无刷同步电动机旋转励磁器升级后应用实例

  ：高安全性能的压缩机是氢气加压裂化所需的重要设备，需要用无刷励磁同步电动机来驱动，并且其启动和运行性能有苛刻要求。2014年独石化乙烯厂制氢车间技术改造时，换用TAKW450-18增安型大型高压无刷同步电动机，其旋转励磁器采用WLK-03SC/N1替代了已经运行近10年的旧装置。本文介绍了该WLK-03SC/N1励磁器的结构、功能、工作原理及其优点。实践表明新装无刷同步电动机能够很好的满足压缩机安全性的要求，保证了加压氢裂装置的稳定运行。

  摘要：高安全性能的压缩机是氢气加压裂化所需的重要设备，需要用无刷励磁同步电动机来驱动，并且其启动和运行性能有苛刻要求。2014年独石化乙烯厂制氢车间技术改造时，换用TAKW450-18增安型大型高压无刷同步电动机，其旋转励磁器采用WLK-03SC/N1替代了已经运行近10年的旧装置。本文介绍了该WLK-03SC/N1励磁器的结构、功能、工作原理及其优点。实践表明新装无刷同步电动机能够很好的满足压缩机安全性的要求，保证了加压氢裂装置的稳定运行。

  无刷励磁同步电动机作为动力拖动设备，消灭了因滑环与碳刷无休止地滑动接触致碳刷磨损产生必然的火花。所以，无刷励磁同步电动机成为具有防爆、防尘、防腐蚀、恒速可控、启动特性优良、事故时能自动强行励磁稳速和永不停转要求的石油、化工行业及其他特殊场合的选择。

  主电机(同步电动机主体部分)和励磁装置组成无刷励磁同步电动机。励磁装置包含旋转整流器、交流励磁机和静态励磁装置，工作原理如图1所示。

  主电机转子与交流励磁机转子同轴，励磁机采用定子励磁、转子发电的工作方式。励磁机定子由静态励磁装置供电，与电动机主轴一起旋转的转子绕组感应出三相交流电，该三相交流电经整流桥整流后供给同步电动机转子绕组，产生励磁电流。通过改变励磁机定子的励磁电流，可调整励磁机转子发出的三相交流电压，从而改变同步电动机励磁绕组的励磁电流，达到控制其启动与运行的目的。励磁装置作用如表1所示。其性能优劣直接影响到同步电动机系统安全稳定的启动与运行[1]。

  独石化公司乙烯厂某制氢车间的加氢裂化装置中有6台压缩机。压缩机是对催化反应需要的新氢进行增压液化处理的设备。2004年该车间采用北重电机厂生产的同步电动机，功率为450kW～500kW，配套WLK-02II型微机励磁系统驱动，进行压氢作业。该套设备运行近10年，出现同步动作不可靠，运行不稳定等问题，严重影响加氢裂化装置的安全生产。

  2014年2月该车间技术改造，采用TAKW450-18增安型大型同步电动机驱动往复式压缩机对新氢进行增压，定子标称电压6kV，装机容量达到1250kW。配电装置采用户内式布置，布置于主厂房6kV机组旁，6kV电源由户外35/6kV专用变电所负责供电，配用1600KVA主变压器1台。励磁装置升级为WLK-03SC/N1型微机励磁，WLK-03SC型属于WLK系列无刷励磁装置第三代产品，配套的DSB断电失步保护设施DSBIII为PLC式，额定励磁电压为72V，额定励磁电流为11A，恒功率因数自动控制方式。与前两代励磁装置比较，该装置采用双微机控制管理系统及触摸屏，可带载不停机更换控制板;保护功能完善，具备失步保护及不减载自动再整步功能，可满足工业环境下长周期连续运行的要求，安装环境如表2所示。

  该装置设计有双电源自动切换单元，切换时间80ms。该单元由双电源自动切换开关A.T.S进行主、备电源切换，主、备电源电压为380/220VAC(三相四线制)，相线分别接至A.T.S进线端，A、B和C接主电源，U、V和W接备用电源，两路电源的相位保持一致[2]。

  WLK-03SC/N1型微机励磁装置由旋转励磁和静态励磁两部分所组成，如图2所示。

  静态励磁装置是为交流励磁机提供直流励磁调节、控制和保护的设备。装置由控制中心CC和触摸屏组成，控制中心CC为装置核心，使用Modbus协议与触摸屏及上位机通信，上位机选用工业PC机，功能是远程监控。

