無(wú)刷同步電動(dòng)機旋轉勵磁器升級后應用實(shí)例

摘要：高安全性能的壓縮機是氫氣加壓裂化所需的重要設備，需要使用無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)，并且其啟動(dòng)和運行性能有苛刻要求。2014年獨石化乙烯廠(chǎng)制氫車(chē)間技術(shù)改造時(shí)，換用TAKW450-18增安型大型高壓無(wú)刷同步電動(dòng)機，其旋轉勵磁器采用WLK-03SC/N1替代了已經(jīng)運行近10年的舊裝置。本文介紹了該WLK-03SC/N1勵磁器的結構、功能、工作原理及其優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明新裝無(wú)刷同步電動(dòng)機能夠滿(mǎn)足壓縮機安全性的要求，保證了加壓氫裂裝置的穩定運行。

引言

　　無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機作為動(dòng)力拖動(dòng)設備，消滅了因滑環(huán)與碳刷無(wú)休止地滑動(dòng)接觸致碳刷磨損產(chǎn)生必然的火花。所以，無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機成為具有防爆、防塵、防腐蝕、恒速可控、啟動(dòng)特性?xún)?yōu)良、事故時(shí)能夠自動(dòng)強行勵磁穩速和永不停轉要求的石油、化工行業(yè)及其他特殊場(chǎng)合的選擇。

　　主電機(同步電動(dòng)機主體部分)和勵磁裝置組成無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機。勵磁裝置包含旋轉整流器、交流勵磁機和靜態(tài)勵磁裝置，工作原理如圖1所示。

　　主電機轉子與交流勵磁機轉子同軸，勵磁機采用定子勵磁、轉子發(fā)電的工作方式。勵磁機定子由靜態(tài)勵磁裝置供電，與電動(dòng)機主軸一起旋轉的轉子繞組感應出三相交流電，該三相交流電經(jīng)整流橋整流后供給同步電動(dòng)機轉子繞組，產(chǎn)生勵磁電流。通過(guò)改變勵磁機定子的勵磁電流，可調整勵磁機轉子發(fā)出的三相交流電壓，從而改變同步電動(dòng)機勵磁繞組的勵磁電流，達到控制其啟動(dòng)與運行的目的。勵磁裝置作用如表1所示。其性能優(yōu)劣直接影響到同步電動(dòng)機系統安全穩定的啟動(dòng)與運行^[1]。

1 工程概況

　　獨石化公司乙烯廠(chǎng)某制氫車(chē)間的加氫裂化裝置中有6臺壓縮機。壓縮機是對催化反應需要的新氫進(jìn)行增壓液化處理的設備。2004年該車(chē)間采用北重電機廠(chǎng)生產(chǎn)的同步電動(dòng)機，功率為450kW～500kW，配套WLK-02II型微機勵磁系統驅動(dòng)，進(jìn)行壓氫作業(yè)。該套設備運行近10年，出現同步動(dòng)作不可靠，運行不穩定等問(wèn)題，嚴重影響加氫裂化裝置的安全生產(chǎn)。

　　2014年2月該車(chē)間技術(shù)改造，采用TAKW450-18增安型大型同步電動(dòng)機驅動(dòng)往復式壓縮機對新氫進(jìn)行增壓，定子額定電壓6kV，裝機容量達到1250kW。配電裝置采用戶(hù)內式布置，布置于主廠(chǎng)房6kV機組旁，6kV電源由戶(hù)外35/6kV專(zhuān)用變電所負責供電，配用1600KVA主變壓器1臺。勵磁裝置升級為WLK-03SC/N1型微機勵磁，WLK-03SC型屬于WLK系列無(wú)刷勵磁裝置第三代產(chǎn)品，配套的DSB斷電失步保護裝置DSBIII為PLC式，額定勵磁電壓為72V，額定勵磁電流為11A，恒功率因數自動(dòng)控制方式。與前兩代勵磁裝置比較，該裝置采用雙微機控制系統及觸摸屏，可帶載不停機更換控制板;保護功能完善，具備失步保護及不減載自動(dòng)再整步功能，可滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境下長(cháng)周期連續運行的要求，安裝環(huán)境如表2所示。

　　該裝置設計有雙電源自動(dòng)切換單元，切換時(shí)間<80ms。該單元由雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)A.T.S進(jìn)行主、備電源切換，主、備電源電壓為380/220VAC(三相四線(xiàn)制)，相線(xiàn)分別接至A.T.S進(jìn)線(xiàn)端，A、B和C接主電源，U、V和W接備用電源，兩路電源的相位保持一致^[2]。

2 結構及功能

　　WLK-03SC/N1型微機勵磁裝置由旋轉勵磁和靜態(tài)勵磁兩部分組成，如圖2所示。

2.1 靜態(tài)勵磁裝置

　　靜態(tài)勵磁裝置是為交流勵磁機提供直流勵磁調節、控制和保護的設備。裝置由控制中心CC和觸摸屏組成，控制中心CC為裝置核心，使用Modbus協(xié)議與觸摸屏及上位機通信，上位機選用工業(yè)PC機，功能是遠程監控。

