同步电动机励磁实现恒功率因数自动切换技术.doc

ABB励磁调节器在宝钢空压机同步电动机上的应用及技术改进贡兆良 史振翔（宝钢股份公司能源部 200941）（上海发电设备设计成套研究所 200240）摘 要：本文就宝钢2# 空压机同步电动机励磁调节器数字化改造调试过程中，对ABB励磁调节器的运行方式、恒功率因数与恒励磁电流自动切换以及在恒电压模式下调差系数的设置等问题进行分析、研究后，制定相应的改进措施，另外介绍了ABB UNITRIL F系列励磁调节器的一些限制和保护。关键词：同步电动机 励磁调节器 自动切换 恒功率因数 调差1 前言宝钢能源部2# 空分配套的电气设备是日本日立公司产品。空压机同步电机励磁装置经过近17年的运行，设备老化严重，性能下降。加之长期运行，局部单元损坏严重，且无备件更换，故障率很高。根据设备现状，结合计算机控制技术的迅猛发展，决定对原模拟调节器实施数字化改造，以提高调节器的调节精度和控制可靠性。在多次技术交流和反复论证后，采用上海成套所与ABB公司合作生产的AFTO/C1型ABB UNITRILF双通道励磁调节器。2 UNITROLF双通道微机励磁调节器运行方式及控制原理简介UNITROL F系列微机励磁调节器采用了ABB先进技术，应用广泛。具有响应速度快，调节精度高，调节和保护功能完善，结构紧凑，抗干扰能力强，调试运行维护简便，可靠性高等特点。其中AFTO/C1型双通道微机励磁调节器适用于60MW及以下的同步机励磁系统。其具备下列四种运行方式：恒机端电压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功功率运行方式、恒功率因数运行方式。其中机端恒压调节方式是由PID控制器控制的自动控制模式，用于调节电动机端电压恒定；恒励磁电流调节方式则是由PI控制器控制的手动控制模式，用于维持励磁电流恒定；而恒无功功率调节和恒功率因数调节方式是恒机端电压调节模式的叠加模式。具有无功/有功电流相位补偿、最大/最小励磁电流限制、最大定子电流限制等主要功能。3 UNITROLF双通道微机励磁调节器应用中的问题及改进整个同步电动机的励磁方式采用的是无刷励磁，由永磁机、励磁调节器、交流励磁机、三相桥式整流装置和放电电阻构成，其中交流励磁机的定子和三相桥式整流装置以及放电电阻，安装在同步电动机的转子轴上，励磁调节器的控制就是通过控制永磁机的输出来控制交流励磁机的励磁，交流励磁机的交流输出再经过三相桥式整流装置变成直流提供给同步电动机励磁。电动机的启动采用的是自耦变压器二级降压启动，在投全压后励磁调节器延时投入励磁，牵入同步。在调节器运行方式上，最初的设计是采用的手动模式即恒励磁电流模式，在预先设定好励磁电流的大小后，投入励磁即维持励磁电流这个水平运行。但同步电动机本身具有改善电网功率因数的能力，励磁系统应该实现：a) 可以按无功电流恒定或功率因数恒定自动调节励磁电流；b) 当电网电压跌落的时候，励磁可以实行强励以保持电动机转矩，避免失步。据此，我们对ABB UNITROL F励磁调节器的运行方式做了一下修改，在投励逻辑上依旧是主开关合闸后延时5s投入励磁，此时运行方式仍为恒励磁电流方式，在投励成功后调节器设置逻辑自动切换到恒电压模式，并接着再投入恒功率因数模式。准备开车操作人员按下起动按钮延时5sYESNO图2 改进后的恒功率因数自动切换方式2#空压机主电源开关合闸投励磁运行在恒励磁电流手动控制模式增加负载功率43自动切换到恒电压自动控制模式自动投入恒功率因数控制模式停车减少负载YES功率38NO自动退出恒功率因数控制模式自动切回恒励磁电流手动控制模式停 车在恒电压模式下，调节器以机端电压为控制对象，当电压发生波动的时候，励磁会做相应的调整，只要电网电压跌落，励磁会迅速输出直至强励，避免电动机发生失步。ABB的调节器中，恒功率因数是叠加在恒电压模式上的，在切换到恒电压模式后，再投入恒功率因数模式，但最初我们发现在刚开始投励，有功负荷较小的情况下，励磁的输出不稳定，会出现过励现象。