泵站勵磁裝置故障分析與改造

張 宇，李 揚，王華良，湯 煒

（1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州225200；2.北京前鋒科技有限公司，北京101400；3.江蘇省揚州市江都區水務局，江蘇揚州225200）

0 引 言

江都第四抽水站是南水北調東線工程重要泵站之一，安裝有7臺套機組（立式液壓全調節軸流泵+立式同步電動機），單機流量30 m3/s，容量3 400 kW，總裝機容量23 800 kW，總抽水能力210 m3/s。

江都第四抽水站的勵磁裝置經過多次改造。1977年采用的是KGLF11 型可控硅勵磁裝置。1994年，更新改造為BKL-101C 型同步電動機勵裝置。該裝置主回路采用無續流二極管型半控橋式線路。1998年底，勵磁裝置改造為LZK-3型同步電動機勵磁綜合控制器。該勵磁系統在原BKL-101C型勵磁裝置基礎上進行改造，增加了勵磁綜合控制器。2009年改造為LZK-3G型勵磁裝置，采用三相橋式半控整流技術，10年使用下來因設備老化、故障頻發等問題，主要表現在勵磁裝置設備遠程控制和監視不能滿足現場需求；勵磁在運行時還存在失控現象；電機起動時，勵磁裝置精準投勵較差，導致電機起動失敗；勵磁運行時，其滅磁電阻有電流通過，使之發熱，影響泵站安全；由于水泵負荷波動或電網電壓波動，勵磁裝置反應不夠迅速，導致電機失步。當電機運行時，勵磁裝置會有可控硅損壞現象，導致水泵機組停機。為了滿足現代化和智能化管理泵站，勵磁裝置設備亟須進行改造和升級。

1 LZK-3G型勵磁裝置存在問題及分析［1］

江都第四抽水站LZK-3G 型勵磁裝置設備元器件老化嚴重，功能相對落后，且備品備件無法采購。在開機和運行過程中，故障頻發，總結有以下6種：

（1）通訊故障，數據刷新延遲嚴重，甚至上位機無法讀取勵磁控制器測量數據，通訊中斷。

（2）勵磁失控現象。原勵磁裝置采用三相橋式半控整流技術，只需三路可控硅觸發脈沖。其整流結構由正橋臂為三只可控硅，負橋臂為三只續流二極管組成，如圖1所示。

圖1 三相橋式半控整流原理圖Fig.1 Three phase bridge half control rectifier

三相橋式半控整流勵磁裝置在滅磁回路二極管損壞情況下存在失控現象，一旦勵磁裝置滅磁需停發正橋臂三只可控硅觸發脈沖。由于轉子是大電感，負橋臂二極管起續流作用。勵磁在滅磁時間內電機轉子仍有較大勵磁電流，剩余勵磁電流將危害人身安全，其失控電壓波形如圖2所示。

圖2 三相橋式半控整流失控電壓波形圖Fig.2 Out of control voltage waveform of three-phase bridge half control rectifier

