楊戰(zhàn)勝 王國強 岳陽林紙股份有限公司 湖南 岳陽 （414002）

岳紙同步電機勵磁系統(tǒng)的數(shù)字化改造

楊戰(zhàn)勝 王國強 岳陽林紙股份有限公司 湖南 岳陽 （414002）

介紹岳陽紙業(yè)化機漿車間1#線兩臺6kV高壓同步機勵磁裝置的數(shù)字化改造。敘述了全數(shù)字同步電機勵磁裝置DSE-M5.00在改造中的應用，改造實現(xiàn)了原同步機的勵磁裝置系統(tǒng)、控制柜及繼電保護屏的全數(shù)字化，提高了運行可靠性，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

同步機；DSE-M5.00勵磁裝置；7UM62高壓綜保；S7-200PLC

岳陽林紙股份有限公司化機漿車間盤磨機在整個工藝中處于非常關鍵的位置，兩臺盤磨機使用同步電動機驅動，盤磨機要求電機功率大，轉速恒定不受負載影響，且功率因數(shù)可調(diào)，能向電網(wǎng)補償無功,改善電網(wǎng)供電質量。該電機為東方電機廠TGKS5000-4型同步機，額定功率5000kW，額定轉速1500r/min，定子電壓6000V，定子電流552A，額定勵磁電壓95V，額定勵磁電流300A。起動方式為串電抗器降壓起動，整個同步機系統(tǒng)包括：主回路的主電機、高壓開關、電抗器；控制部分的勵磁柜、控制柜、變送和繼電保護柜；輔助部分的潤滑油和液壓油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)組成。其中勵磁系統(tǒng)為整個同步機系統(tǒng)的核心部分和最為脆弱的部分，據(jù)不完全統(tǒng)計，因勵磁裝置故障而造成停機占整個故障停機次數(shù)的80%以上[1]。我廠化機漿1#線兩臺同步機的勵磁系統(tǒng)為東方電機廠生產(chǎn)的分立元件的模擬電路控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是：結構簡單，造價低廉，但功能單一保護不全，穩(wěn)定性差，易受到環(huán)境、溫度、電磁干擾、插接件接觸不良的影響，經(jīng)常出現(xiàn)晶閘管誤導通、脈沖丟失、三相電流丟波缺相、不平衡、勵磁不穩(wěn)定造成失磁或投勵失敗，引起電機故障，威脅電機的穩(wěn)定運行。因此決定對其原有的勵磁系統(tǒng)進行升級改造，在改造勵磁系統(tǒng)的同時也對原控制系統(tǒng)和繼電保護屏進行升級。

1 DSE-M5.00勵磁裝置簡介

北京科信邦電氣傳動技術有限公司生產(chǎn)的DSE-M5.00是專門為大型同步電動機研制的全數(shù)字化勵磁系統(tǒng)，最大輸出電流可與軟件完美兼容，以達到1200A。該系統(tǒng)完全基于西門子技術生產(chǎn)的高可靠性勵磁裝置DC MASTER勵磁控制器，該勵磁控制器采用2片32位微處理器進行冗余控制，通過隨時交換實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無斷點容錯運行。主要作為大電流、高可靠性、惡劣運行環(huán)境下的大型同步電動機勵磁用。且可與西門子公司的DriveMonitor工控通過該軟件可對內(nèi)部的動態(tài)參數(shù)，如PID參數(shù)、觸發(fā)角、設定值、反饋值、限幅值等1000多個參數(shù)進行實時監(jiān)控，而且，不需要通過外掛PLC，僅通過自帶的Profibus-DP接口就可與上級自動化系統(tǒng)直接連接[2]。圖1是在調(diào)試時使用的一個范例。

