同步電機數字勵磁系統在磷礦球磨機的應用與研究

2020-03-21 11:26:34蘇紅生李高橋

通信電源技術 2020年3期

蘇紅生，李高橋

（云南云天化紅磷化工有限公司，云南開遠 661600）

0 引言

磷化工企業生產中大功率的重要設備，如壓縮機、循環機和球磨機大等重型負載設備[1]，一般采用同步電機拖動。勵磁裝置是保證同步電機運行的重要輔助設備，其技術性能好壞直接影響到機組的安全、穩定運行。勵磁控制方式分為模擬控制方式和數字控制方式。隨著現代控制理論與微機綜合自動化技術的不斷進步，數字控制方式的微機勵磁裝置能在惡劣環境中長時間工作。它的調試維護簡單，能與多種控制系統通信。

1 數字式勵磁裝置組成及同步電機的工作原理

1.1 數字式勵磁裝置組成

同步電機勵磁系統一般由整流變壓器、可控硅整流橋、滅磁回路、微機控制、繼電保護單、儀表操作以及風機冷卻等單元組成[2]。對于大中型同步電機整流橋一般采用三相全控橋。數字式勵磁控制裝置的調節器由微處理器或可編程控制器、輸入輸出電路構成，通過軟件實現各種調節控制。人機交換一般采用LCD顯示觸摸屏，可以在線修改和顯示當前運行的各種參數和故障監視。通信常采用RS-485串行通信或以太網等通信接口，實現勵磁系統與計算機監控系統的控制和數據交換[3]。

1.2 同步電機的工作原理

同步電機異步起動的過程中，勵磁裝置實時檢測轉子滑差信號。當轉子轉速達到亞同步速度即N=95%N0時，檢測到感應電流方向與勵磁電流方向一致，向可控硅發出觸發脈沖順極性投勵，直流電流便送入勵磁繞組，轉子接入勵磁將同步電機拖入同步運行，即N=N0=60f/P。

同步電機無功決定于勵磁裝置輸出勵磁電流的大小。過勵（超前）運行時，同步電機向電網發無功；欠勵（滯后）運行時，從電網吸收無功。同步電機V形曲線如圖1所示，描述定子電流I與勵磁電流If之間變化關系的曲線，即I=f (If)的關系曲線[4]。

圖1 同步電機V形曲線

當cosΦ=1運行時，同步電機運行于電阻性狀態，定子電流I最小。在此基礎上增/減磁，定子電流都將增加。增磁時功率因數超前運行，屬于過勵，同步電機運行于電容性狀態；減磁時功率因數滯后運行，屬于欠勵，同步電機運行于電感性狀態。對于同步電機只能運行在功率因數超前狀態，若運行在功率因數滯后狀態，容易導致同步電機失步。

2 同步電機勵磁系統在磷礦球磨機應用中出現的故障及處理方法

2.1 故障現象

公司的三臺磷礦球磨機自2009年投用，電機為 1 800 kW的同步電機。配套勵磁調節器采用PLC可編程勵磁調節器，同步電動機經氣動離合器、大小齒輪裝置帶動球磨機旋轉，通過控制氣動離合器氣囊的空氣壓力達到帶動或脫開球磨機的目的。帶球磨機運行前同步電機空載啟動運行正常后，通過電磁閥對氣動離合器氣囊充氣，帶動球磨機旋轉。勵磁方式采用恒勵磁電流調節，啟動同步電機和帶動球磨機的勵磁電流均為180 A。同步電機定子空載運行電流70 A，帶動球磨機同步機定子運行電流150～165 A。在2017年10以前，3臺球磨機按上述方式能正常運行。從2017年11月，在勵磁電流180 A時，球磨機同步電機空載起動正常，同步電機在帶球磨機旋轉時出現勵磁帶阻故障。檢查勵磁系統和電機均完好，主要原因是工藝提高了礦漿的濃度和細度，每臺磨機鋼球添加量增大，平均每天1 t，投礦量每小時增加約10 t，導致球磨機的起動負荷增大，帶球磨機旋轉時出現同步電機失步，勵磁柜報勵磁帶阻故障。增加勵磁電流至220 A時，同步電機帶球磨機旋轉正常。該類勵磁裝置只有恒勵磁電流調節，勵磁電流220 A導致同步電機空載起動時電流增大，比勵磁電流180 A增大約40 A。在球磨機運行過程中，由于工藝調節或短時處理機械故障時只停球磨機，同步電機空載運行，每班次同步電機的空載運行時間30～45 min，電耗增大。如果運行方式改變時都需專人調節勵磁電流，將增加專業人員的勞動強度和人力投資[5]。

2.2 處理方式

球磨機的運行分兩步，一是球磨機同步電機的空載起動運行，二是同步電機運行正常后帶動球磨機旋轉[6-8]。勵磁系統投勵也分為兩次投勵。同步電機空載起動的恒勵磁電流160 A，氣動離合器給氣囊充氣時電磁閥動作信號給勵磁柜一個信號，當勵磁柜得到氣動離合器氣囊充氣信號時，勵磁柜給一個強勵電流 250 A，時間為10 s。同步電機帶動球磨機旋轉，強勵結束后球磨機運行的恒勵磁電流為220 A。球磨機停運時，電磁閥泄放氣動離合器氣囊壓力，同時發一個信號至勵磁柜，同步電機轉空載運行勵磁電流為160 A。在進行PLC程序設計過程中，把氣動離合器給氣囊充氣簡稱為抱閘信號，相應的程序如下[9-10]。

（1）抱閘信號來時，程序判斷勵磁裝置需在投入勵磁后才鎖住抱閘狀態，如圖1所示。

（2）在抱閘狀態前，裝置運行在空載恒流值；抱閘狀態后，裝置先給一個抱閘強勵，并且有時間控制；抱閘強勵后，系統轉入恒流正常運行，如圖2所示。