（3）滅磁電阻帶電發熱、變壓器發熱、可控硅易損。勵磁設備存在滅磁電阻長時間帶電，引起滅磁電阻發熱狀況。勵磁變壓器在強勵時發熱明顯，勵磁運行中有可控硅易損現象。

（4）勵磁投勵失敗。現場起動同步電機時，監視系統顯示跳車信號，致使電機無法正常起動和運行，最終確認為勵磁投勵失敗故障。

（5）電機失步。泵站在運行中，水泵突然會出現停機現象，經查為勵磁裝置報電機失步故障。

（6）恒功率因素調節緩慢。

原勵磁功率因素調節采用功率因素變送器，信號采集后送至單片機控制系統，其設計原理如圖3所示。

圖3 恒功率因素測量和控制原理Fig.3 Constant power factor measurement and control

功率因素變送器的硬件配置影響了功率因素調節的實時性和快速性，表現出勵磁系統不夠穩定，調節緩慢等現象。

2 改造方案

針對以上問題，選用WKLF-102 型勵磁裝置，它具有以下功能來滿足泵站改造和升級要求：

（1）具有通訊網關，將RS485通訊轉換為以太網，提高通訊可靠性，勵磁數據實時上傳至上位機，中控室實時監控勵磁運行情況。

（2）采用三相橋式全控整流，勵磁變壓器和可控硅應考慮在強勵、系統電壓跌落和長時間過負荷運行等極端條件下，能夠運行良好，不發熱不損壞。

（3）利用三相橋式全控整流在可控硅觸發角85°整流有負電壓去關斷滅磁回路中的可控硅，使得滅磁電阻脫開轉子回路而保持冷態。

（4）分析同步電機異步起動特點，并根據電機轉子和定子磁勢分析出勵磁投勵最佳時刻，優化電氣原理圖設計，使得勵磁裝置精準投勵，解決投勵失敗問題；軟件控制則采用失步再整步保護和雙閉環控制，解決電機失步和勵磁調節緩慢的問題。

2.1 三相橋式半控整流失控問題解決方法

采用三相橋式全控整流可以解決三相橋式半控整流失控的問題。三相橋式全控整流由于負橋臂是可控硅組成，沒有續流，因而停機時不存在失控。數字調節器停發六路可控硅觸發脈沖，全橋整流輸出立即停止。其控制原理如圖4所示。

圖4 三相橋式全控整流控制原理圖Fig.4 Three phase bridge full control rectifier

三相橋式全控整流，正橋臂、負橋臂分別由三只可控硅組成。模擬量采用軟件濾波，可實現現場抗諧波信號干擾［3］。勵磁投勵后，可控硅觸發角α控制在85°時整流輸出負電壓，利用輸出負電壓去關斷滅磁回路可控硅V7，使得滅磁電阻在勵磁運行后可控硅V7 關斷而迅速脫開同步電機轉子，保證滅磁電阻長時間無電流，保持冷態。

2.2 勵磁變壓器過熱問題解決方法

為了解決原勵磁變壓器過熱情況，應滿足以下條件：

（1）勵磁變壓器應在同步電機1.1 倍額定勵磁電流下能夠長期運行，且有一定裕量。

（2）同步電機的系統電壓下降至80%時，勵磁裝置保證強勵倍數不小于1.4倍。

（3）勵磁裝置處于最大勵磁電流時，保證可控硅觸發角不超過10°。

根據以上條件，勵磁變壓器二次側電壓U21應滿足公式：

式中：Ufe為額定勵磁電壓162 V；ΔU為可控硅總壓降2 V；cosα為可控硅最小觸發角系數0.986；C為三相橋式傾斜系數0.5；K為強勵倍數1.4；XT為勵磁變壓器漏抗0.04。

根據式（1），U21=223 V，取整后考慮裕度，選取U21為230 V。選取變壓器容量時，應考慮變壓器損耗和1.1 倍勵磁電流同步電機穩定運行，應滿足公式如下：

式中：S為勵磁變壓器容量；U21勵磁變壓器二次側電壓；Ife為額定勵磁電流。

根據式（2），勵磁變壓器容量S=106 kVA，考慮裕度，可選取勵磁變容量110 kVA，電壓為400 V/230 V，可保證勵磁裝置在任何情況下變壓器穩定運行。

2.3 可控硅損壞問題解決方法

可控硅損壞原因有過電壓和過電流。在選取可控硅時應滿足以下條件：

（1）可控硅電壓反向重復峰值VRRM，應大于勵磁變壓器二次側峰值電壓的2.75倍，滿足以下：

根據式（3）VRRM=894.335 V，考慮可控硅電壓裕度（實際值應大于計算值的2.5倍），可選可控硅反向重復峰值2 600 V。

（2）可控硅在常溫下平均通態電流IT，應考慮海拔、環境溫度系數、散熱器系數，散熱風機風速系數等，滿足以下：

式中：K1為電流儲備系數，取2；K2為橋式電路系數，取0.367；K3為海拔系數，取1.1；K4為風速系數，取1；K5為溫度系數，取1；K6風速降低系數，取0.9。

故IT=268.2 A，再考慮可控硅電流裕度（實際值應大于計算值的2倍），可選可控硅平均通態電流600 A。由此，可控硅選取KP600 A/2 600 V，再配備可控硅阻容過壓吸收模塊和快速熔斷器保護，使得可控硅能長期穩定運行。

2.4 投勵失敗和過早投勵引起失步問題的解決方法

同步電機一般以異步起動方式為主，電機將從零轉速升至額定轉速95%時，勵磁以順極性準確角投勵方式投勵，并保持幾秒的強勵動作，強行把電機牽入同步。其投勵邏輯圖如圖5所示。