圖1 DSE-M5.00勵磁裝置使用調(diào)試時計算機監(jiān)測情況

2 同步機勵磁系統(tǒng)的數(shù)字化改造方案

此次改造主要是對原系統(tǒng)的數(shù)字化改造，涉及勵磁柜、控制柜、變送和繼電保護屏，以全數(shù)字化勵磁裝置替代原BL1B型模擬電路可控硅勵磁裝置，以西門子7UM62高壓綜保替代原機械式繼電保護裝置，以達改造后性能更為可靠，調(diào)節(jié)精度高，維護量更小的目的。

考慮到與車間原控制系統(tǒng)的兼容，故此次改造與上位機的控制仍然延用硬接線，而未使用現(xiàn)場總線。在選用PLC時，考慮到實際的I/O數(shù)量不大，且與上位機仍是使用硬接線連接，所以選擇性能穩(wěn)定，價格較為低的西門子S7-200系列PLC，作為中央控制系統(tǒng)負責控制同步機的電氣連鎖和與上位機的連接。系統(tǒng)結構如圖2，所有電氣信號送入PLC，由PLC控制同步機的起動、停止、投勵、和各種電氣故障處理，工藝連鎖則由上位機處理，并與PLC協(xié)調(diào)控制。

圖2 控制系統(tǒng)連接示意圖

2.1 勵磁系統(tǒng)的改造（如圖3[3]）

圖3 原勵磁系統(tǒng)結構圖

感應電流在負半周通過VDS、Rf1、Rf2續(xù)流，正半周通過1VTS、2VTS、Rf1、Rf2續(xù)流。其缺陷在于當通過1VTS、2VTS續(xù)流時，1VTS、2VTS需要較高的感應電壓（一般為電機額定勵磁電壓的2.5倍）才能導通。而且由于1VTS與2VTS的特性參數(shù)并不一致，所以實際的導通電壓要比設定值更高，在起動時轉子感應電流波形如圖4所示。

圖4 電機啟動時電流波形

圖4 a為采用圖3結線方式時的轉子感應電流波形。假定電機的額定勵磁電壓為100V，則起動時1VTS、2VTS的導通電壓為250V，在感應電壓正半周過零點至低于250V之間，轉子繞組中將沒有電流產(chǎn)生，而在負半周則一直有電流流過，當電機起動至末尾，轉子感應電壓會低于1VTS、2VTS的導通設定值（如250V），此時轉子繞組中將完全沒有正半周電流流過，這樣，在起動時，相當于在轉子繞組疊加了一個直流分量，造成電機帶勵起動，破壞了電機的起動力矩特性，在起動時表現(xiàn)為電機劇烈振動、定子電流成倍增加、起動時間延長。對于重型負載，將會產(chǎn)生特別嚴重的后果，如加速電機定子繞組絕緣老化、破壞電機的定子結構，嚴重的可以燒毀電機。

圖5 改造后的勵磁系統(tǒng)結構圖

改造后的勵磁系統(tǒng)（見圖5）其主回路采用改進型全控橋結構，在這個電路中VTS采用分級整定的辦法，電機起動期間，VTS在很低的電壓下（0～10V）就能導通，確保轉子感應電流在正負半周內(nèi)都是對稱的，而在正常運行時，VTS在很高的電壓下才能導通[4]。其間的切換是由起動及轉子保護裝置進行采樣，送至勵磁控制單元，控制單元根據(jù)電機的運行工況對該裝置進行控制，改造后轉子感應波形如圖4b所示，它基本接近于理想的感應電流波形。

改造后的勵磁裝置采用順極性“準角投勵”與18秒定時投勵相結合的方式。所謂“準角投磁”是指電機轉速進入臨界滑差（即95%-98%之間）[5]，按照電動機投勵瞬間在轉子回路中產(chǎn)生的磁場與定子繞組產(chǎn)生的磁場互相吸引力最大(即定子磁場的N、S極分別與轉子繞組產(chǎn)生的S、N極相吸)[4]。在準角時（即圖6中的M點）投入強勵，使吸引力進一步加大，這樣電機進入同步便輕松、快速、平滑、無沖擊，起動時間可縮短30%以上。

