摘要：高安全性能的壓縮機是氫氣加壓裂化所需的重要設備，需要使用無刷勵磁同步電動機來驅動，并且其啟動和運行性能有苛刻要求。2014年獨石化乙烯廠制氫車間技術改造時，換用TAKW450-18增安型大型高壓無刷同步電動機，其旋轉勵磁器采用WLK-03SC/N1替代了已經運行近10年的舊裝置。本文介紹了該WLK-03SC/N1勵磁器的結構、功能、工作原理及其優點。實踐表明新裝無刷同步電動機能夠滿足壓縮機安全性的要求，保證了加壓氫裂裝置的穩定運行。

引言

無刷勵磁同步電動機作為動力拖動設備，消滅了因滑環與碳刷無休止地滑動接觸致碳刷磨損產生必然的火花。所以，無刷勵磁同步電動機成為具有防爆、防塵、防腐蝕、恒速可控、啟動特性優良、事故時能夠自動強行勵磁穩速和永不停轉要求的石油、化工行業及其他特殊場合的選擇。

主電機(同步電動機主體部分)和勵磁裝置組成無刷勵磁同步電動機。勵磁裝置包含旋轉整流器、交流勵磁機和靜態勵磁裝置，工作原理如圖1所示。

主電機轉子與交流勵磁機轉子同軸，勵磁機采用定子勵磁、轉子發電的工作方式。勵磁機定子由靜態勵磁裝置供電，與電動機主軸一起旋轉的轉子繞組感應出三相交流電，該三相交流電經整流橋整流后供給同步電動機轉子繞組，產生勵磁電流。通過改變勵磁機定子的勵磁電流，可調整勵磁機轉子發出的三相交流電壓，從而改變同步電動機勵磁繞組的勵磁電流，達到控制其啟動與運行的目的。勵磁裝置作用如表1所示。其性能優劣直接影響到同步電動機系統安全穩定的啟動與運行^[1]。

1 工程概況

獨石化公司乙烯廠某制氫車間的加氫裂化裝置中有6臺壓縮機。壓縮機是對催化反應需要的新氫進行增壓液化處理的設備。2004年該車間采用北重電機廠生產的同步電動機，功率為450kW～500kW，配套WLK-02II型微機勵磁系統驅動，進行壓氫作業。該套設備運行近10年，出現同步動作不可靠，運行不穩定等問題，嚴重影響加氫裂化裝置的安全生產。

2014年2月該車間技術改造，采用TAKW450-18增安型大型同步電動機驅動往復式壓縮機對新氫進行增壓，定子額定電壓6kV，裝機容量達到1250kW。配電裝置采用戶內式布置，布置于主廠房6kV機組旁，6kV電源由戶外35/6kV專用變電所負責供電，配用1600KVA主變壓器1臺。勵磁裝置升級為WLK-03SC/N1型微機勵磁，WLK-03SC型屬于WLK系列無刷勵磁裝置第三代產品，配套的DSB斷電失步保護裝置DSBIII為PLC式，額定勵磁電壓為72V，額定勵磁電流為11A，恒功率因數自動控制方式。與前兩代勵磁裝置比較，該裝置采用雙微機控制系統及觸摸屏，可帶載不停機更換控制板;保護功能完善，具備失步保護及不減載自動再整步功能，可滿足工業環境下長周期連續運行的要求，安裝環境如表2所示。

該裝置設計有雙電源自動切換單元，切換時間<80ms。該單元由雙電源自動切換開關A.T.S進行主、備電源切換，主、備電源電壓為380/220VAC(三相四線制)，相線分別接至A.T.S進線端，A、B和C接主電源，U、V和W接備用電源，兩路電源的相位保持一致^[2]。

2 結構及功能

WLK-03SC/N1型微機勵磁裝置由旋轉勵磁和靜態勵磁兩部分組成，如圖2所示。

2.1 靜態勵磁裝置

靜態勵磁裝置是為交流勵磁機提供直流勵磁調節、控制和保護的設備。裝置由控制中心CC和觸摸屏組成，控制中心CC為裝置核心，使用Modbus協議與觸摸屏及上位機通信，上位機選用工業PC機，功能是遠程監控。

控制中心CC為A/B機(A開B備)雙控制系統。系統中包括A、B機的CPU模塊、I/O模塊和DY電源模塊。CPU模塊以80C196KC為中心，帶A/D轉換及DI/DO，配隔離光耦，具有掉電保護功能。由I/O模塊輸出的模擬量送至CPU進行A/D轉換，數字量經光耦隔離后與CPU模塊相連。CPU根據輸入信號(包含觸摸屏輸入信號)處理計算后，完成邏輯運算、控制和保護功能，并執行脈沖輸出和數字量輸出，CPU的脈沖輸出通過I/O模塊經過隔離單元及脈沖放大后，供給三相半控橋觸發脈沖。DY電源模塊輸入采用直流開關電源和交流開關電源雙路供電的24V，輸出為5V和±12V。為提高可靠性和避免外部電源的干擾，±12V電源供IO模塊及傳感器模塊使用，5V電源專供雙系統的CPU使用。