圖5 勵磁裝置投勵邏輯圖Fig.5 Logic diagram of excitation device

采用電流霍爾傳感器AP1 檢測轉子滑差情況，判斷電機起動時轉子感應電流的幅值和頻率，捕捉同步電機5%滑差，并進行準確角投勵［4］。

同步電機異步起動特點：前期起動定子電流幅值高，其轉子感應交變電流幅值也大，且頻率高，接近工頻50 Hz；后期隨著電機不斷升速，電機起動定子電流幅值不斷衰減，其轉子感應交變電流幅值相應減少，頻率變小，勵磁裝置將動作于投勵狀態，將同步電機牽入同步。

同步電機在異步起動加速過程中，由于定子電壓作用形成定子磁勢F1，同步電機勵磁繞組在異步起動過程中產生交變感應電壓，與滅磁電阻形成轉子感應電流，從而產生轉子磁勢為Ff。

F1磁勢和Ff磁勢夾角在45°～90°時，勵磁裝置投勵。此刻同步電機定子磁場和轉子勵磁繞組磁場處于順向吸引區，同步電機易牽入同步且對電網沖擊少，產生脈振最小，投勵時刻最佳，工程上稱為最佳順極性投勵［5］，其F1磁勢和Ff磁勢圖如圖6 所示。反之，其他區域投勵較為困難，容易發生投勵失敗，且對電機及電網有較大沖擊。

圖6 順極性投勵磁勢圖Fig.6 Excitation potential diagram of forward polarity

勵磁裝置根據電機起動時轉子感應交變電流波形，利用IC1電流霍爾傳感器LT308，并通過勵磁裝置內部運算放大器IC2、IC3和過零比較器IC4，將信號轉變為TTL 電平信號，送至微機處理器，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 勵磁裝置投勵原理圖Fig.7 Schematic diagram of excitation device

勵磁裝置檢測轉子感應電流半波周期ΔTHC，當ΔTHC=0.2 s時，滑差即為5%時投勵。轉子感應電流半波周期與同步電機滑差率滿足以下關系：

式中：ΔTHC為轉子感應電流半波周期；S為同步電機滑差率；f為轉子感應電流頻率。

當同步電機轉子滑差率S＝5%時，ΔTHC=0.2 S。滿足上述條件，勵磁裝置發出投勵信號。其同步電機起動時，轉子感應電流波形及微機TTL電平信號如圖8所示。

圖8 轉子感應電流波形及微機TTL波形Fig.8 Induced current waveform of rotor and TTL

另外，凸極效應比較強且轉動慣量較小的同步電機，在空載異步起動時，起動電流幅值偏小且衰減過快，進入亞同步時間較短，勵磁裝置難以捕捉到滑差。在上述情況下，勵磁裝置將采取定時投勵，確保同步電機牽入同步。

勵磁裝置有滑差投勵和定時投勵兩種投勵方式，以順極性準確角滑差投勵方式為主，定時投勵方式為輔，這樣保證了勵磁裝置投勵準確性，從而解決了勵磁投勵失敗和過早投勵引起失步的問題。

2.5 帶勵失步問題的解決方法

同步電機在水泵水位突增期間或系統電網電壓波動不穩定時，如果勵磁裝置調節反應過慢，就有可能導致同步電機失步，即為帶勵失步［6］。

帶勵失步將勵磁裝置產生的電磁轉矩與失步引起感應電流形成的電磁轉矩，兩者電磁轉矩共同作用，引起電機脈振。其電機總電磁轉矩為

式中：P為電機總電磁轉矩；S為同步電機滑差率；E為同步電機轉子電動勢；U為同步電機定子電壓有效值；Xd'為同步電機超瞬變電抗；θ為轉子電動勢與定子電壓矢量夾角。

同步電機在失步影響下，勵磁電流、有功功率和定子電流幅值周期性振蕩，導致同步電機的機械振蕩；電氣振蕩和機械振蕩兩者疊加，使得同步電機受損。

為了解決電機失步，采取失步再整步保護措施。勵磁裝置在運行過程中應實時檢測電機滑差，如電機滑差達到3%要求，勵磁裝置則判定電機屬于失步狀態且失步程度較輕，則裝置應自動快速滅磁，然后再次判斷電機滑差是否小于再整步臨界滑差；若滿足條件，勵磁再次投勵并發出強勵動作。若同步電機能牽入同步成功，機組則繼續運行；若同步電機牽入同步不成功，則勵磁發跳電機信號。其失步再整步保護軟件流程圖如圖9所示。

