铁钼加氢催化剂物理特性（WKLF-41无刷励磁系统在联合加氢装置同步电动机上的应用）

铁钼加氢催化剂物理特性（WKLF-41无刷励磁系统在联合加氢装置同步电动机上的应用）其工作原理为交流励磁机转子输出经三相全桥整流后经投励可控硅SCR1，输出至电机转子，达到投励目的。起动回路由二极管SR、可控硅SCR2和灭磁电阻Rd组成，电机异步起动过程中转子感应电流正负半波分别流经二极管，可控硅和灭磁电阻。图1 某泵站无刷同步电动机励磁系统旋转励磁部分电气原理图（1）存在碳刷与滑环的机械磨损。易产生失步现象，严重时出现环火使同步电机失步。（2）因为滑环为铜质材料，常年在“＋”、“—”极情况下运行，滑环出现电解及电腐蚀现象，也威胁同步电机的正常运行。（3）碳刷与滑环导致火花的出现，无法应用于防爆场所。

本文针对同步电动机励磁现状对同步电动机励磁系统存在的问题及原因进行了分析，结合某站励磁系统存在的问题，说明了联合加氢装置选用WKLF-41型无刷励磁系统的必要性，对联合加氢装置工程实际选用的WKLF-41型无刷励磁系统的工作原理及特点进行了详细的阐述，并对其运行状况进行了分析，WKLF-41新型无刷励磁系统是同步电动机励磁系统的创新。

选用这种新型的励磁系统克服了传统励磁系统存在的弊端，整个装置选型是合理的，运行是可靠的，也取得了可喜的运行成果。

1 同步电动机励磁现状及工程概述

1.1 同步电动机励磁现状

同步电动机是目前工业上已广泛应用的动力拖动设备，有刷励磁同步电动机励磁电流需通过碳刷和滑环这一对“动接触部件”供给，有刷励磁主要存在以下缺点：

（1）存在碳刷与滑环的机械磨损。易产生失步现象，严重时出现环火使同步电机失步。

（2）因为滑环为铜质材料，常年在“＋”、“—”极情况下运行，滑环出现电解及电腐蚀现象，也威胁同步电机的正常运行。

（3）碳刷与滑环导致火花的出现，无法应用于防爆场所。

图1 某泵站无刷同步电动机励磁系统旋转励磁部分电气原理图

其工作原理为交流励磁机转子输出经三相全桥整流后经投励可控硅SCR1，输出至电机转子，达到投励目的。起动回路由二极管SR、可控硅SCR2和灭磁电阻Rd组成，电机异步起动过程中转子感应电流正负半波分别流经二极管，可控硅和灭磁电阻。

TL为投励控制模块，FD为放电电路控制模块。

TL投励控制模块原理：当交流励磁机发电后经三相整流后提供励磁电源，经电阻R1限流后提供投励可控硅SCR1触发信号。FD放电阻控制模块原理为在电机起动过程中，转子回路产生感应电压，经电阻R2限流后提供起动可控硅SCR2的触发信号，使SCR2导通。

经分析发现其存在以下设计缺陷：

1、放电电阻模块FD只有一个开通电压，经现场测试，当转子两端电压高于424V时，灭磁可控硅才开通，低于424V时，灭磁可控硅根本无法导通。在电机异步起动过程中转子感应电流正负半波分别流经二极管、可控硅和灭磁电阻，感应电压半波能通过二极管与转子形成电流回路，当感应电压另半波低于424V时，则无电流通路，相当于转子回路开路，感应电压陡然增加，并通过整流二极管并联均压电阻反向加在投励可控硅SCR1，形成反向过电压击穿，造成投励可控硅SCR1经常性损坏。

另外，灭磁可控硅的开通电压只有一个整定值且高达424V，不能满足电机起动的要求，电机起动未尾有脉振现象，存在转矩的不对称性，牵入力矩大大减小，并且在电机运行过程中，灭磁可控硅存在误开通现象，使灭磁电阻一直带电运行，至使静态励磁电流加大。

2、投励控制模块TL在电路上没有与电机转子形成回路，因此，没有滑差检测环节，只是通过限流电阻R1提供投励可控硅SCR1的触发信号，以达到投励目的。原有励磁系统投励过程为人为定时5-8秒投励，电机起动时，静态励磁靠只有当电机完全进入亚同步转速后，才能可靠投上励磁。

