無刷同步電動機旋轉(zhuǎn)勵磁器升級后應(yīng)用實例

摘要：高安全性能的壓縮機是氫氣加壓裂化所需的重要設(shè)備，需要使用無刷勵磁同步電動機來驅(qū)動，并且其啟動和運行性能有苛刻要求。2014年獨石化乙烯廠制氫車間技術(shù)改造時，換用TAKW450-18增安型大型高壓無刷同步電動機，其旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、功能、工作原理及其優(yōu)點。實踐表明新裝無刷同步電動機能夠滿足壓縮機安全性的要求，保證了加壓氫裂裝置的穩(wěn)定運行。

引言

　　無刷勵磁同步電動機作為動力拖動設(shè)備，消滅了因滑環(huán)與碳刷無休止地滑動接觸致碳刷磨損產(chǎn)生必然的火花。所以，無刷勵磁同步電動機成為具有防爆、防塵、防腐蝕、恒速可控、啟動特性優(yōu)良、事故時能夠自動強行勵磁穩(wěn)速和永不停轉(zhuǎn)要求的石油、化工行業(yè)及其他特殊場合的選擇。

　　主電機(同步電動機主體部分)和勵磁裝置組成無刷勵磁同步電動機。勵磁裝置包含旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與交流勵磁機轉(zhuǎn)子同軸，勵磁機采用定子勵磁、轉(zhuǎn)子發(fā)電的工作方式。勵磁機定子由靜態(tài)勵磁裝置供電，與電動機主軸一起旋轉(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機轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生勵磁電流。通過改變勵磁機定子的勵磁電流，可調(diào)整勵磁機轉(zhuǎn)子發(fā)出的三相交流電壓，從而改變同步電動機勵磁繞組的勵磁電流，達到控制其啟動與運行的目的。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機系統(tǒng)安全穩(wěn)定的啟動與運行^[1]。

1 工程概況

　　獨石化公司乙烯廠某制氫車間的加氫裂化裝置中有6臺壓縮機。壓縮機是對催化反應(yīng)需要的新氫進行增壓液化處理的設(shè)備。2004年該車間采用北重電機廠生產(chǎn)的同步電動機，功率為450kW～500kW，配套WLK-02II型微機勵磁系統(tǒng)驅(qū)動，進行壓氫作業(yè)。該套設(shè)備運行近10年，出現(xiàn)同步動作不可靠，運行不穩(wěn)定等問題，嚴重影響加氫裂化裝置的安全生產(chǎn)。

　　2014年2月該車間技術(shù)改造，采用TAKW450-18增安型大型同步電動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機對新氫進行增壓，定子額定電壓6kV，裝機容量達到1250kW。配電裝置采用戶內(nèi)式布置，布置于主廠房6kV機組旁，6kV電源由戶外35/6kV專用變電所負責供電，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(shù)自動控制方式。與前兩代勵磁裝置比較，該裝置采用雙微機控制系統(tǒng)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再整步功能，可滿足工業(yè)環(huán)境下長周期連續(xù)運行的要求，安裝環(huán)境如表2所示。

　　該裝置設(shè)計有雙電源自動切換單元，切換時間<80ms。該單元由雙電源自動切換開關(guān)A.T.S進行主、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型微機勵磁裝置由旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)、控制和保護的設(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通信，上位機選用工業(yè)PC機，功能是遠程監(jiān)控。

　　控制中心CC為A/B機(A開B備)雙控制系統(tǒng)。系統(tǒng)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(zhuǎn)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(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(zhí)行脈沖輸出和數(shù)字量輸出，CPU的脈沖輸出通過I/O模塊經(jīng)過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關(guān)電源和交流開關(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機的勵磁裝置的Uff、Iff、α、U、I、cosφ、f、P、Q等參數(shù)，以及現(xiàn)場監(jiān)控裝置發(fā)出的報警信息，在運行中還能夠根據(jù)控制要求修改設(shè)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(xiàn)后進行問題分析。

2.2 旋轉(zhuǎn)勵磁裝置

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

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

　　整流器的核心器件是控制模塊，能夠完成電機啟動投勵，輸出觸發(fā)脈沖，接通功率模塊，并控制啟動模塊對啟動電阻的投入與切除。控制模塊型號：KZMK-03B，輸入電路峰值電壓<430V，輸出電路電壓<660V(阻斷時)，每路通態(tài)時電流<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(zhuǎn)子繞組提供勵磁，型號：TDR型。啟動功率模塊在電動機異步驅(qū)動過程中，投入啟動電阻，改善主電機異步驅(qū)動力矩，實現(xiàn)電動機平穩(wěn)迅速的無脈振啟動，型號：TD型。當控制模塊完成啟動功能后，啟動電阻會自動退出。

　　同步電動機起動時如果轉(zhuǎn)子處于開路狀態(tài)，轉(zhuǎn)子中將會感應(yīng)出極高的電壓，一般能達到幾千伏，因此，啟動時在激磁繞組會并聯(lián)滅磁電阻RF，阻值約是5~10倍的激磁繞組電阻，在電動機失步時此電阻能夠起到保護旋轉(zhuǎn)整流器免受過電壓損壞。采用FZ-2型滅磁電阻，使用時8只相同阻值的滅磁電阻串聯(lián)使用。單個滅磁電阻最大通電電流為210A，通過此電流時，通電時間應(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系列增安型無刷勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器上的專用部件，部件的性能參數(shù)如表3所示^[3-6]。

3 工作原理及特點

　　WLK-03SC/N1型微機勵磁裝置從主電源A、B和C得電，經(jīng)QF空氣開關(guān)送至勵磁變壓器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。同步電動機在高壓斷路器QS合閘后啟動，由高壓斷路輔助觸點啟動靜態(tài)勵磁柜變壓器輸出端的接觸器KM經(jīng)過T1的延時時間后，主觸點自動閉合，同時輸出觸發(fā)脈沖，三相半控橋按設(shè)定值90°的初始值提供直流勵磁電壓和勵磁電流， KM主觸點吸合后經(jīng)一定延時，即在電動機可靠牽入同步后，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保護系統(tǒng)才投入工作。該裝置特點如表4所示。

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

4 結(jié)束語

　　2014年6月該車間完成了同步電動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(wěn)定，能夠?qū)ν诫妱訖C的運行進行實時監(jiān)控及出現(xiàn)故障時準確報警和切換，有效地保障了壓縮機的安全工作和加氫裂化裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。

參考文獻：

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