淺談電動、發電機組中的微機勵磁系統

郭平

摘 要：為了正確了解微機勵磁裝置，從WKLF-102B型微機全控勵磁裝置的組成、技術特點，論述了微機勵磁裝置在江都三站中的應用，為在建南水北調大型泵站微機勵磁裝置的設計選型及其他大型泵站的更新改造提供參考.

關鍵詞：勵磁裝置;電動;發電

江都三站1969年建成，共有抽水機組10臺套，電機采用可逆變速三相同步電機，在抽水時，電機作為同步電動機運行，取用電網的有功電能轉變為抽水的機械能。在發電時，電機轉向相反，電機將機軸上傳來的機械能變為電能。無論排澇還是抗旱，都為里下河地區的安全生產作出了很大的貢獻，

江都三站電機配套所使用的勵磁裝置是北京前鋒科技有限公司生產的WKLF-102B專用型微機控制同步電機勵磁裝置。該裝置具有豐富的軟、硬件功能，可滿足電動和子同期并網發電兩種運行工況，并可適應電網頻率為50HZ及25HZ兩種工作模式。該裝置的主回路采用的是三相全控橋式整流回路，控制單元采用Excitrol-100勵磁調節器，該調節器是結構獨立的控制單元，其功能涵蓋了勵磁系統所有測量、控制、調節與保護;如觸發脈沖形成與功率放大、模擬量變送、接點量開入開出、起動回路控制、參數整定與勵磁調節、軟硬件故障監測、雙機通訊、后臺通訊、與PC 機或液晶操作面板通訊等等。采用雙調節器配置時雙機只通過CAN 通訊電纜連接，無任何公用部分，真正做到百分之百軟、硬件冗余。

采用Excitrol-100 勵磁調節器只需另外配置勵磁主回路、用于勵磁電流電壓測量的霍爾傳感器及簡單的操作指示元件即可構成整套勵磁系統;各部分功能明確，結構簡潔。

Excitrol-100 勵磁調節器采用具有超大規模集成度的32 位嵌入式DSP 處理器作為核心控制單元，其150MHz 的主時鐘頻率足以應對任何復雜的快速運算;Excitrol-100 勵磁調節器內部幾乎所有模擬量測量均采用快速傅立葉變換（FFT）運算，具有極高的工業現場抗干擾能力。

該裝置的主要技術特點如下：

1 采用具有超大規模集成度的32 位嵌入式DSP 處理器做為核心控制單元，主時鐘頻率為150MHz;勵磁調節器具有超強的數字信號處理能力。

2 16 通道模擬量采集均為每周期（每20 毫秒）128 點高速交流直接采樣，并通過快速傅立葉變換（FFT）計算各電參數基波參數值，信號測量不受工業現場干擾影響。

3 采用DSP、CPLD 等超大規模集成電路，最大限度的減少硬件設計（即硬件功能的軟件化設計），主控制線路板采用6 層板結構，全面的表面貼裝工藝。

4 起動無脈振、投勵無沖擊。電機異步起動過程起動電阻正、負半波可靠對稱接入，電機加速平穩，能迅速準確按整定參數捕捉到滑差，實現投全壓控制和反極性末尾準角投勵;設有零壓計時投勵環節，確保在電機輕載起動時可靠投勵。可滿足電動機降壓和全壓起動要求。

5 全新的可控硅同步觸發控制方式，同步信號取自勵磁變壓器二次側，三相線電壓互為冗余，任意一相斷線不影響裝置運行。在不附加任何相移的前提下保證觸發脈沖與勵磁電源同步，對勵磁變壓器的連接組別不作要求。

6 勵磁調節方式可設置為自動、手動及開環模式。自動模式為雙閉環勵磁調節方式，內環為勵磁電流調節，外環可選擇采用恒無功功率、恒功率因數及恒機端電壓調節;恒功率因數調節方式配置有上、下限無功功率限位功能，確保電機不長時間超額運行以及輕載運行的穩定性;恒無功功率調節方式配置有機端過、欠電壓限制功能;恒機端電壓調節方式則配置有過勵、欠勵電壓限制及無功電流調差功能。手動模式采用恒勵磁電流調節。開環模式作為一種安全保守運行模式在前兩種模式無法正常運行時采用，開環模式將退出所有閉環調節并屏蔽除硬件監測保護外的所有限制保護功能，相當于恒可控硅觸發導前角運行方式。各種調節方式可隨時手動互相切換，且切換無抖動（開環模式除外）。

7 通過簡單的設置可使裝置滿足電網頻率為25Hz 時的運行要求，在該模式下各項電參數的測量精度及功能與工頻50Hz 運行時相同。

8 能適應發電及電動兩種運行工況;發電運行并網方式采用自同期并網，可選擇采用恒無功功率、恒功率因數或恒機端電壓調節。

9 具有失步保護及不減載自動再整步功能。當擾動超過同步電機同步能力極限而失步時，該裝置能迅速檢測到并采取可靠技術措施，使同步機自動恢復再整步，保持連續運行。在出現受同步電機自身等條件限制導致再整步不成功時，裝置能可靠跳閘停機。

