基于DSP勵磁系統在大型同步電動機中的應用

佛山市高明區滄江泵站管理處 馮海鋒

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基于DSP勵磁系統在大型同步電動機中的應用

佛山市高明區滄江泵站管理處 馮海鋒

【摘要】本文通過介紹傳統勵磁系統的結構形式和缺陷，以及基于DSP的WKLF-102型勵磁系統的技術特點及工作原理，對這種基于DSP的新型勵磁系統在大型同步電機機中的實際應用過程、效果進行探討。

【關鍵詞】勵磁系統；DSP；同步電動機；KGFL10；FFT；WKLF-102

勵磁系統是同步電動機的重要配套設備，早期的同步電動機采用直流發電機來勵磁，這樣增加了投入，并且系統復雜，不利于管理，這大大限制了同步電動機特別是大型同步電動機的應用。隨著半導體技術的發展，特別是可控硅技術的進步，同步電動機不再采用直流發電機勵磁，而是將交流電經可控硅整流后進行勵磁。

這種可控硅整流勵磁系統為大型同步電動機在工礦企業的應用立下了汗馬功勞，但早期由于技術的限制，其控制、觸發以及保護等部分，存在著明顯的不足及缺陷，甚至對同步電機造成很大的損傷，并且增大了電機運行人員的工作量，增加了他們的工作壓力。

1　傳統勵磁系統的結構形式和缺陷

目前，大部分工礦企業采用的傳統勵磁系統是上世紀七十年代的產品，如我單位之前使用的為北京整流器廠生產的設備KGFL10系列，不同廠的同類設備電路形式基本上以KGFL10型為代表。由于當時技術的限制，這些裝置都是采用分立元件、插板式結構，從而形成整套系統的穩定性、可靠性低，故障率高，其缺陷具體表現為：

1）觸發信號由6塊不同的觸發板控制，各觸發信號相互之間的聯系少，很難做到相同信號之間的嚴格同步或者不同信號之間角度差值的完全準確。

2）采用分立元件，各元件間的性能，質量對整套系統的影響很大，特別是隨著運行時間的增加，元件溫度的上升，會造成元件性能的漂移，而又沒有完善的校正環節，給整套系統的穩定性帶來不可預知的影響。

3）系統參數的整定，通過調節電位器來實現，而調整的幅度則是通過示波器來判斷，調整的準備度很難提高。

4）沒有手動投勵環節，當由于各種各樣的原因造成投勵失敗時，必須停止同步電動機的起動，由于大型同步電機需要間距一般時間才能再次進行啟動，可能會延誤時機。

5）整套設備調試非常復雜，工序繁多，沒有記憶功能，每次使用前都要重新進行調試。

6）沒有任何備份環節，當出現故障或者其他原因時，會造成電機失步，這時候同步電動機運行在異步狀態，轉子繞組上會感應出較高的電勢，會損傷同步電動機的絕緣。并且檢修故障非常復雜麻煩，不利于故障的解決，恢復生產。

7）抗干擾能力低。

因此，對傳統勵磁系統，特別是其控制、觸發及保護環節進行改造升級，使其提高可靠性、穩定性、安全性，是非常必要的。

2　DSP勵磁系統的主要技術特點

隨著技術的進步，特別是大規模集成電路、數字技術的廣泛應用，一種基于DSP的新型勵磁系統開始出現，并且迅速得到普及，我單位改造后使用的北京前鋒科技有限公司生產的WKLF-102型DSP新型勵磁系統具有以下主要技術特點：

1）采用超大規模集成度的32位嵌入式DSP處理器作為核心控制單元，主時鐘頻率達到150MHZ，勵磁調節器具有超強的數字處理能力。

2）具有16通道模擬量采集均為每周期（20毫秒）128點高速交流直接采樣，并且通過快速傅立葉變換（FFT）計算各電參數基波參數值，信號測量不受工業現場干擾影響。

3）起動無脈振，投勵無沖擊。電機異步起動過程起動電阻正、負半波可靠對稱接入，電機加速平穩；能迅速準確按整定參數捕捉滑差，實現投勵；設有零壓計時投勵環節，確保電機輕載起動時可靠投勵。

4）全新的可控硅同步觸發控制方式，同步信號取自勵磁變壓器的二次側，三相線電壓互為冗余，任意一相斷線不影響裝置運行。

5）勵磁調節方式可設置為自動、手動及開環模式，可以手動投勵，各種調節方式在電機運行過程中可隨時手動互相切換，并且切換時無抖動。

6）具有失步保護及不減載自動再整步功能，當擾動超過同步電機同步能力極限而失步時，該裝置能迅速檢測到并自動采取可靠技術措施，使同步電動機自動恢復再整步，保持連續運行。當自動再整步不成功時，裝置能夠可靠跳閘停機。

