浅谈电动、发电机组中的微机励磁系统

郭平

摘 要：为了正确了解微机励磁装置，从WKLF-102B型微機全控励磁装置的组成、技术特点，论述了微机励磁装置在江都三站中的应用，为在建南水北调大型泵站微机励磁装置的设计选型及其他大型泵站的更新改造提供参考.

关键词：励磁装置;电动;发电

江都三站1969年建成，共有抽水机组10台套，电机采用可逆变速三相同步电机，在抽水时，电机作为同步电动机运行，取用电网的有功电能转变为抽水的机械能。在发电时，电机转向相反，电机将机轴上传来的机械能变为电能。无论排涝还是抗旱，都为里下河地区的安全生产作出了很大的贡献，

江都三站电机配套所使用的励磁装置是北京前锋科技有限公司生产的WKLF-102B专用型微机控制同步电机励磁装置。该装置具有丰富的软、硬件功能，可满足电动和子同期并网发电两种运行工况，并可适应电网频率为50HZ及25HZ两种工作模式。该装置的主回路采用的是三相全控桥式整流回路，控制单元采用Excitrol-100励磁调节器，该调节器是结构独立的控制单元，其功能涵盖了励磁系统所有测量、控制、调节与保护;如触发脉冲形成与功率放大、模拟量变送、接点量开入开出、起动回路控制、参数整定与励磁调节、软硬件故障监测、双机通讯、后台通讯、与PC 机或液晶操作面板通讯等等。采用双调节器配置时双机只通过CAN 通讯电缆连接，无任何公用部分，真正做到百分之百软、硬件冗余。

采用Excitrol-100 励磁调节器只需另外配置励磁主回路、用于励磁电流电压测量的霍尔传感器及简单的操作指示元件即可构成整套励磁系统;各部分功能明确，结构简洁。

Excitrol-100 励磁调节器采用具有超大规模集成度的32 位嵌入式DSP 处理器作为核心控制单元，其150MHz 的主时钟频率足以应对任何复杂的快速运算;Excitrol-100 励磁调节器内部几乎所有模拟量测量均采用快速傅立叶变换（FFT）运算，具有极高的工业现场抗干扰能力。

该装置的主要技术特点如下：

1 采用具有超大规模集成度的32 位嵌入式DSP 处理器做为核心控制单元，主时钟频率为150MHz;励磁调节器具有超强的数字信号处理能力。

2 16 通道模拟量采集均为每周期（每20 毫秒）128 点高速交流直接采样，并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 采用DSP、CPLD 等超大规模集成电路，最大限度的减少硬件设计（即硬件功能的软件化设计），主控制线路板采用6 层板结构，全面的表面贴装工艺。

4 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到滑差，实现投全压控制和反极性末尾准角投励;设有零压计时投励环节，确保在电机轻载起动时可靠投励。可满足电动机降压和全压起动要求。

5 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。在不附加任何相移的前提下保证触发脉冲与励磁电源同步，对励磁变压器的连接组别不作要求。

6 励磁调节方式可设置为自动、手动及开环模式。自动模式为双闭环励磁调节方式，内环为励磁电流调节，外环可选择采用恒无功功率、恒功率因数及恒机端电压调节;恒功率因数调节方式配置有上、下限无功功率限位功能，确保电机不长时间超额运行以及轻载运行的稳定性;恒无功功率调节方式配置有机端过、欠电压限制功能;恒机端电压调节方式则配置有过励、欠励电压限制及无功电流调差功能。手动模式采用恒励磁电流调节。开环模式作为一种安全保守运行模式在前两种模式无法正常运行时采用，开环模式将退出所有闭环调节并屏蔽除硬件监测保护外的所有限制保护功能，相当于恒可控硅触发导前角运行方式。各种调节方式可随时手动互相切换，且切换无抖动（开环模式除外）。

7 通过简单的设置可使装置满足电网频率为25Hz 时的运行要求，在该模式下各项电参数的测量精度及功能与工频50Hz 运行时相同。

8 能适应发电及电动两种运行工况;发电运行并网方式采用自同期并网，可选择采用恒无功功率、恒功率因数或恒机端电压调节。

9 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采取可靠技术措施，使同步机自动恢复再整步，保持连续运行。在出现受同步电机自身等条件限制导致再整步不成功时，装置能可靠跳闸停机。

