、工作原理、性能優(yōu)勢以及在日常運行管理中應注意的問題等方面，對微機勵磁裝置在南水北調(diào)大型泵站中的應用進行了深入論述，可對大型泵站微機勵磁裝置的日常管理、更新改造工作有所幫助。

1 勵磁裝置概述

同步發(fā)電機的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)。縱觀勵磁裝置應用發(fā)展的歷史，可將其概括為3個階段：①20 世紀70年代的KGLF型勵磁裝置；②20 世紀80年代末至90年代的BKL 型勵磁裝置；③20 世紀90年代末至現(xiàn)在的微機型勵磁裝置［1］。針對KGLF 型和BKL 型勵磁系統(tǒng)，分別采用了全控橋和半控橋整流方式，代表了勵磁系統(tǒng)發(fā)展的兩個不同歷程，在當時堪稱先進技術(shù)。隨著科技的進步，泵站自動化水平不斷提高，勵磁裝置也進入了微機階段。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，其應用打破了原勵磁設備的基本機理，與前兩種勵磁系統(tǒng)相比，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)電壓或負載突然波動引起帶勵失步跳閘等缺點，因此至目前為止，在大型泵站及其他同步電機上都有著十分廣泛的應用。

2 微機勵磁裝置組成

WKLF—102 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、風機單元、電源系統(tǒng)、接點量開入及開出部分、勵磁電流、電壓4～20 mA 變送輸出、PI 勵磁調(diào)節(jié)器、讀寫控制器、后臺上位機通訊接口、就地計算機或MODEM 通訊接口切換板、主機CPU 板、通道板、脈沖放大板以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軟件、控制類軟件和保護類軟件。裝置的組成見圖1。

3 微機勵磁裝置工作原理

WKLF—I1D22 型微機勵磁裝置是以硬件資源作為支撐，為實現(xiàn)不同功能而調(diào)用相應的軟件程序來工作的。主機CPU 板是整個勵磁裝置的控制核心，除可實現(xiàn)測量、保護、控制與調(diào)節(jié)功能外，它同時還負責與后臺上位機及讀寫控制器之間的通訊。無論采用何種類型的勵磁裝置，無論勵磁裝置有多么先進，它必須依據(jù)同步電動機的有關(guān)特性對電機進行控制與調(diào)節(jié)，因此，在介紹微機勵磁裝置工作原理前，有必要對同步電動機的特性作介紹。

3.1 同步電動機的特性

圖1 微機勵磁裝置組成示意圖

圖2 同步電動機V 形曲線

同步電動機在運行時需從電網(wǎng)吸收有功，吸收有功功率的大小取決于所帶負載及電機本身的有功損耗。同步電動機的無功決定于勵磁裝置輸出勵磁電流，同步電動機V 形曲線詳見圖2。當過勵（超前）運行時，同步電動機向電網(wǎng)發(fā)電感性無功（從電網(wǎng)吸收電容性無功）；欠勵（滯后）運行時，從電網(wǎng)吸收電感性無功；理論上，在正常勵磁運行時，既不發(fā)無功，又不吸收無功，對應功率因數(shù)cosφ=l。假設負載功率為P2，cosφ=l，當負載由P2突變?yōu)镻3時，此時若不能及時進行手動或自動增磁，電機將運行在欠勵（滯后）狀態(tài)，同時，定子電流增加，電機從電網(wǎng)吸收電感性無功，這是供電部門所禁止的，若負載變化幅度過大，電機將失去同步。在泵站實際運行時，通常功率因數(shù)值為0.9，使同步電動機工作在超前狀態(tài)，這樣既可以就地補償異步電機所需電感性無功，又可向電網(wǎng)發(fā)送電感性無功，以改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量，這就是同步電機的無功調(diào)節(jié)特性。

同步電動機的另一個特性就是功角特性。同步電動機正常運行時，從電網(wǎng)吸收的電磁功率Pem與負載功率Pf維持動態(tài)平衡，電網(wǎng)電壓及負載在正常范圍內(nèi)波動時，同步電動機都不會失步，這由其功角特性決定（如圖3 所示），電磁功率由式（1）確定。