　　控制中心CC為A/B機(A開(kāi)B備)雙控制系統。系統中包括A、B機的CPU模塊、I/O模塊和DY電源模塊。CPU模塊以80C196KC為中心，帶A/D轉換及DI/DO，配隔離光耦，具有掉電保護功能。由I/O模塊輸出的模擬量送至CPU進(jìn)行A/D轉換，數字量經(jīng)光耦隔離后與CPU模塊相連。CPU根據輸入信號(包含觸摸屏輸入信號)處理計算后，完成邏輯運算、控制和保護功能，并執行脈沖輸出和數字量輸出，CPU的脈沖輸出通過(guò)I/O模塊經(jīng)過(guò)隔離單元及脈沖放大后，供給三相半控橋觸發(fā)脈沖。DY電源模塊輸入采用直流開(kāi)關(guān)電源和交流開(kāi)關(guān)電源雙路供電的24V，輸出為5V和±12V。為提高可靠性和避免外部電源的干擾，±12V電源供IO模塊及傳感器模塊使用，5V電源專(zhuān)供雙系統的CPU使用。

　　觸摸屏采用威綸通科技有限公司(WEINVIEW CO，LTDeview)的MT506。輸入電壓：24VDC;電源電阻：4Ω;顯示器：5.6”，256色，TFT LCD;分辨率：320×234，支持USB2.0;處理器：32 Bit RISC 400MHz;內存(DRAM)：64MB DDR2 on board;通訊口：RS-232/RS-485(2W/4W)，本系統通信選用RS485接口;應用軟件：EB8000 V2.0.0。觸摸屏能夠查看到同步電動(dòng)機的勵磁裝置的Uff、Iff、α、U、I、cosφ、f、P、Q等參數，以及現場(chǎng)監控裝置發(fā)出的報警信息，在運行中還能夠根據控制要求修改設定值?！笆录涗洝敝杏泄收蠄缶畔⒓爸匾僮鞯挠涗?，方便故障出現后進(jìn)行問(wèn)題分析。

2.2 旋轉勵磁裝置

　　旋轉整流器和交流勵磁機屬于旋轉勵磁部分。交流勵磁機由生產(chǎn)電機廠(chǎng)家提供，這里不做分析。

　　該勵磁裝置配套WLK-03B旋轉整流器，如圖3所示。由盤(pán)體、控制模塊、整流功率模塊、啟動(dòng)功率模塊和滅磁電阻模塊組成的旋轉整流器是無(wú)刷勵磁系統中最重要的部分，在交流勵磁發(fā)電機的轉子上安裝。

　　整流器的核心器件是控制模塊，能夠完成電機啟動(dòng)投勵，輸出觸發(fā)脈沖，接通功率模塊，并控制啟動(dòng)模塊對啟動(dòng)電阻的投入與切除?？刂颇K型號：KZMK-03B，輸入電路峰值電壓<430V，輸出電路電壓<660V(阻斷時(shí))，每路通態(tài)時(shí)電流<200mA。

　　整流器件為整流功率模塊，是將交流勵磁機發(fā)出的交流電整流后向主電機轉子繞組提供勵磁，型號：TDR型。啟動(dòng)功率模塊在電動(dòng)機異步驅動(dòng)過(guò)程中，投入啟動(dòng)電阻，改善主電機異步驅動(dòng)力矩，實(shí)現電動(dòng)機平穩迅速的無(wú)脈振啟動(dòng)，型號：TD型。當控制模塊完成啟動(dòng)功能后，啟動(dòng)電阻會(huì )自動(dòng)退出。

　　同步電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)如果轉子處于開(kāi)路狀態(tài)，轉子中將會(huì )感應出極高的電壓，一般能達到幾千伏，因此，啟動(dòng)時(shí)在激磁繞組會(huì )并聯(lián)滅磁電阻RF，阻值約是5~10倍的激磁繞組電阻，在電動(dòng)機失步時(shí)此電阻能夠起到保護旋轉整流器免受過(guò)電壓損壞。采用FZ-2型滅磁電阻，使用時(shí)8只相同阻值的滅磁電阻串聯(lián)使用。單個(gè)滅磁電阻最大通電電流為210A，通過(guò)此電流時(shí)，通電時(shí)間應該≤12s。

　　KZMK-03B型控制模塊，TDR、TD型功率模塊和FZ系列滅磁電阻均為WLK系列增安型無(wú)刷勵磁系統旋轉整流器上的專(zhuān)用部件，部件的性能參數如表3所示^[3-6]。

3 工作原理及特點(diǎn)

　　WLK-03SC/N1型微機勵磁裝置從主電源A、B和C得電，經(jīng)QF空氣開(kāi)關(guān)送至勵磁變壓器TB的一次側，TB二次側經(jīng)接觸器KM連于V1~V6組成的三相半控橋。同步電動(dòng)機在高壓斷路器QS合閘后啟動(dòng)，由高壓斷路輔助觸點(diǎn)啟動(dòng)靜態(tài)勵磁柜變壓器輸出端的接觸器KM經(jīng)過(guò)T1的延時(shí)時(shí)間后，主觸點(diǎn)自動(dòng)閉合，同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖，三相半控橋按設定值90°的初始值提供直流勵磁電壓和勵磁電流， KM主觸點(diǎn)吸合后經(jīng)一定延時(shí)，即在電動(dòng)機可靠牽入同步后，自動(dòng)調節系統和保護系統才投入工作。該裝置特點(diǎn)如表4所示。

　　該裝置還具備旋轉整流器故障檢測功能。運行過(guò)程中，電網(wǎng)電壓下降到額定電壓80%時(shí)，勵磁系統能提供≥1.4Uff的強勵電壓，強勵時(shí)間≤50s。

4 結束語(yǔ)

　　2014年6月該車(chē)間完成了同步電動(dòng)機和勵磁裝置的安裝及技術(shù)升級工作，該勵磁裝置運行近一年，發(fā)揮穩定，能夠對同步電動(dòng)機的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及出現故障時(shí)準確報警和切換，有效地保障了壓縮機的安全工作和加氫裂化裝置的穩定生產(chǎn)。

參考文獻：

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。