7）具有全面的保護及限制功能，具有雙調節器雙機熱備用功能，通過CAN通訊電纜連接，分主、備機運行，軟、硬件完全獨立，互為備份。備機自動跟蹤主機的運行狀況，當主機出現故障時能自動無抖動切換到備機運行，過程無需停機，大大提高同步電機運行的穩定性及可靠性。

8）具有全面的自動測量功能，各檢測值能在顯示屏上顯示；各參數的設置只需要在顯示屏上設定，保存，即自動調節，無需人為操作，判斷；具有完備的事件記錄功能，準確記錄每次的操作，顯示故障詳情，掉電不丟失。

9）有強大的抗干擾性能，通過GB/T17626嚴酷等級為三級的抗干擾測試，輸出無波動，各項功能不受影響。

3　WKLF-102大型DSP勵磁系統的組成及工作原理

WKLF-102大型DSP勵磁系統，包括三相全控橋式整流回路構成的主回路，起動回路，空氣開關，勵磁變壓器，兩臺功能相同的Excitrol-100勵磁調節器，測量指示元件，液晶觸摸屏面板，風機單元，電源系統，接點量開入、開出部分，后臺上位機通訊接口，勵磁電流、電壓4～20mA變送輸出部分，以及配套專用軟件。

Excitrol-100微機勵磁調節器為結構獨立的控制單元，其功能包括測量、控制、調節與保護，同時還負責與后臺PC機液晶操作面板以及兩套調節器之間的通訊，是整個WKLF-102勵磁裝置的核心成員。

圖1　WKLF-102型工作原理方框圖

圖2　液晶操作面板

如圖1方框圖所示，電機起動時，勵磁調節器Excitrol-100控制起動回路保持低定值（10-30V）導通狀態，并且通過接入電機轉子回路，以改善電機的起動力矩，使起動過程平穩迅速。調節器通過測量環節檢測電機的轉動，當轉差率達到5%時，調節器會輸出6路觸發脈沖到三相全控橋式整流電路，順序導通3對可控硅元件，使得從橋臂輸出相應的勵磁電壓、電流到同步電動機的轉子。投入勵磁正常后，調節器控制起動回路，保持高定值（＞500V）導通狀態，并且監視起動回路的狀態防止過熱。

WKLF-102型勵磁系統裝備兩臺Excitrol-100調節器，由圖1可以看到，兩套調節器能獨立完成對同步電動機的所有控制操作，相互之間沒有任何軟、硬件公用部件，只通過高速CAN總線連接以交換運行數據，分主、備機運行，備機自動跟蹤主機運行狀況，開機時自動互為選擇主、備機，并可隨時手動切換任意指定主機通道。

調節器通過測量，反饋環節，對整個系統的工作情況進行全面的監控，并將監控的情況全面反映在液晶操作面板上，如圖2所示。

4　WKLF-102大型DSP勵磁系統的實際應用

高明區滄江泵站為省內大型泵站，裝備四臺每臺額定功率為1250KW的上海電機廠生產的同步電機，額定勵磁電流244A，之前一直使用北京整流器廠生產的KGFL10型勵磁設備，該設備為分立元件式插板式結構，故障率一直比較高，在2005年汛期期間，1號機的勵磁設備由于元件溫度升高造成性能漂移，致使不能正常投勵，1號機不能正常啟動。由于故障部位難以掌握，并且備件的性能也發生漂移，致使處理該故障花了10小時，而處理的方法僅僅是更換投勵插板里的一只小小的電位器。

2008年初，滄江泵站對四臺勵磁設備進行了技術改造，采用WKLF-102大型DSP勵磁系統對舊系統進行更換，整個工程在一周內完成。當年6月汛期，滄江泵站四臺機組投入防洪，新安裝的勵磁系統一直穩定工作，并且由于新系統高度自動化，并且配備完善的事件記錄功能，所有信息自動在液晶面板上顯示，大大減少工作人員的工作量。2008年至今，經過大約共400小時的運行，沒有出現過任何影響機組運行的故障，真正解決了以前一直困擾管理人員的機組運行過程中的最大難題，取得了良好的社會、經濟效益。

參考文獻

［1］WKLF-102型微機控制同步電動機勵磁裝置用戶手冊［S］.北京前鋒科技有限公司，2007，4.

［2］KGLF10系統同步電動機可控硅勵磁設備產品說明書［S］.北京整流器廠，1994，3.

［3］潘咸昂.泵站輔助設備及自動化［M］.水利電機出版社，1989，1.