式中：

E—勵磁電勢；

U—母線電壓；

Xd∑—總電抗；

δ—功角。

圖3 同步電動機功角特性

負載突增而電壓不變時，由圖3的功角特性曲線及式（1）可知，負載功率Pf往上移，如無閉環(huán)調(diào)節(jié)，電磁功率曲線Pem不變，運行功角δ 增大，δ≥90°時，電機將失去同步；有閉環(huán)調(diào)節(jié)時，曲線Pem同時上移，運行功角δ 保持相對恒定，電機穩(wěn)定性增加。電壓突降而負載不變時，如無閉環(huán)調(diào)節(jié)，因勵磁裝置380 V 勵磁電源（取自電機同段母線）同時下降，勵磁電勢E 近似與電壓成正比下降，故電磁功率曲線Pem近似與機端電壓Ud平方成正比下降，運行功角δ 增大，電機穩(wěn)定裕度大大減??；如采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，Ud下降的同時，勵磁電勢E 加大，Pem基本不變，電機穩(wěn)定性增加。

3.2 勵磁工作原理

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，也可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。

3.2.1 滑差捕捉

當勵磁系統(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)子回路中會感應出交變電流。當轉(zhuǎn)子感應電流If 為正半波時，電流流通路徑為：L2—IB—FL—RQ—ZQ—L1—L2；當If 為負半波時，在轉(zhuǎn)子兩端感應電動勢的作用下，啟動可控硅KQ 觸發(fā)導通，電流流通路徑為：L1—KQ—RQ—FL—IB—L2—L1。這樣，在電機啟動過程中，轉(zhuǎn)子感應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IB 等。IB 再將轉(zhuǎn)子感應電流進行放大變換，來實現(xiàn)捕捉滑差的目的，為勵磁裝置的實時準角投勵做好充分準備。具體流程如圖l 所示。

3.2.2 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，當轉(zhuǎn)速達到亞同步轉(zhuǎn)速（95%的同步轉(zhuǎn)速）、滑差率為5%時，此時并不能立即投勵，否則會對電機造成較大的沖擊，需等待至正半波末尾過零點時，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角投勵。在滑差投勵的同時，也啟動了零壓計時投勵，投入正常勵磁后，由JQJ 繼電器保證啟動回路自動關(guān)斷。

勵磁主機根據(jù)感應電流的變化來準確捕捉5%的滑差率進行準角投勵的原理是：同步電機啟動瞬間轉(zhuǎn)差率很大，反映在感應電流的波形上就是頻率大，接近電源頻率50 Hz；反之，在同步電機接近同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)差率很小，電流波形頻率亦極小?；魻栯娏鱾鞲衅鱅B 不斷地將采集到的轉(zhuǎn)子感應電流傳輸?shù)紸、B 套通道板上，再經(jīng)變換放大處理后送到主機板上，主機實時檢測正弦電流半波周期△tHC，直至△tHC=0.2 s 為止，此時轉(zhuǎn)差率即為5%，電流半波周期與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系由式（2）求得。

式中：

△tHC—電流半波周期；

S—轉(zhuǎn)差率；

F—頻率50 Hz。

當S=5%時，△tHC=1/（2×0.05×50）=0.2 s。

至于在零壓計時投勵，其作為滑差投勵的后備投勵環(huán)節(jié)，是通過檢測轉(zhuǎn)子感應電流的正半波來實現(xiàn)的。當設定投勵時間為2 s 時，對應的S=0.5%，其原理及計算方法與滑差投勵相同。由于零壓計時投勵的定值比滑差投勵大，絕大多數(shù)情況下，滑差投勵都能準確動作，只有某些特定機組由于機組慣量小，轉(zhuǎn)速低，且電機凸極效應較強，啟動過程非?？欤嬖诨钔秳瞽h(huán)捕捉不到而電機卻已直接進入同步的可能性，這種情況只能靠零壓計時投勵動作。

3.2.3 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)或負載的波動而導致電機失步的幾率，確保泵站運行的連續(xù)性與穩(wěn)定性，在WKLF—I1D22 型微機勵磁裝置中，應用了轉(zhuǎn)子勵磁電流負反饋和定子功率因數(shù)負反饋相結(jié)合的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)［2］（見圖4）。

（1）供給勵磁系統(tǒng)的低壓380 V電源發(fā)生波動時，勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)（見圖4）能迅速作出反應，自動調(diào)整可控硅觸發(fā)導前角α，使勵磁電流基本保持恒定，供給勵磁電源電壓在-20%～+15%波動時，勵磁電流波動不超過±0.5%。

（2）在勵磁繞組直流電阻隨溫度變化時（溫度升高阻值變大），勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)將自動改變可控硅觸發(fā)導前角，維持勵磁電流恒定，當勵磁繞組電阻波動±10%時，勵磁電流波動不超過±0.5%。

