楊戰(zhàn)勝 王國(guó)強(qiáng) 岳陽(yáng)林紙股份有限公司 湖南 岳陽(yáng) （414002）

岳紙同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)字化改造

楊戰(zhàn)勝 王國(guó)強(qiáng) 岳陽(yáng)林紙股份有限公司 湖南 岳陽(yáng) （414002）

介紹岳陽(yáng)紙業(yè)化機(jī)漿車(chē)間1#線兩臺(tái)6kV高壓同步機(jī)勵(lì)磁裝置的數(shù)字化改造。敘述了全數(shù)字同步電機(jī)勵(lì)磁裝置DSE-M5.00在改造中的應(yīng)用，改造實(shí)現(xiàn)了原同步機(jī)的勵(lì)磁裝置系統(tǒng)、控制柜及繼電保護(hù)屏的全數(shù)字化，提高了運(yùn)行可靠性，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

同步機(jī)；DSE-M5.00勵(lì)磁裝置；7UM62高壓綜保；S7-200PLC

岳陽(yáng)林紙股份有限公司化機(jī)漿車(chē)間盤(pán)磨機(jī)在整個(gè)工藝中處于非常關(guān)鍵的位置，兩臺(tái)盤(pán)磨機(jī)使用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，盤(pán)磨機(jī)要求電機(jī)功率大，轉(zhuǎn)速恒定不受負(fù)載影響，且功率因數(shù)可調(diào)，能向電網(wǎng)補(bǔ)償無(wú)功,改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。該電機(jī)為東方電機(jī)廠TGKS5000-4型同步機(jī)，額定功率5000kW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，定子電壓6000V，定子電流552A，額定勵(lì)磁電壓95V，額定勵(lì)磁電流300A。起動(dòng)方式為串電抗器降壓起動(dòng)，整個(gè)同步機(jī)系統(tǒng)包括：主回路的主電機(jī)、高壓開(kāi)關(guān)、電抗器；控制部分的勵(lì)磁柜、控制柜、變送和繼電保護(hù)柜；輔助部分的潤(rùn)滑油和液壓油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)組成。其中勵(lì)磁系統(tǒng)為整個(gè)同步機(jī)系統(tǒng)的核心部分和最為脆弱的部分，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因勵(lì)磁裝置故障而造成停機(jī)占整個(gè)故障停機(jī)次數(shù)的80%以上[1]。我廠化機(jī)漿1#線兩臺(tái)同步機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)為東方電機(jī)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(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，但功能單一保護(hù)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(dǎo)通、脈沖丟失、三相電流丟波缺相、不平衡、勵(lì)磁不穩(wěn)定造成失磁或投勵(lì)失敗，引起電機(jī)故障，威脅電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此決定對(duì)其原有的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，在改造勵(lì)磁系統(tǒng)的同時(shí)也對(duì)原控制系統(tǒng)和繼電保護(hù)屏進(jìn)行升級(jí)。

1 DSE-M5.00勵(lì)磁裝置簡(jiǎn)介

北京科信邦電氣傳動(dòng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DSE-M5.00是專(zhuān)門(mén)為大型同步電動(dòng)機(jī)研制的全數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)，最大輸出電流可與軟件完美兼容，以達(dá)到1200A。該系統(tǒng)完全基于西門(mén)子技術(shù)生產(chǎn)的高可靠性勵(lì)磁裝置DC MASTER勵(lì)磁控制器，該勵(lì)磁控制器采用2片32位微處理器進(jìn)行冗余控制，通過(guò)隨時(shí)交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)斷點(diǎn)容錯(cuò)運(yùn)行。主要作為大電流、高可靠性、惡劣運(yùn)行環(huán)境下的大型同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁用。且可與西門(mén)子公司的DriveMonitor工控通過(guò)該軟件可對(duì)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如PID參數(shù)、觸發(fā)角、設(shè)定值、反饋值、限幅值等1000多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且，不需要通過(guò)外掛PLC，僅通過(guò)自帶的Profibus-DP接口就可與上級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)直接連接[2]。圖1是在調(diào)試時(shí)使用的一個(gè)范例。

圖1 DSE-M5.00勵(lì)磁裝置使用調(diào)試時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)情況

