基于DSP励磁系统在大型同步电动机中的应用

佛山市高明区沧江泵站管理处 冯海锋



基于DSP励磁系统在大型同步电动机中的应用

佛山市高明区沧江泵站管理处 冯海锋

【摘要】本文通过介绍传统励磁系统的结构形式和缺陷，以及基于DSP的WKLF-102型励磁系统的技术特点及工作原理，对这种基于DSP的新型励磁系统在大型同步电机机中的实际应用过程、效果进行探讨。

【关键词】励磁系统；DSP；同步电动机；KGFL10；FFT；WKLF-102

励磁系统是同步电动机的重要配套设备，早期的同步电动机采用直流发电机来励磁，这样增加了投入，并且系统复杂，不利于管理，这大大限制了同步电动机特别是大型同步电动机的应用。随着半导体技术的发展，特别是可控硅技术的进步，同步电动机不再采用直流发电机励磁，而是将交流电经可控硅整流后进行励磁。

这种可控硅整流励磁系统为大型同步电动机在工矿企业的应用立下了汗马功劳，但早期由于技术的限制，其控制、触发以及保护等部分，存在着明显的不足及缺陷，甚至对同步电机造成很大的损伤，并且增大了电机运行人员的工作量，增加了他们的工作压力。

1　传统励磁系统的结构形式和缺陷

目前，大部分工矿企业采用的传统励磁系统是上世纪七十年代的产品，如我单位之前使用的为北京整流器厂生产的设备KGFL10系列，不同厂的同类设备电路形式基本上以KGFL10型为代表。由于当时技术的限制，这些装置都是采用分立元件、插板式结构，从而形成整套系统的稳定性、可靠性低，故障率高，其缺陷具体表现为：

1）触发信号由6块不同的触发板控制，各触发信号相互之间的联系少，很难做到相同信号之间的严格同步或者不同信号之间角度差值的完全准确。

2）采用分立元件，各元件间的性能，质量对整套系统的影响很大，特别是随着运行时间的增加，元件温度的上升，会造成元件性能的漂移，而又没有完善的校正环节，给整套系统的稳定性带来不可预知的影响。

3）系统参数的整定，通过调节电位器来实现，而调整的幅度则是通过示波器来判断，调整的准备度很难提高。

4）没有手动投励环节，当由于各种各样的原因造成投励失败时，必须停止同步电动机的起动，由于大型同步电机需要间距一般时间才能再次进行启动，可能会延误时机。

5）整套设备调试非常复杂，工序繁多，没有记忆功能，每次使用前都要重新进行调试。

6）没有任何备份环节，当出现故障或者其他原因时，会造成电机失步，这时候同步电动机运行在异步状态，转子绕组上会感应出较高的电势，会损伤同步电动机的绝缘。并且检修故障非常复杂麻烦，不利于故障的解决，恢复生产。

7）抗干扰能力低。

因此，对传统励磁系统，特别是其控制、触发及保护环节进行改造升级，使其提高可靠性、稳定性、安全性，是非常必要的。

2　DSP励磁系统的主要技术特点

随着技术的进步，特别是大规模集成电路、数字技术的广泛应用，一种基于DSP的新型励磁系统开始出现，并且迅速得到普及，我单位改造后使用的北京前锋科技有限公司生产的WKLF-102型DSP新型励磁系统具有以下主要技术特点：

1）采用超大规模集成度的32位嵌入式DSP处理器作为核心控制单元，主时钟频率达到150MHZ，励磁调节器具有超强的数字处理能力。

2）具有16通道模拟量采集均为每周期（20毫秒）128点高速交流直接采样，并且通过快速傅立叶变换（FFT）计算各电参数基波参数值，信号测量不受工业现场干扰影响。

3）起动无脉振，投励无冲击。电机异步起动过程起动电阻正、负半波可靠对称接入，电机加速平稳；能迅速准确按整定参数捕捉滑差，实现投励；设有零压计时投励环节，确保电机轻载起动时可靠投励。

4）全新的可控硅同步触发控制方式，同步信号取自励磁变压器的二次侧，三相线电压互为冗余，任意一相断线不影响装置运行。

5）励磁调节方式可设置为自动、手动及开环模式，可以手动投励，各种调节方式在电机运行过程中可随时手动互相切换，并且切换时无抖动。

6）具有失步保护及不减载自动再整步功能，当扰动超过同步电机同步能力极限而失步时，该装置能迅速检测到并自动采取可靠技术措施，使同步电动机自动恢复再整步，保持连续运行。当自动再整步不成功时，装置能够可靠跳闸停机。