分析认为由于同步电动机的V形曲线（如图1）在轻负荷和重负荷不一样，轻负荷的时候功率因数超前很多，励磁会出现过调或者出现调节混乱异常现象，系统难以将功率因数恒定在超前0.97。为此轻负荷时不宜采用恒功率因数调节。经过试验我们确定在有功负荷带到43的时候再投入恒功率因数，并将功率因数设定在0.97，为避免在投入点附近波动的时候会出现类似开关的投退现象，我们设定退出恒功率因数调节的有功负荷在38。这样从恒励磁电流模式起励，到切换到恒电压和恒功率因数模式，系统都能够平稳的完成切换。图1 同步电动机的V形曲线综上所述，按照ABB公司原有技术，改造后的控制流程如图2所示。在正常运行中为避免系统异常或电网电压长期跌落，使励磁电流长期超过额定值而引起励磁绕组过热，我们需要对励磁的输出进行限制，防止产生过励磁，另外为了避免同步电动机在滞后工况下，欠励过分而引起失步，同样需要对低励磁进行限制，在软件中过励限制有励磁电流限制，定子电流限制，低励限制有P/Q限制和最小励磁电流限制。励磁电流限制是为了限制强励的，分为两段，超过1.05倍进行1段限制，1段采用反时限特性的电流限制，2段是强励顶值设定为1.5倍，允许时间10s，因为同步电动机可以运行在超前或者滞后工况，对应V型曲线，在功率因数为1时的定子电流是最低的，随着超前和滞后的增加，定子电流都会增加，所以我们对定子电流也需要进行限制，软件中有定子电流限制器，同样设置为两段，参照实际工况，我们将限制设定在超过1倍启动反时限限制，1.1倍为电流顶值限制。同步电动机一般运行在超前功率因数下，当励磁不足时，电动机定子电流的功率因数由超前变为滞后，从电网吸收感性无功功率，如果电动机负载较轻，尚可稳定运行，但负载较重时，若减小励磁电流，电动机的静态储备系数降低，严重时会导致失步，对于低励限制，软件中是通过设定P/Q曲线来限制的，软件中可以设定5个点，分别对应不同的有功负荷下允许滞后运行的最大无功点，通过这5个点形成的曲线对励磁输出进行限制。此外软件中还最小励磁电流限制的模块做为后备限制，防止励磁电流过小。无差调节特性有差调节特性图3 调差特性关于调差系数的一些问题分析。在调试过程中发现调节器突然输出异常，引起机组跳车。2002年11月1日进行2# 空压机同步电动机励磁盘恒功率因数调节功能试验过程中，当手动切换到恒功率因数模式后约30s，励磁电流、无功等数据异常升高，调试人员不得已而迅速切回到恒电压模式，然而5秒后2# 空压机跳机，励磁盘显示旋转二极管故障。后分析故障，判断是调差系数的设置问题。由于宝钢空分系统中共有4台机组并列运行，这样在运行中各个机组的无功需要稳定合理的分配，无功的分配决定于各台机的调差特性，如图3所示。在恒电压模式下几台具有无差特性的机组是不能并列运行的，因为它们之间的无功分配不稳定，一台具有无差特性的机组与几台有差特性的机组虽然可以并列运行，但系统的无功会全部由这台机组承担，这也是不合理的。对于半导体励磁调节器的调压精度在0.5以内，所以基本上调差系数小于1，近似无差调节特性，这样只适合单机运行，如果多台机组并列运行，我们必须人为附加调差环节，这样无功才可以按照机组的容量稳定分配给并列运行的机组。所以造成励磁失控与异常的原因是调差的参数设置错误所致，无功调差设置成了“0”，致使励磁调节器处于不稳定状态，在电网电压稍有变化时输出就大幅波动造成跳机。为此，将无功调差设定值由0%改为8%，解决问题。 对于同步电动机旋转部分检测上，如果旋转整流装置发生故障，交流励磁机会产生不平衡的负荷，从而在定子上产生交变磁场，电动机在交流励磁机的定子线圈上装有故障检测线圈，所以故障时可以感应出高电压，通过一个故障检测继电器来检测这个电压判断故障，由于动作电压值设置太小，造成在前面发生过励磁的时候，此时感应的电压已经触发这个继电器输出，造成了误跳机。后将动作电压从43V升高到60V，躲过励磁电流限制情况下感应到的电压范围。避免在系统发生强励情况下再次误跳机。4 结束语通过技术改进，ABB 公司的UNITROL F微机励磁调节器已很好地运用于日立公司生产的TFBLWRD型同步