2 同步機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)字化改造方案

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

考慮到與車(chē)間原控制系統(tǒng)的兼容，故此次改造與上位機(jī)的控制仍然延用硬接線，而未使用現(xiàn)場(chǎng)總線。在選用PLC時(shí)，考慮到實(shí)際的I/O數(shù)量不大，且與上位機(jī)仍是使用硬接線連接，所以選擇性能穩(wěn)定，價(jià)格較為低的西門(mén)子S7-200系列PLC，作為中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制同步機(jī)的電氣連鎖和與上位機(jī)的連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，所有電氣信號(hào)送入PLC，由PLC控制同步機(jī)的起動(dòng)、停止、投勵(lì)、和各種電氣故障處理，工藝連鎖則由上位機(jī)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(lì)磁系統(tǒng)的改造（如圖3[3]）

圖3 原勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

感應(yīng)電流在負(fù)半周通過(guò)VDS、Rf1、Rf2續(xù)流，正半周通過(guò)1VTS、2VTS、Rf1、Rf2續(xù)流。其缺陷在于當(dāng)通過(guò)1VTS、2VTS續(xù)流時(shí)，1VTS、2VTS需要較高的感應(yīng)電壓（一般為電機(jī)額定勵(lì)磁電壓的2.5倍）才能導(dǎo)通。而且由于1VTS與2VTS的特性參數(shù)并不一致，所以實(shí)際的導(dǎo)通電壓要比設(shè)定值更高，在起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流波形如圖4所示。

圖4 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流波形

圖4 a為采用圖3結(jié)線方式時(shí)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流波形。假定電機(jī)的額定勵(lì)磁電壓為100V，則起動(dòng)時(shí)1VTS、2VTS的導(dǎo)通電壓為250V，在感應(yīng)電壓正半周過(guò)零點(diǎn)至低于250V之間，轉(zhuǎn)子繞組中將沒(méi)有電流產(chǎn)生，而在負(fù)半周則一直有電流流過(guò)，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)至末尾，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓會(huì)低于1VTS、2VTS的導(dǎo)通設(shè)定值（如250V），此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組中將完全沒(méi)有正半周電流流過(guò)，這樣，在起動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子繞組疊加了一個(gè)直流分量，造成電機(jī)帶勵(lì)起動(dòng)，破壞了電機(jī)的起動(dòng)力矩特性，在起動(dòng)時(shí)表現(xiàn)為電機(jī)劇烈振動(dòng)、定子電流成倍增加、起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。對(duì)于重型負(fù)載，將會(huì)產(chǎn)生特別嚴(yán)重的后果，如加速電機(jī)定子繞組絕緣老化、破壞電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重的可以燒毀電機(jī)。

圖5 改造后的勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

改造后的勵(lì)磁系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）其主回路采用改進(jìn)型全控橋結(jié)構(gòu)，在這個(gè)電路中VTS采用分級(jí)整定的辦法，電機(jī)起動(dòng)期間，VTS在很低的電壓下（0～10V）就能導(dǎo)通，確保轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流在正負(fù)半周內(nèi)都是對(duì)稱(chēng)的，而在正常運(yùn)行時(shí)，VTS在很高的電壓下才能導(dǎo)通[4]。其間的切換是由起動(dòng)及轉(zhuǎn)子保護(hù)裝置進(jìn)行采樣，送至勵(lì)磁控制單元，控制單元根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行工況對(duì)該裝置進(jìn)行控制，改造后轉(zhuǎn)子感應(yīng)波形如圖4b所示，它基本接近于理想的感應(yīng)電流波形。

改造后的勵(lì)磁裝置采用順極性“準(zhǔn)角投勵(lì)”與18秒定時(shí)投勵(lì)相結(jié)合的方式。所謂“準(zhǔn)角投磁”是指電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入臨界滑差（即95%-98%之間）[5]，按照電動(dòng)機(jī)投勵(lì)瞬間在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相吸引力最大(即定子磁場(chǎng)的N、S極分別與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的S、N極相吸)[4]。在準(zhǔn)角時(shí)（即圖6中的M點(diǎn)）投入強(qiáng)勵(lì)，使吸引力進(jìn)一步加大，這樣電機(jī)進(jìn)入同步便輕松、快速、平滑、無(wú)沖擊，起動(dòng)時(shí)間可縮短30%以上。

圖6 改造后的勵(lì)磁裝置感應(yīng)電流、電壓變化情況

DSE-M5.00勵(lì)磁裝置的參數(shù)設(shè)置：

P078=160V整流器額定輸入電壓

P100=22.5A(對(duì)應(yīng)300A)額定勵(lì)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(shí)間