圖9 勵磁裝置失步再整步保護流程圖Fig.9 Flow chart of out of step and step protection

勵磁裝置失步再整步保護有效解決了電機運行過程中失步的問題，但是該保護有一定條件：同步電機失步程度不能太深、電機負載不能過重，即帶勵失步時的滑差SW和再整步臨界滑差SL應滿足以下關系：

式中：SW為同步電機帶勵失步時滑差；SL為同步電機再整步臨界滑差。

2.6 恒功率因素調節緩慢問題的解決

可采用雙閉環控制模式解決該問題。內環為恒勵磁電流控制模式（稱手動模式），勵磁繞組阻值變化和勵磁電源波動都能使勵磁電流保持恒定。其控制滿足下式：

式中：If1為勵磁電流給定；ΔIfd勵磁電流變化量；KP比例系數；KI為積分系數。

外環為恒功率因素控制模式或恒無功功率控制模式（稱自動模式）。其控制對象是功率因素或無功功率，但此控制模式最終控制對象仍為勵磁電流。

在恒功率因素滿足公式：

式中：If2為恒功率因素下勵磁電流；cosα功率因素變化量；KPα為比例系數；KIα為積分系數；KDα為微分系數。

在恒無功功率下有公式：

式中：If3為恒無功功率下勵磁電流；ΔQ為無功功率變化量；KPQ為比例系數；KIQ為積分系數；KDQ為微分系數。

通過機端電流信號和機端電壓信號測量，可以計算出電機的無功功率、有功功率、功率因素、視在功率；利用不同控制對象采取不同PID 和雙閉環控制模式，實現模擬量快速、精準、良好靜態和動態調節的特性。

2.7 WKLF-102現場調試

經過改造和升級后，現場1 號～7 號機組共7 臺水泵，對應WKLF-102 型勵磁裝置分別進行開機調試。以1 號機組為例，圖10 為同步電機起動從零轉速升速到同步電機牽入同步的定子電流波形，圖11為同步電機起動到投勵后轉子感應交變電流和投勵后勵磁電流波形。根據同步電機定子電流波動情況判定勵磁投勵比較平穩；同步電機牽入同步時，定子電流相對平穩，故勵磁投勵時對電網系統沖擊較小。

圖10 同步電機起動至運行定子電流波形圖Fig.10 Stator current waveform from starting to running of synchronous motor

圖11 同步電機起動至運行轉子電流波形圖Fig.11 Rotor current waveform from starting to running of synchronous motor

勵磁裝置在不同控制模式下進行了現場試驗，表1 是在水泵不同水位情況下產生的負載，增加勵磁電流后，勵磁裝置在恒勵電流模式下勵磁電流測量情況；表2 在水泵不同水位情況下產生的負載，勵磁裝置在恒勵功率因素模式下，功率因素測量情況。這些試驗表明：勵磁裝置調節平穩，響應及時，測量精準。

表1 水泵負載變化時勵磁恒勵磁電流模式調節試驗Tab.1 Regulation test of constant excited current modewhen water pump load changes

表2 水泵負載變化時勵磁恒功率因素模式調節試驗Tab.2 Regulation test of constant power factor mode when water pump load changes

3 結 語

新勵磁裝置經過現場調試和運行實踐，最終解決了原LZK-3G勵磁故障問題：

（1）改造后勵磁設備采用三相橋式全控整流技術，解決了原勵磁失控現象；現裝置滅磁電阻在同步電機運行后保持冷態，勵磁變壓器熱穩定和可控硅不易受損。

（2）現勵磁裝置具有順極性準確角滑差檢測投勵和定時投勵兩種功能，兩者互為補充，勵磁軟件有失步再整步保護功能，解決了勵磁投勵失敗和同步電機帶勵失步運行的問題。

（3）勵磁裝置采用實時采集模擬量并計算電機功率因數和其他電機實時參數，利用雙閉環控制模式，實現快速、精準、實時穩定的調節勵磁電流的目的。