觸摸屏采用威綸通科技有限公司(WEINVIEW CO，LTDeview)的MT506。輸入電壓：24VDC;電源電阻：4Ω;顯示器：5.6”，256色，TFT LCD;分辨率：320×234，支持USB2.0;處理器：32 Bit RISC 400MHz;內存(DRAM)：64MB DDR2 on board;通訊口：RS-232/RS-485(2W/4W)，本系統通信選用RS485接口;應用軟件：EB8000 V2.0.0。觸摸屏能夠查看到同步電動機的勵磁裝置的Uff、Iff、α、U、I、cosφ、f、P、Q等參數，以及現場監控裝置發出的報警信息，在運行中還能夠根據控制要求修改設定值。“事件記錄”中有故障報警信息及重要操作的記錄，方便故障出現后進行問題分析。

2.2 旋轉勵磁裝置

旋轉整流器和交流勵磁機屬于旋轉勵磁部分。交流勵磁機由生產電機廠家提供，這里不做分析。

該勵磁裝置配套WLK-03B旋轉整流器，如圖3所示。由盤體、控制模塊、整流功率模塊、啟動功率模塊和滅磁電阻模塊組成的旋轉整流器是無刷勵磁系統中最重要的部分，在交流勵磁發電機的轉子上安裝。

整流器的核心器件是控制模塊，能夠完成電機啟動投勵，輸出觸發脈沖，接通功率模塊，并控制啟動模塊對啟動電阻的投入與切除。控制模塊型號：KZMK-03B，輸入電路峰值電壓<430V，輸出電路電壓<660V(阻斷時)，每路通態時電流<200mA。

整流器件為整流功率模塊，是將交流勵磁機發出的交流電整流后向主電機轉子繞組提供勵磁，型號：TDR型。啟動功率模塊在電動機異步驅動過程中，投入啟動電阻，改善主電機異步驅動力矩，實現電動機平穩迅速的無脈振啟動，型號：TD型。當控制模塊完成啟動功能后，啟動電阻會自動退出。

同步電動機起動時如果轉子處于開路狀態，轉子中將會感應出極高的電壓，一般能達到幾千伏，因此，啟動時在激磁繞組會并聯滅磁電阻RF，阻值約是5~10倍的激磁繞組電阻，在電動機失步時此電阻能夠起到保護旋轉整流器免受過電壓損壞。采用FZ-2型滅磁電阻，使用時8只相同阻值的滅磁電阻串聯使用。單個滅磁電阻最大通電電流為210A，通過此電流時，通電時間應該≤12s。

KZMK-03B型控制模塊，TDR、TD型功率模塊和FZ系列滅磁電阻均為WLK系列增安型無刷勵磁系統旋轉整流器上的專用部件，部件的性能參數如表3所示^[3-6]。

3 工作原理及特點

WLK-03SC/N1型微機勵磁裝置從主電源A、B和C得電，經QF空氣開關送至勵磁變壓器TB的一次側，TB二次側經接觸器KM連于V1~V6組成的三相半控橋。同步電動機在高壓斷路器QS合閘后啟動，由高壓斷路輔助觸點啟動靜態勵磁柜變壓器輸出端的接觸器KM經過T1的延時時間后，主觸點自動閉合，同時輸出觸發脈沖，三相半控橋按設定值90°的初始值提供直流勵磁電壓和勵磁電流， KM主觸點吸合后經一定延時，即在電動機可靠牽入同步后，自動調節系統和保護系統才投入工作。該裝置特點如表4所示。

該裝置還具備旋轉整流器故障檢測功能。運行過程中，電網電壓下降到額定電壓80%時，勵磁系統能提供≥1.4Uff的強勵電壓，強勵時間≤50s。

4 結束語

2014年6月該車間完成了同步電動機和勵磁裝置的安裝及技術升級工作，該勵磁裝置運行近一年，發揮穩定，能夠對同步電動機的運行進行實時監控及出現故障時準確報警和切換，有效地保障了壓縮機的安全工作和加氫裂化裝置的穩定生產。

參考文獻：

[1]向往.無刷同步電動機智能全數字勵磁系統研究[D].武漢:武漢科技大學,2008.

[2]中國核工業電機運行技術開發有限公司.WLK-03SC/N1型無刷靜態勵磁裝置使用手冊5/26.2-2013SM,2014.

[3]GB3836.1-2000,爆炸性環境用防爆電氣設備通用要求[S]

[4]GB3836.9-2000,爆炸性環境用防爆電氣設備 澆封型電氣設備“m”[S]

[5]GB3836.3-2000,爆炸性環境用防爆電氣設備 增安型電氣設備“e”[S]

[6]吳建國.JB/DQ3292-88增安型無刷勵磁同步電動機防爆技術要求[S].電氣防爆:2000(1):41.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第5期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。

關鍵詞： 勵磁裝置 無刷同步電動機 控制 201606