無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁器升級(jí)后應(yīng)用實(shí)例

摘要：高安全性能的壓縮機(jī)是氫氣加壓裂化所需的重要設(shè)備，需要使用無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且其啟動(dòng)和運(yùn)行性能有苛刻要求。2014年獨(dú)石化乙烯廠制氫車(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(jī)，其旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁器采用WLK-03SC/N1替代了已經(jīng)運(yùn)行近10年的舊裝置。本文介紹了該WLK-03SC/N1勵(lì)磁器的結(jié)構(gòu)、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(jī)能夠滿(mǎn)足壓縮機(jī)安全性的要求，保證了加壓氫裂裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

引言

　　無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力拖動(dòng)設(shè)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(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)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(qiáng)行勵(lì)磁穩(wěn)速和永不停轉(zhuǎn)要求的石油、化工行業(yè)及其他特殊場(chǎng)合的選擇。

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

　　主電機(jī)轉(zhuǎn)子與交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，勵(lì)磁機(jī)采用定子勵(lì)磁、轉(zhuǎn)子發(fā)電的工作方式。勵(lì)磁機(jī)定子由靜態(tài)勵(lì)磁裝置供電，與電動(dòng)機(jī)主軸一起旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生勵(lì)磁電流。通過(guò)改變勵(lì)磁機(jī)定子的勵(lì)磁電流，可調(diào)整勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)出的三相交流電壓，從而改變同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，達(dá)到控制其啟動(dòng)與運(yùn)行的目的。勵(lì)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(jī)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的啟動(dòng)與運(yùn)行^[1]。

1 工程概況

　　獨(dú)石化公司乙烯廠某制氫車(chē)間的加氫裂化裝置中有6臺(tái)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)是對(duì)催化反應(yīng)需要的新氫進(jìn)行增壓液化處理的設(shè)備。2004年該車(chē)間采用北重電機(jī)廠生產(chǎn)的同步電動(dòng)機(jī)，功率為450kW～500kW，配套WLK-02II型微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行壓氫作業(yè)。該套設(shè)備運(yùn)行近10年，出現(xiàn)同步動(dòng)作不可靠，運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，嚴(yán)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(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)新氫進(jìn)行增壓，定子額定電壓6kV，裝機(jī)容量達(dá)到1250kW。配電裝置采用戶(hù)內(nèi)式布置，布置于主廠房6kV機(jī)組旁，6kV電源由戶(hù)外35/6kV專(zhuān)用變電所負(fù)責(zé)供電，配用1600KVA主變壓器1臺(tái)。勵(lì)磁裝置升級(jí)為WLK-03SC/N1型微機(jī)勵(lì)磁，WLK-03SC型屬于WLK系列無(wú)刷勵(lì)磁裝置第三代產(chǎn)品，配套的DSB斷電失步保護(hù)裝置DSBIII為PLC式，額定勵(lì)磁電壓為72V，額定勵(lì)磁電流為11A，恒功率因數(shù)自動(dòng)控制方式。與前兩代勵(lì)磁裝置比較，該裝置采用雙微機(jī)控制系統(tǒng)及觸摸屏，可帶載不停機(jī)更換控制板;保護(hù)功能完善，具備失步保護(hù)及不減載自動(dòng)再整步功能，可滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行的要求，安裝環(huán)境如表2所示。

　　該裝置設(shè)計(jì)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(三相四線制)，相線分別接至A.T.S進(jìn)線端，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(jié)構(gòu)及功能

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

2.1 靜態(tài)勵(lì)磁裝置

　　靜態(tài)勵(lì)磁裝置是為交流勵(lì)磁機(jī)提供直流勵(lì)磁調(diào)節(jié)、控制和保護(hù)的設(shè)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(jī)通信，上位機(jī)選用工業(yè)PC機(jī)，功能是遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　控制中心CC為A/B機(jī)(A開(kāi)B備)雙控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中包括A、B機(jī)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(zhuǎn)換及DI/DO，配隔離光耦，具有掉電保護(hù)功能。由I/O模塊輸出的模擬量送至CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字量經(jīng)光耦隔離后與CPU模塊相連。CPU根據(jù)輸入信號(hào)(包含觸摸屏輸入信號(hào))處理計(jì)算后，完成邏輯運(yùn)算、控制和保護(hù)功能，并執(zhí)行脈沖輸出和數(shù)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(tǒng)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(nèi)存(DRAM)：64MB DDR2 on board;通訊口：RS-232/RS-485(2W/4W)，本系統(tǒng)通信選用RS485接口;應(yīng)用軟件：EB8000 V2.0.0。觸摸屏能夠查看到同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁裝置的Uff、Iff、α、U、I、cosφ、f、P、Q等參數(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置發(fā)出的報(bào)警信息，在運(yùn)行中還能夠根據(jù)控制要求修改設(shè)定值。“事件記錄”中有故障報(bào)警信息及重要操作的記錄，方便故障出現(xiàn)后進(jìn)行問(wèn)題分析。

2.2 旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁裝置

　　旋轉(zhuǎn)整流器和交流勵(lì)磁機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部分。交流勵(lì)磁機(jī)由生產(chǎn)電機(jī)廠家提供，這里不做分析。

　　該勵(lì)磁裝置配套WLK-03B旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)整流器是無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中最重要的部分，在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝。

　　整流器的核心器件是控制模塊，能夠完成電機(jī)啟動(dòng)投勵(lì)，輸出觸發(fā)脈沖，接通功率模塊，并控制啟動(dòng)模塊對(duì)啟動(dòng)電阻的投入與切除。控制模塊型號(hào)：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(lì)磁機(jī)發(fā)出的交流電整流后向主電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁，型號(hào)：TDR型。啟動(dòng)功率模塊在電動(dòng)機(jī)異步驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，投入啟動(dòng)電阻，改善主電機(jī)異步驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)迅速的無(wú)脈振啟動(dòng)，型號(hào)：TD型。當(dāng)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(jī)起動(dòng)時(shí)如果轉(zhuǎn)子處于開(kāi)路狀態(tài)，轉(zhuǎn)子中將會(huì)感應(yīng)出極高的電壓，一般能達(dá)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(jī)失步時(shí)此電阻能夠起到保護(hù)旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器上的專(zhuān)用部件，部件的性能參數(shù)如表3所示^[3-6]。

3 工作原理及特點(diǎn)

　　WLK-03SC/N1型微機(jī)勵(lì)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(lì)磁變壓器TB的一次側(cè)，TB二次側(cè)經(jīng)接觸器KM連于V1~V6組成的三相半控橋。同步電動(dòng)機(jī)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(lì)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(shè)定值90°的初始值提供直流勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流， KM主觸點(diǎn)吸合后經(jīng)一定延時(shí)，即在電動(dòng)機(jī)可靠牽入同步后，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)才投入工作。該裝置特點(diǎn)如表4所示。

　　該裝置還具備旋轉(zhuǎn)整流器故障檢測(cè)功能。運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)電壓下降到額定電壓80%時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)能提供≥1.4Uff的強(qiáng)勵(lì)電壓，強(qiáng)勵(lì)時(shí)間≤50s。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　2014年6月該車(chē)間完成了同步電動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁裝置的安裝及技術(shù)升級(jí)工作，該勵(lì)磁裝置運(yùn)行近一年，發(fā)揮穩(wěn)定，能夠?qū)ν诫妱?dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及出現(xiàn)故障時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警和切換，有效地保障了壓縮機(jī)的安全工作和加氫裂化裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。

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本文來(lái)源于中國(guó)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。