  控制中心CC为A/B机(A开B备)双控制管理系统。系统中包括A、B机的CPU模块、I/O模块和DY电源模块。CPU模块以80C196KC为中心，带A/D转换及DI/DO，配隔离光耦，具有掉电保护功能。由I/O模块输出的模拟量送至CPU进行A/D转换，数字量经光耦隔离后与CPU模块相连。CPU依据输入信号(包含触摸屏输入信号)处理计算后，完成逻辑运算、控制和保护功能，并执行脉冲输出和数字量输出，CPU的脉冲输出通过I/O模块经过隔离单元及脉冲放大后，供给三相半控桥触发脉冲。DY电源模块输入采用直流开关电源和交流开关电源双路供电的24V，输出为5V和±12V。为提高可靠性和避免外部电源的干扰，±12V电源供IO模块及传感器模块使用，5V电源专供双系统的CPU使用。

  触摸屏采用威纶通科技有限公司(WEINVIEW CO，LTDeview)的MT506。输入电压：24VDC;电源电阻：4Ω;显示器：5.6”，256色，TFT LCD;分辨率：320×234，支持USB2.0;处理器：32 Bit RISC 400MHz;内存(DRAM)：64MB DDR2 on board;通讯口：RS-232/RS-485(2W/4W)，本系统通信选用RS485接口;应用软件：EB8000 V2.0.0。触摸屏能够查看到同步电动机的励磁装置的Uff、Iff、α、U、I、cosφ、f、P、Q等参数，以及现场监控装置发出的报警信息，在运行中还可以依据控制要求修改设定值。“事件记录”中有故障报警信息及重要操作的记录，方便故障出现后进行问题分析。

  旋转整流器和交流励磁机属于旋转励磁部分。交流励磁机由生产电机厂家提供，这里不做分析。

  该励磁装置配套WLK-03B旋转整流器，如图3所示。由盘体、控制模块、整流功率模块、启动功率模块和灭磁电阻模块组成的旋转整流器是无刷励磁系统中最重要的部分，在交流励磁发电机的转子上安装。

  整流器的核心器件是控制模块，能完成电机启动投励，输出触发脉冲，接通功率模块，并控制启动模块对启动电阻的投入与切除。控制模块型号：KZMK-03B，输入电路峰值电压430V，输出电路电压660V(阻断时)，每路通态时电流200mA。

  整流器件为整流功率模块，是将交流励磁机发出的交流电整流后向主电机转子绕组提供励磁，型号：TDR型。启动功率模块在电动机异步驱动过程中，投入启动电阻，改善主电机异步驱动力矩，实现电动机平稳迅速的无脉振启动，型号：TD型。当控制模块完成启动功能后，启动电阻会自动退出。

  同步电动机起动时如果转子处于开路状态，转子中将会感应出极高的电压，一般能达到几千伏，因此，启动时在激磁绕组会并联灭磁电阻RF，阻值约是5~10倍的激磁绕组电阻，在电动机失步时此电阻能起到保护旋转整流器免受过电压损坏。采用FZ-2型灭磁电阻，使用时8只相同阻值的灭磁电阻串联使用。单个灭磁电阻最大通电电流为210A，通过此电流时，通电时间应该≤12s。

  KZMK-03B型控制模块，TDR、TD型功率模块和FZ系列灭磁电阻均为WLK系列增安型无刷励磁系统旋转整流器上的专用部件，部件的性能参数如表3所示[3-6]。

  WLK-03SC/N1型微机励磁装置从主电源A、B和C得电，经QF空气开关送至励磁变压器TB的一次侧，TB二次侧经接触器KM连于V1~V6组成的三相半控桥。同步电动机在高压断路器QS合闸后启动，由高压断路辅助触点启动静态励磁柜变压器输出端的接触器KM经过T1的延时时间后，主触点自动闭合，同时输出触发脉冲，三相半控桥按设定值90°的初始值提供直流励磁电压和励磁电流， KM主触点吸合后经一定延时，即在电动机可靠牵入同步后，自动调节系统和保护系统才投入工作。该装置特点如表4所示。

  该装置还具备旋转整流器故障检测功能。运行过程中，电网电压下降到标称电压80%时，励磁系统能提供≥1.4Uff的强励电压，强励时间≤50s。

  2014年6月该车间完成了同步电动机和励磁装置的安装及技术升级工作，该励磁装置运行近一年，发挥稳定，能够对同步电动机的运行进行实时监控及发生故障时准确报警和切换，有效地保障了压缩机的安全工作和加氢裂化装置的稳定生产。

  [1]向往.无刷同步电动机智能全数字励磁系统研究[D].武汉:武汉科技大学,2008.

  本文来源于中国科技期刊《电子科技类产品世界》2016年第5期第66页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。