圖4 勵磁控制調(diào)節(jié)框

（3）在雙閉環(huán)方式工作條件下，外環(huán)的輸出值是內(nèi)環(huán)的給定值，當外環(huán)要求改變勵磁電流時，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器迅速反應，以使勵磁電流實際值與目標值盡可能快地趨于一致。

（4）同步電機定子供電電源和負載發(fā)生波動時，勵磁調(diào)節(jié)器的外環(huán)（功率因數(shù)環(huán)）迅速作出反應，自動加大或減小勵磁電流給定值，在一定的范圍內(nèi)（電機不長時超額運行）維持電磁功率Pem與負載功率Pf動態(tài)平衡，具體見圖3、圖4 及式（1）。

在裝置的主機箱面板上，設有開/閉環(huán)控制鈕。當旋鈕置于開環(huán)位置時，外環(huán)退出運行，勵磁調(diào)節(jié)器為恒勵磁電流調(diào)節(jié)；當旋鈕置于閉環(huán)位置時，功率因數(shù)環(huán)和電流環(huán)同時投入，只是在某些故障狀態(tài)時，如：PT、CT回路故障，勵磁電流超過額定值1.05倍且持續(xù)一定時間，勵磁電流低于額定值5%且持續(xù)一定時間等，功率因數(shù)閉環(huán)將自動退出運行。

3.2.4 滅磁

同步電動機通常工作在過勵狀態(tài)，其轉(zhuǎn)子繞組是一種大電感負載，當接到上級停機指令、勵磁裝置本身故障、微機保護動作與跳閘等情況而要求斷路器分閘時，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。在WKLF-I1D22 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。進入滅磁子程序后，強行設置α=150°，主橋進入逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子儲能經(jīng)勵磁變壓器回饋至電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子電流逐漸減小，當電流小到一定值時，主橋可控硅完全關(guān)斷，此時停發(fā)觸發(fā)脈沖即滅磁結(jié)束。

4 微機勵磁裝置的性能優(yōu)勢

4.1 技術(shù)可靠性高

雙套微機勵磁調(diào)節(jié)器和雙套工作電源互為熱備用。在主機出現(xiàn)電源故障、軟件故障和硬件故障時，能自動切換至備用通道，雙套切換時，勵磁電流和電壓以及所有工作狀態(tài)均不發(fā)生任何改變，切換過程完全無抖動，并且可以實現(xiàn)不停機更換故障插件［2］。

4.2 保護功能強大

同步電機在運行過程中，受電網(wǎng)電壓或負載突然波動的影響，經(jīng)常發(fā)生失步現(xiàn)象，為此對失步保護進行重點論述。失步分為帶勵失步和失磁失步兩種，失步保護是勵磁主機通過檢測電機轉(zhuǎn)子感應電流的波形，并對其幅值、周期以及震蕩次數(shù)進行分析，從而判斷電機是否失步及何種類型的失步。當主機判斷電機工作在帶勵失步狀態(tài)時，將啟動保護程序，同時調(diào)用失步再整步控制程序進行逆變滅磁加1 s 強勵，將電機拉入同步，再整步投勵后的一定時間內(nèi)，若仍不能將電機拉入同步時，將跳閘停機，以確保設備安全。當電機工作在失磁失步狀態(tài)時，保護將動作于跳閘。

4.3 與上位機通訊

WKLF-I1D22 型微機勵磁裝置具有RS-485 標準通訊接口，常規(guī)配置了MODBUS RTU 模式下的從站通訊軟件，只要在讀寫控制器上進行簡單設置，便能很容易與后臺上位機進行通訊。所有的就地操作均可在中控室微機監(jiān)控系統(tǒng)上完成，如：勵磁裝置的遠方操作、運行參數(shù)的設置與修改、設備狀態(tài)及工作參數(shù)的遠傳等，達到無人值班、少人值守的要求。

5 結(jié)語

近年來，隨著大功率同步電動機在南水北調(diào)大型泵站中的廣泛應用，人們對勵磁裝置也提出了更高的要求。以電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論與微機技術(shù)相結(jié)合，集“控制、保護、測量、通訊”于一體的新一代微機勵磁裝置在南水北調(diào)工程的應用中無疑占有很大的優(yōu)勢，并且在今后的運行中將發(fā)揮重要的作用。

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

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