7）具有全面的保护及限制功能，具有双调节器双机热备用功能，通过CAN通讯电缆连接，分主、备机运行，软、硬件完全独立，互为备份。备机自动跟踪主机的运行状况，当主机出现故障时能自动无抖动切换到备机运行，过程无需停机，大大提高同步电机运行的稳定性及可靠性。

8）具有全面的自动测量功能，各检测值能在显示屏上显示；各参数的设置只需要在显示屏上设定，保存，即自动调节，无需人为操作，判断；具有完备的事件记录功能，准确记录每次的操作，显示故障详情，掉电不丢失。

9）有强大的抗干扰性能，通过GB/T17626严酷等级为三级的抗干扰测试，输出无波动，各项功能不受影响。

3　WKLF-102大型DSP励磁系统的组成及工作原理

WKLF-102大型DSP励磁系统，包括三相全控桥式整流回路构成的主回路，起动回路，空气开关，励磁变压器，两台功能相同的Excitrol-100励磁调节器，测量指示元件，液晶触摸屏面板，风机单元，电源系统，接点量开入、开出部分，后台上位机通讯接口，励磁电流、电压4～20mA变送输出部分，以及配套专用软件。

Excitrol-100微机励磁调节器为结构独立的控制单元，其功能包括测量、控制、调节与保护，同时还负责与后台PC机液晶操作面板以及两套调节器之间的通讯，是整个WKLF-102励磁装置的核心成员。

图1　WKLF-102型工作原理方框图

图2　液晶操作面板

如图1方框图所示，电机起动时，励磁调节器Excitrol-100控制起动回路保持低定值（10-30V）导通状态，并且通过接入电机转子回路，以改善电机的起动力矩，使起动过程平稳迅速。调节器通过测量环节检测电机的转动，当转差率达到5%时，调节器会输出6路触发脉冲到三相全控桥式整流电路，顺序导通3对可控硅元件，使得从桥臂输出相应的励磁电压、电流到同步电动机的转子。投入励磁正常后，调节器控制起动回路，保持高定值（＞500V）导通状态，并且监视起动回路的状态防止过热。

WKLF-102型励磁系统装备两台Excitrol-100调节器，由图1可以看到，两套调节器能独立完成对同步电动机的所有控制操作，相互之间没有任何软、硬件公用部件，只通过高速CAN总线连接以交换运行数据，分主、备机运行，备机自动跟踪主机运行状况，开机时自动互为选择主、备机，并可随时手动切换任意指定主机通道。

调节器通过测量，反馈环节，对整个系统的工作情况进行全面的监控，并将监控的情况全面反映在液晶操作面板上，如图2所示。

4　WKLF-102大型DSP励磁系统的实际应用

高明区沧江泵站为省内大型泵站，装备四台每台额定功率为1250KW的上海电机厂生产的同步电机，额定励磁电流244A，之前一直使用北京整流器厂生产的KGFL10型励磁设备，该设备为分立元件式插板式结构，故障率一直比较高，在2005年汛期期间，1号机的励磁设备由于元件温度升高造成性能漂移，致使不能正常投励，1号机不能正常启动。由于故障部位难以掌握，并且备件的性能也发生漂移，致使处理该故障花了10小时，而处理的方法仅仅是更换投励插板里的一只小小的电位器。

2008年初，沧江泵站对四台励磁设备进行了技术改造，采用WKLF-102大型DSP励磁系统对旧系统进行更换，整个工程在一周内完成。当年6月汛期，沧江泵站四台机组投入防洪，新安装的励磁系统一直稳定工作，并且由于新系统高度自动化，并且配备完善的事件记录功能，所有信息自动在液晶面板上显示，大大减少工作人员的工作量。2008年至今，经过大约共400小时的运行，没有出现过任何影响机组运行的故障，真正解决了以前一直困扰管理人员的机组运行过程中的最大难题，取得了良好的社会、经济效益。

参考文献

［1］WKLF-102型微机控制同步电动机励磁装置用户手册［S］.北京前锋科技有限公司，2007，4.

［2］KGLF10系统同步电动机可控硅励磁设备产品说明书［S］.北京整流器厂，1994，3.

［3］潘咸昂.泵站辅助设备及自动化［M］.水利电机出版社，1989，1.