但电机靠异步力矩加速至亚同步的时间受电网电压、上下游水位及负载影响较大，若静态励磁投励时间延时短，则会造成带励起动，脉振程度加剧；静态励磁投励时间过长，捕捉不到最佳投励时机，也容易造成投励失败，同时电机起动绕组长时间通大电流，绕组绝缘老化加快。

3、由于电机经常性处于超负荷运行，励磁电流较大，主回路投励可控硅SCR1散热面积有限，不能够增大其额定电流，长期限超负荷运行，至使主桥投励可控硅经常性损坏。

4、静态励磁柜为分立器件组成，由电位器和调压器来调节励磁电流，稳定性差，没有闭环调节，调试维护工作量大。

5、控制部分经常出现晶闸管误导通、脉冲丢失、三相电流丢波缺相、不平衡、励磁不稳定，引起电机失励。

3 WKLF-41无刷励磁的原理与优点

针对上述问题，在联合加氢装置的同步电动机的励磁选型问题时，选用WKLF-41型微机控制无刷同步电机励磁系统装置。此系统对传统励磁系统存在的问题进行了彻底的改进，采用电脑、数字技术研制成综合控制器，具有汉字界面的读写器为用户的使用和维护提供了极大方便。

WKLF－41新型无刷励磁系统主要由静态励磁装置和旋转励磁组成。静态励磁装置部分安装在非防爆场所；旋转励磁部分部分安装在电机本体，由主控制模块、起动功率模块、整流功率模块和电阻模块组成。

3.1旋转励磁部分

旋转励磁部分原理见图2所示。

图2 WKLF-41型无刷同步电动机励磁系统旋转励磁原理图

旋转整流励磁装置由主回路和控制回路组成，主回路包括三相半控桥式整流电路和起动回路。起动回路由起动可控硅、二极管及起动电阻组成。该回路取消了众多励磁厂家采用的直流回路投励主可控硅解决了由于直流侧电流大而引起的主可控硅过热的电流瓶颈问题，同时还避免了由于主可控硅的损坏，导致电机的失磁现象，并且任意一个功率组件损坏都不会导致电机立即失磁。

控制回路由主控模块控制，电机起动后，交流励磁机输出为主控模块提供工作电源。主控模块控制三相半控桥式整流电路及起动回路的工作状况，在电机异步起动和再整步异步驱动过程中，起动可控硅导通阀值为低定值（十几伏），使起动电阻能可靠接入，保证转子感应电流正负半波对称，使电机异步起动和再整步过程中平稳快速。

主控模块设有滑差投励和零压计时投励检测环节，实现顺极性准角投励，消除牵入同步过程中的振荡，减小对电机的冲击。投励完成后，起动可控硅导通阀值被设定为高定值，使起动电阻退出回路避免长时带电发热，当转子回路出现过电压时，起动回路重新接入电机转子回路，吸收过电压，保护主桥。主控模块设有防止电机运行中起动回路出现误开通的检测环节，通过逻辑控制将起动可控硅关断。

3.2静态励磁部分

静态励磁原理框图见图3所示。

图3 静态励磁原理图

静态励磁装置为全数字式微机励磁装置，由可控硅整流主回路，触发脉冲形成及放大电路，单片机及其外围电路，信号测取电路，汉化读写器等硬件，配置了丰富的保护软件，测量运算软件、控制表软件等软件程序。

为了使主机具有更高的可靠性，在WKLF-41型静态励磁装置中，控制部分设置了两个完全相同的通道，分主/备运行，每个通道除配有完成双闭环励磁控制的所有软硬件外，还设有故障巡检、定位、报警和自动切换功能，使整机具有极高的运行可靠性。

3.3 WKLF-41型微机无刷励磁系统的高技术性能

3.3.1 双闭环调节功能

为了提高同步电机及机组的动态稳定性，减小电机由于电网或负载突然波动而导致电机失步的机率，确保工艺生产的连续性和稳定性，在WKLF-41型静态励磁装置中，引入了励磁电流负反馈与定子功率因数负反馈相结合的双闭环调节系统。

实验检测表明当励磁电源AC380V波动达±15%时，励磁电流输出波动不大于±1%；转子电阻波动10%时（随温度变化），励磁输出波动不大于0.5%。功率因数闭环运行时，以电机运行的功率因数作为控制对象，以励磁电流的设定值作为被调量，在6KV母线电压波动和负载波动时自动调整励磁电流的设定值，以维持功率因数恒定。恒功率因数运行可发挥同步电动机平滑无功调节特点，做到节能运行。闭环调节框图见图4所示。