10、具有全面的勵磁保護和限制功能。包括：調節器內部硬件故障及電源監測、霍爾傳感器故障檢測、勵磁輸出開路檢測、觸發脈沖故障及主橋缺相檢測、起動回路故障及起動回路無法關斷檢測、同步信號斷線及可控硅觸發同步故障檢測、增減磁接點粘連保護、PT 斷線檢測、空氣開關及快速熔斷器檢測、風機故障檢測、帶勵失步保護、失磁失步保護、長時間不投勵保護、再整步失敗保護、滅磁失敗保護，可整定的反時限強勵限制、最小勵磁限制、過勵限制、欠勵限制、機端過電壓限制、機端欠電壓限制、低電壓強行勵磁等等。軟件故障設有兩級看門狗監測保護。

11、具有與斷電保護裝置配合實現斷電自動再整步功能。

12、支持在線參數整定，所有參數即改即用，配置參數保存于串行EEPROM 中并按正、副本加CRC 校驗碼保存，正本參數錯誤自動使用副本。掉電不丟失。

13、支持多種控制操作模式。包括：就地面板按鈕操作，帶觸摸屏的就地液晶面板操作（選配），就地PC 機運行Excitrol_soft 軟件包操作，遠方RS485 接口后臺PC 機操作，通過外置調制解調器及公用電話線網絡與遠程PC 機連接實現遠程操作、調試及故障診斷。

14、功率參數測量的在線選線功能。功率參數的測量依賴于PT、CT 次回路的接線正確性;在電機開機前要確保接線正確有一定難度，開機后難免存在帶電調換接線或需停機調換接線的難題，而且很難保證一次調線就能解決問題;Excitrol系列勵磁調節器可同時顯示PT、CT 所有接線組合測得的功率參數值，用戶可根據當時電機運行工況輕松地選擇正確的接線組合并永久保存至調節器，無須調換PT、CT 物理接線位置。

15、完備的事件記錄功能。能準確記錄勵磁裝置的每一次就地或遠方操作、裝置的瞬時或永久故障信息、輸入輸出接點量及內部狀態變位等信息，可記錄最新發生的1500 多條事件信息，掉電不丟失。

16、功能強大的內置錄波器。勵磁調節器內部配置有可同時錄制兩路模擬量和八路接點量的錄波器;最大錄波分辯率為每周期（每20 毫秒）128 點，最大錄波時長為76 秒，在錄波時長內可任意配置錄波追憶時間;兩路模擬量可根據需要選擇配置為調節器采集的所有模擬通道中的任意兩個通道;錄波器可手動觸發或自動觸發，配合Excitrol_soft 軟件包中的波形分析功能很方便的實現波形分析、存儲、打印等（前面的波形圖均為內置錄波器錄制）。

17、優異的抗干擾性能，通過GB/T17626 嚴酷等級為Ⅲ級的抗干擾測試，勵磁輸出無波動，調節器各項功能不受影響。

18、雙機熱備用功能。雙套調節器通過CAN 通訊電纜連接，分主、備機運行，雙套調節器軟、硬件完全獨立，備機自動跟蹤主機運行狀況;雙機均正常時可操作手動切換任意指定主機通道，在主機發生軟、硬件故障，電源故障，調節器調節、限制失效等故障且故障等級惡劣于備機時（設有故障自動切換優先級控制器），自動無抖動切換至備用通道;若備機同時發生更嚴重故障則在非致命故障條件下自動動轉入手動模式或開環保守模式運行，致命故障動作于跳閘停機。

19、勵磁屏就地操作顯示標準配置為640×480 點陣7.7 英寸（或更大尺寸）真彩色中文顯示觸摸屏液晶面板。

20、全面的電參數測量顯示功能。可測量顯示的電參數包括：勵磁電流、勵磁電壓、定子三相線電壓、定子電流、電網頻率、有功功率、無功功率、功率因數、可控硅觸發導前角、電機起動時間、累計運行時間、調節器環境溫度及輔助功能的兩路4-20mA電流值。

21、功能的可擴展性。預留了兩路與調節器內部隔離且相互隔離的4-20毫安模擬量輸入接口，可設置上、下限閾值，動作于報警或跳閘停機。在用戶有電機轉速、軸承溫升、可控硅溫升、勵磁變壓器溫升等要求時可輕松實現功能擴展。

經過十幾年的實際運行，該勵磁裝置性能依舊穩定可靠，具有豐富的軟、硬件功能，滿足了電動和子同期并網發電兩種運行工況，并可適應電網頻率為50HZ及25HZ兩種工作模式，勵磁調節器內部幾乎所有模擬量測量均采用快速傅立葉變換（FFT）運算，測量部分采用霍爾元件，具有極高的工業現場抗干擾能力，與上位機通訊快速靈敏，可以說該勵磁裝置的成功應用為泵站的水利調度和變頻發電提供了保障，同時其便利操作界面也大大減化了員工的值班工作量。

參考文獻：

[1].GB/10585-1989 （中小型同步電機勵磁系統基本技術要求）

[2].周雙喜、李丹編著 同步發電機數字式勵磁調節器? 北京：中國電力出版社1998

[3].吳黎明主編? 單片機原理及應用技術? 北京：科學出版社 2005

[4].北京前鋒科技WKLF-102B勵磁裝置說明書? ?2008

（江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）