圖6 改造后的勵磁裝置感應電流、電壓變化情況

DSE-M5.00勵磁裝置的參數(shù)設置：

P078=160V整流器額定輸入電壓

P100=22.5A(對應300A)額定勵磁電流

P155=1.47 電流調(diào)節(jié)器的P增益

P156=0.255電流調(diào)節(jié)器的積分時間

P401=80%(4800KV)強勵動作定子電壓值

P402=105%(420A)強勵電流

P403=25%(100A) 弱磁電流

P467=50%(200A) 設定勵磁電流

P468=60%(240A) 設定勵磁電流上限

P469=30%（120A）設定勵磁電流下限

P171=105%(420A) 轉矩方向I的系統(tǒng)電流限幅

P172=0% 轉矩方向II的系統(tǒng)電流限幅

2.2 變送裝置改造

采用集成度高的數(shù)字變送器，將不再使用獨立的變送器屏。輸出信號包括：定子電壓、定子電流、勵磁電壓、勵磁電流、電機有功功率到計算機參與控制。

2.3 控制回路改造

摒棄原有的繼電器控制，采用西門子公司高效可靠的S7-200PLC進行控制，將原來煩瑣的繼電器控制改造為PLC邏輯控制，通過MPI協(xié)議和Prodibus-DP協(xié)議與液晶顯示屏以及西門子綜保、勵磁的通訊，完成數(shù)據(jù)傳遞。由S7-200PLC接收DSE-M5.00勵磁裝置，7UM62高壓綜保，及各高壓開關的準備信號，并檢測同步機主電機風溫、前后軸承溫度、三相繞組溫度有無報警，潤滑油泵運行是否正常，油溫、油壓有無報警，當以上開機條件全部具備，PLC將向上位機發(fā)出“允許合閘”信號以示同步機系統(tǒng)具備開機條件，當PLC接收到上位機的“合閘”指令開始起動同步機，并在完成投勵后向上位機反饋“運行”信號。

2.4 同步機的電氣保護

同步機的保護可分為主電機的保護和同步機系統(tǒng)的連鎖保護，改造后的同步機保護如下：

主電機保護由Siemens電機綜合保護裝置7UM62完成，包括：縱差動、電流速斷、絕緣監(jiān)視、低電壓動作、電壓互感器熔絲熔斷監(jiān)視、零序、啟動時間長、過負荷、單相接地。當出現(xiàn)故障時，7UM62綜保將向S7-200發(fā)送一個“高壓綜保故障”信號，由PLC記錄并停同步機，同時也為防止出現(xiàn)PLC故障不能停機的現(xiàn)象，該綜保同時送出一個信號直接跳開高壓小車開關。

連鎖保護由S7-200PLC完成包括：主電機供油系統(tǒng)監(jiān)視--油泵不開電機無運行允許信號，主電機停機后延時15分鐘停油泵，一臺同步機有兩臺電機潤滑油泵一用一備，當油壓不足時自動起用備用泵，油溫、油壓、油位報警、軸溫、繞組溫度高報警、高高報警（跳閘）等。

3 改造效果

在完成此次改造后，實現(xiàn)了老系統(tǒng)同步機的全數(shù)字化，勵磁系統(tǒng)連續(xù)運行2年零故障。減少同步機因故障造成的停機時間，提高了控制精度，優(yōu)化控制方法，在其它工藝條件不變的前提下，將同步機的起動時間由原來的15～20秒縮短到9～10S有效降低電機起動損傷，大大提高電機的使用壽命。

[1]楊成德.同步機勵磁技術.電氣傳動自動化,2002,24(4)

[2]《dsem500說明書》.北京科信邦電氣傳動技術有限公司

[3]《BL1B型同步機可控硅勵磁裝置原理說明書》.東方電機廠

[4]《dsem100說明書》.北京科信邦電氣傳動技術有限公司

楊戰(zhàn)勝，男，工程師，從事岳陽紙業(yè)電氣技術維護和管理工作。

王國強，男（1981年——），工程師，從事岳陽紙業(yè)化機漿車間電氣技術維護工作。

2012-4-4