图4 励磁电流闭环控制图及功率因数闭环控制图

以上均为全数字式闭环调节，并引入了比例积分（PI）和比例积分微分（PID）调节器，使系统保持良好的稳定性的同时，具有较好的动态性能。PI、PID调节器的参数除可理论计算外，还可通过励磁装置的辅件汉化读写控制器进行在线修改，调试十分简便。

3.3.2 失步保护及带载再整步功能

WKLF-41型静态励磁装置的失步保护是通过检测定子电流幅值、包络线及功率因数来实现的，失磁失步保护动作于跳闸，而带励失步保护动作于逆变灭磁。受电机自身条件（如牵入力矩）和负载条件（负载率）的限制，在电机再整步时可能出现再整步投励后一定时间内，仍不能将电机拉入同步的情况下，将跳闸停机以确保设备的安全。

电机在起动及再整步过程中，按照“准角强励磁整步”的原则设计，准角强励磁系指电机转速进入临界滑差，按照电动机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大（即定子磁场的N、S极分别与转子绕组产生的S、N极相吸），在准角时投入强励，使吸引力进一步加大，这样电机进入同步便轻松、快速、平滑、无冲击。

图5 电机整步时转子回路电压、电流暂态波形

3.4 投励控制原理及过程

静态励磁装置为交流励磁机提供励磁、并对电机提供必要的保护，电机高压断路器DL合闸，电机异步启动，高压断路辅助接点状态送到静态励磁装置，经延时后静态励磁装置自动投励，静态励磁装置输出电压供交流励磁机励磁绕组。

静态励磁装置投励后，只起到使交流励磁机建压作用，主电机并非立即投励，交流励磁机建压为旋转励磁系统的控制模块提供了电源，旋转励磁系统的滑差检测和起动控制回路立即投入工作，当滑差小于整定值并出现准角时机时，旋转控制模块输出触发信号，可控硅导通，给主电机投入励磁电流。在电机正常或事故停车高压断路器断开后，静态励磁装置联动灭磁，切断供交流励磁机的励磁电源。

4 联合加氢装置无刷励磁系统运行情况及操作维护分析

4.1联合加氢装置无刷励磁同步电动机运行情况分析

联合加氢装置在2004年11月开始试运行过程中，对K54101A/B、K53101A/B四台同步机励磁装置进行了静态调试，从电源到增磁、减磁、灭磁系统及保护系统均进行了调试，将四台同步机的静态装置的定子电流调为7A左右，静态装置投励时间调为1.5″，旋转励磁的投励时间调为13″左右，四台电机运行正常。

通过调试，发现对这种新的励磁系统，因起动时转速不可能一下子很快就达到额定值，所以在静态调试时，尽量增大励磁电流，使励磁磁场有足够的能量，才能使同步电动机很快进入同步。四台同步电动机的励磁系统至今运行正常。

4.2 WKLF-41型微机励磁操作维护方便简单

具有汉字界面的读写器为用户的使用和维护提供了方便。控制系统具有自检和外配线检测功能，在发生故障时，根据不同的故障类别，以代码的方式传给读写控制器。并可由读写器的故障读出功能翻译成汉字字符，供维护人员参考。控制插件发生故障时可通过更换旋钮不停机更换备用插件。

5 结束语

从联合加氢装置的运行情况来看，联合加氢装置大型同步电动机选用这种新型的励磁系统克服了传统励磁系统存在的弊端，整个装置选型是合理的，运行是可靠的。也取得了稳定运行的可喜成果。 WKLF-41新型无刷励磁装置采用了数字化控制技术及半导体可控整流技术，通过对同步电动机的运行参数、运行曲线及特性曲线进行优化处理，使同步电动机在异步起动、脉冲形成、脉冲放大、自动投励、自动灭磁、失步保护、抗干扰等方面具有先进而可靠的技术处理方法，为解决同步电动机有刷励磁系统存在的问题提供了依据。

但也存在一些缺陷，如对旋转模块维修还比较困难，结构上还要进一步优化设计，从长远看，同步电动机WKLF-41新型无刷励磁系统克服了传统励磁系统的弊端，在装置运行中减少了故障出现的次数，维护、检修工作量的减少节约了维护及检修费用，装置的运行更加安全可靠。相信通过这次使用，WKLF系列励磁装置具有很好的推广使用前景。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“WKLF-41无刷励磁系统在联合加氢装置同步电动机上的应用”，作者为史文毓。）