10、具有全面的励磁保护和限制功能。包括：调节器内部硬件故障及电源监测、霍尔传感器故障检测、励磁输出开路检测、触发脉冲故障及主桥缺相检测、起动回路故障及起动回路无法关断检测、同步信号断线及可控硅触发同步故障检测、增减磁接点粘连保护、PT 断线检测、空气开关及快速熔断器检测、风机故障检测、带励失步保护、失磁失步保护、长时间不投励保护、再整步失败保护、灭磁失败保护，可整定的反时限强励限制、最小励磁限制、过励限制、欠励限制、机端过电压限制、机端欠电压限制、低电压强行励磁等等。软件故障设有两级看门狗监测保护。

11、具有与断电保护装置配合实现断电自动再整步功能。

12、支持在线参数整定，所有参数即改即用，配置参数保存于串行EEPROM 中并按正、副本加CRC 校验码保存，正本参数错误自动使用副本。掉电不丢失。

13、支持多种控制操作模式。包括：就地面板按钮操作，带触摸屏的就地液晶面板操作（选配），就地PC 机运行Excitrol_soft 软件包操作，远方RS485 接口后台PC 机操作，通过外置调制解调器及公用电话线网络与远程PC 机连接实现远程操作、调试及故障诊断。

14、功率参数测量的在线选线功能。功率参数的测量依赖于PT、CT 次回路的接线正确性;在电机开机前要确保接线正确有一定难度，开机后难免存在带电调换接线或需停机调换接线的难题，而且很难保证一次调线就能解决问题;Excitrol系列励磁调节器可同时显示PT、CT 所有接线组合测得的功率参数值，用户可根据当时电机运行工况轻松地选择正确的接线组合并永久保存至调节器，无须调换PT、CT 物理接线位置。

15、完备的事件记录功能。能准确记录励磁装置的每一次就地或远方操作、装置的瞬时或永久故障信息、输入输出接点量及内部状态变位等信息，可记录最新发生的1500 多条事件信息，掉电不丢失。

16、功能强大的内置录波器。励磁调节器内部配置有可同时录制两路模拟量和八路接点量的录波器;最大录波分辩率为每周期（每20 毫秒）128 点，最大录波时长为76 秒，在录波时长内可任意配置录波追忆时间;两路模拟量可根据需要选择配置为调节器采集的所有模拟通道中的任意两个通道;录波器可手动触发或自动触发，配合Excitrol_soft 软件包中的波形分析功能很方便的实现波形分析、存储、打印等（前面的波形图均为内置录波器录制）。

17、优异的抗干扰性能，通过GB/T17626 严酷等级为Ⅲ级的抗干扰测试，励磁输出无波动，调节器各项功能不受影响。

18、双机热备用功能。双套调节器通过CAN 通讯电缆连接，分主、备机运行，双套调节器软、硬件完全独立，备机自动跟踪主机运行状况;双机均正常时可操作手动切换任意指定主机通道，在主机发生软、硬件故障，电源故障，调节器调节、限制失效等故障且故障等级恶劣于备机时（设有故障自动切换优先级控制器），自动无抖动切换至备用通道;若备机同时发生更严重故障则在非致命故障条件下自动动转入手动模式或开环保守模式运行，致命故障动作于跳闸停机。

19、励磁屏就地操作显示标准配置为640×480 点阵7.7 英寸（或更大尺寸）真彩色中文显示触摸屏液晶面板。

20、全面的电参数测量显示功能。可测量显示的电参数包括：励磁电流、励磁电压、定子三相线电压、定子电流、电网频率、有功功率、无功功率、功率因数、可控硅触发导前角、电机起动时间、累计运行时间、调节器环境温度及辅助功能的两路4-20mA电流值。

21、功能的可扩展性。预留了两路与调节器内部隔离且相互隔离的4-20毫安模拟量输入接口，可设置上、下限阈值，动作于报警或跳闸停机。在用户有电机转速、轴承温升、可控硅温升、励磁变压器温升等要求时可轻松实现功能扩展。

经过十几年的实际运行，该励磁装置性能依旧稳定可靠，具有丰富的软、硬件功能，满足了电动和子同期并网发电两种运行工况，并可适应电网频率为50HZ及25HZ两种工作模式，励磁调节器内部几乎所有模拟量测量均采用快速傅立叶变换（FFT）运算，测量部分采用霍尔元件，具有极高的工业现场抗干扰能力，与上位机通讯快速灵敏，可以说该励磁装置的成功应用为泵站的水利调度和变频发电提供了保障，同时其便利操作界面也大大减化了员工的值班工作量。

参考文献：

[1].GB/10585-1989 （中小型同步電机励磁系统基本技术要求）

[2].周双喜、李丹编著 同步发电机数字式励磁调节器  北京：中国电力出版社1998

[3].吴黎明主编  单片机原理及应用技术  北京：科学出版社 2005

[4].北京前锋科技WKLF-102B励磁装置说明书   2008

（江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）