同步电机数字励磁系统在磷矿球磨机的应用与研究

2020-03-21苏红生李高桥

通信电源技术 2020年3期

苏红生，李高桥

（云南云天化红磷化工有限公司，云南开远 661600）

0 引言

磷化工企业生产中大功率的重要设备，如压缩机、循环机和球磨机大等重型负载设备[1]，一般采用同步电机拖动。励磁装置是保证同步电机运行的重要辅助设备，其技术性能好坏直接影响到机组的安全、稳定运行。励磁控制方式分为模拟控制方式和数字控制方式。随着现代控制理论与微机综合自动化技术的不断进步，数字控制方式的微机励磁装置能在恶劣环境中长时间工作。它的调试维护简单，能与多种控制系统通信。

1 数字式励磁装置组成及同步电机的工作原理

1.1 数字式励磁装置组成

同步电机励磁系统一般由整流变压器、可控硅整流桥、灭磁回路、微机控制、继电保护单、仪表操作以及风机冷却等单元组成[2]。对于大中型同步电机整流桥一般采用三相全控桥。数字式励磁控制装置的调节器由微处理器或可编程控制器、输入输出电路构成，通过软件实现各种调节控制。人机交换一般采用LCD显示触摸屏，可以在线修改和显示当前运行的各种参数和故障监视。通信常采用RS-485串行通信或以太网等通信接口，实现励磁系统与计算机监控系统的控制和数据交换[3]。

1.2 同步电机的工作原理

同步电机异步起动的过程中，励磁装置实时检测转子滑差信号。当转子转速达到亚同步速度即N=95%N0时，检测到感应电流方向与励磁电流方向一致，向可控硅发出触发脉冲顺极性投励，直流电流便送入励磁绕组，转子接入励磁将同步电机拖入同步运行，即N=N0=60f/P。

同步电机无功决定于励磁装置输出励磁电流的大小。过励（超前）运行时，同步电机向电网发无功；欠励（滞后）运行时，从电网吸收无功。同步电机V形曲线如图1所示，描述定子电流I与励磁电流If之间变化关系的曲线，即I=f (If)的关系曲线[4]。

图1 同步电机V形曲线

当cosΦ=1运行时，同步电机运行于电阻性状态，定子电流I最小。在此基础上增/减磁，定子电流都将增加。增磁时功率因数超前运行，属于过励，同步电机运行于电容性状态；减磁时功率因数滞后运行，属于欠励，同步电机运行于电感性状态。对于同步电机只能运行在功率因数超前状态，若运行在功率因数滞后状态，容易导致同步电机失步。

2 同步电机励磁系统在磷矿球磨机应用中出现的故障及处理方法

2.1 故障现象

公司的三台磷矿球磨机自2009年投用，电机为 1 800 kW的同步电机。配套励磁调节器采用PLC可编程励磁调节器，同步电动机经气动离合器、大小齿轮装置带动球磨机旋转，通过控制气动离合器气囊的空气压力达到带动或脱开球磨机的目的。带球磨机运行前同步电机空载启动运行正常后，通过电磁阀对气动离合器气囊充气，带动球磨机旋转。励磁方式采用恒励磁电流调节，启动同步电机和带动球磨机的励磁电流均为180 A。同步电机定子空载运行电流70 A，带动球磨机同步机定子运行电流150～165 A。在2017年10以前，3台球磨机按上述方式能正常运行。从2017年11月，在励磁电流180 A时，球磨机同步电机空载起动正常，同步电机在带球磨机旋转时出现励磁带阻故障。检查励磁系统和电机均完好，主要原因是工艺提高了矿浆的浓度和细度，每台磨机钢球添加量增大，平均每天1 t，投矿量每小时增加约10 t，导致球磨机的起动负荷增大，带球磨机旋转时出现同步电机失步，励磁柜报励磁带阻故障。增加励磁电流至220 A时，同步电机带球磨机旋转正常。该类励磁装置只有恒励磁电流调节，励磁电流220 A导致同步电机空载起动时电流增大，比励磁电流180 A增大约40 A。在球磨机运行过程中，由于工艺调节或短时处理机械故障时只停球磨机，同步电机空载运行，每班次同步电机的空载运行时间30～45 min，电耗增大。如果运行方式改变时都需专人调节励磁电流，将增加专业人员的劳动强度和人力投资[5]。

2.2 处理方式

球磨机的运行分两步，一是球磨机同步电机的空载起动运行，二是同步电机运行正常后带动球磨机旋转[6-8]。励磁系统投励也分为两次投励。同步电机空载起动的恒励磁电流160 A，气动离合器给气囊充气时电磁阀动作信号给励磁柜一个信号，当励磁柜得到气动离合器气囊充气信号时，励磁柜给一个强励电流 250 A，时间为10 s。同步电机带动球磨机旋转，强励结束后球磨机运行的恒励磁电流为220 A。球磨机停运时，电磁阀泄放气动离合器气囊压力，同时发一个信号至励磁柜，同步电机转空载运行励磁电流为160 A。在进行PLC程序设计过程中，把气动离合器给气囊充气简称为抱闸信号，相应的程序如下[9-10]。

（1）抱闸信号来时，程序判断励磁装置需在投入励磁后才锁住抱闸状态，如图1所示。

（2）在抱闸状态前，装置运行在空载恒流值；抱闸状态后，装置先给一个抱闸强励，并且有时间控制；抱闸强励后，系统转入恒流正常运行，如图2所示。