P401=80%(4800KV)強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作定子電壓值

P402=105%(420A)強(qiáng)勵(lì)電流

P403=25%(100A) 弱磁電流

P467=50%(200A) 設(shè)定勵(lì)磁電流

P468=60%(240A) 設(shè)定勵(lì)磁電流上限

P469=30%（120A）設(shè)定勵(lì)磁電流下限

P171=105%(420A) 轉(zhuǎn)矩方向I的系統(tǒng)電流限幅

P172=0% 轉(zhuǎn)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(dú)立的變送器屏。輸出信號(hào)包括：定子電壓、定子電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、電機(jī)有功功率到計(jì)算機(jī)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(mén)子公司高效可靠的S7-200PLC進(jìn)行控制，將原來(lái)煩瑣的繼電器控制改造為PLC邏輯控制，通過(guò)MPI協(xié)議和Prodibus-DP協(xié)議與液晶顯示屏以及西門(mén)子綜保、勵(lì)磁的通訊，完成數(shù)據(jù)傳遞。由S7-200PLC接收DSE-M5.00勵(lì)磁裝置，7UM62高壓綜保，及各高壓開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)備信號(hào)，并檢測(cè)同步機(jī)主電機(jī)風(fēng)溫、前后軸承溫度、三相繞組溫度有無(wú)報(bào)警，潤(rùn)滑油泵運(yùn)行是否正常，油溫、油壓有無(wú)報(bào)警，當(dāng)以上開(kāi)機(jī)條件全部具備，PLC將向上位機(jī)發(fā)出“允許合閘”信號(hào)以示同步機(jī)系統(tǒng)具備開(kāi)機(jī)條件，當(dāng)PLC接收到上位機(jī)的“合閘”指令開(kāi)始起動(dòng)同步機(jī)，并在完成投勵(lì)后向上位機(jī)反饋“運(yùn)行”信號(hào)。

2.4 同步機(jī)的電氣保護(hù)

同步機(jī)的保護(hù)可分為主電機(jī)的保護(hù)和同步機(jī)系統(tǒng)的連鎖保護(hù)，改造后的同步機(jī)保護(hù)如下：

主電機(jī)保護(hù)由Siemens電機(jī)綜合保護(hù)裝置7UM62完成，包括：縱差動(dòng)、電流速斷、絕緣監(jiān)視、低電壓動(dòng)作、電壓互感器熔絲熔斷監(jiān)視、零序、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)負(fù)荷、單相接地。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，7UM62綜保將向S7-200發(fā)送一個(gè)“高壓綜保故障”信號(hào)，由PLC記錄并停同步機(jī)，同時(shí)也為防止出現(xiàn)PLC故障不能停機(jī)的現(xiàn)象，該綜保同時(shí)送出一個(gè)信號(hào)直接跳開(kāi)高壓小車(chē)開(kāi)關(guān)。

連鎖保護(hù)由S7-200PLC完成包括：主電機(jī)供油系統(tǒng)監(jiān)視--油泵不開(kāi)電機(jī)無(wú)運(yùn)行允許信號(hào)，主電機(jī)停機(jī)后延時(shí)15分鐘停油泵，一臺(tái)同步機(jī)有兩臺(tái)電機(jī)潤(rùn)滑油泵一用一備，當(dāng)油壓不足時(shí)自動(dòng)起用備用泵，油溫、油壓、油位報(bào)警、軸溫、繞組溫度高報(bào)警、高高報(bào)警（跳閘）等。

3 改造效果

在完成此次改造后，實(shí)現(xiàn)了老系統(tǒng)同步機(jī)的全數(shù)字化，勵(lì)磁系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行2年零故障。減少同步機(jī)因故障造成的停機(jī)時(shí)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(jī)的起動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的15～20秒縮短到9～10S有效降低電機(jī)起動(dòng)損傷，大大提高電機(jī)的使用壽命。

[1]楊成德.同步機(jī)勵(lì)磁技術(shù).電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2002,24(4)

[2]《dsem500說(shuō)明書(shū)》.北京科信邦電氣傳動(dòng)技術(shù)有限公司

[3]《BL1B型同步機(jī)可控硅勵(lì)磁裝置原理說(shuō)明書(shū)》.東方電機(jī)廠

[4]《dsem100說(shuō)明書(shū)》.北京科信邦電氣傳動(dòng)技術(shù)有限公司

楊戰(zhàn)勝，男，工程師，從事岳陽(yáng)紙業(yè)電氣技術(shù)維護(hù)和管理工作。

王國(guó)強(qiáng)，男（1981年——），工程師，從事岳陽(yáng)紙業(yè)化機(jī)漿車(chē)間電氣技術(shù)維護(hù)工作。

2012-4-4