WKLF11用户手册07.docx
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WKLF11用户手册07
概述
适用于同步电动机励磁的WKLF-11型微机全控励磁装置是以电力电子技术、现代控制理论与微机技术相结合的新一代励磁调节控制装置。
它严格按照与电机电磁参数相匹配，与供用电系统网络的要求相适应进行设计；特别是在装置的总体设计中充分考虑到目前现场运行维护人员的技术水平；采用智能化硬软件设计，大大减少了整机的操作、维护工作量。
WKLF-11型微机励磁彻底解决了其它励磁装置存在的起动脉振、投励滑差捕捉不到、投励冲击、运行中起动电阻发热、半控桥失控时励磁变压器发热甚至烧毁等问题。
能实现闭环调节和控制，可使同步电动机和供用电网络的动态稳定性加强，厂矿的无功分配优化。
本装置还具有失步保护和不减载自动再同步性能，以及常规励磁不能实现的许多控制、限制、保护和自诊断自恢复功能。
该装置采用全数字式励磁调节，有两个完全独立的自动通道互为备用，整机可靠性高，为同步电动机励磁领域的理想更新换代产品。
本装置可广泛用于：
石油、化工、冶金、矿山、水利、电力、煤气、建材、医药、轻工、纺织等工矿企业各类同步电机。
1、装置的特点及适用范围：
1.1、主要特点
1.1.1起动无脉振。
能使电机异步起动过程平稳、快速，可满足电动机降压和全压启动。
1.1.2投励无冲击。
能迅速准确捕捉到滑差，实现真正准角投励。
1.1.3运行可靠性极高。
本装置具有两套独立的微机调节控制通道，每一通道均能设置成自动（闭环）或手动（开环）运行，可人为指定其中一套为工作通道，备用通道自动跟踪工作通道。
在工作通道发生电源故障、硬件故障和软件故障时自动切换到备用通道，切换过程平稳无抖动。
1.1.4装置可设置为自动和手动运行。
当设置为自动（闭环）运行时，采用内外环双闭环励磁调节系统。
内环为励磁电流调节环，可提高励磁系统调节的快速性，在外部扰动时迅速调节励磁，充分发挥同步电机自身极限同步能力而避免电机失步；外环为功率因数调节环，充分保证在电机负载波动或电网电压波动时功率因数恒定运行。
1.1.5操作、调试和维护简单方便。
本装置操作、显示、调节控制等主要部件集中在一个可转动的门上，便于操作维护。
数字化参数整定，调试时可通过读写器对整定参数读出和修改，亦可在电机正常运行时在线修改，调试步骤大为减化。
1.1.6具有独特的读写控制器结构。
在不占用主机的时间下，支持全中文界面下的参数读改、故障信息读出、及与后台系统串行通讯。
1.1.7智能化的故障检测、定位及显示。
本装置对电源故障、硬件故障及软件故障具有自动检测功能，软件故障可自恢复。
故障信息显示在主机箱面板上，并可通过读写器读出如同步信号、PT、CT、A/D、CPU、RAM、ROM等详细故障信息。
故障插件和风机机箱均可在线更换。
1.1.8具有失步保护及不减载自动再同步功能。
当扰动超过同步电机同步能力极限而失步时，该装置能迅速检测到并采取可靠技术措施，使同步机自动恢复再同步，保持连续运行。
该装置还具有过励、欠励、缺相等常规保护功能。
1.1.9该装置以数字电路为基础，励磁调节和控制采用微机处理器，消除了模拟电位器调整的繁琐和由于温度变化带来的励磁漂移。
大部分功能软件化，减少硬件品种和数量。
1.1.10结构化软件设计。
功能的增减可方便地通过修改软件而实现。
1.1.11励磁电流由霍尔电流传感器、定子电压电流分别由信号变换器隔离，输入输出开关量均通过继电器、光耦隔离，提高了装置的抗干扰能力。
1.1.12装置工作电源采用交直流同时供电，两套独立电源，提高供电电源可靠性。
1.1.13装置采用进口优质接插件及元器件、配线采用压接工艺，优质端子。
1.1.14具有RS-485串行通讯接口，常规配置MODBUSRTU模式下的从站通讯软件。
可方便地与后台上位机系统连接。
1.1.15主回路冷却方式采用低速风冷；风机单元为插箱结构并选用进口无电容风机；风机故障不联动停机，允许在不停机条件下更换风机插箱或故障风机。
1.2、装置的适用范围及使用环境
1.2.1适用范围
WKLF-11型微机全控励磁装置适用于各种容量、各种不同负载的同步电动机。
1.2.2使用环境
1.2.2.1使用地点海拔高度不大于1500米；
122.2环境温度-5C-+45C；
1.2.2.3环境相对湿度不大于90％，无凝露；
1.2.2.4使用环境的周围介质无爆炸危险，且周围空气中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体及导电尘埃。
2、装置主要功能及技术参数
2.l、主要功能
装置功能大部分由软件完成，主要功能如下：
2.1.1恒功率因数PI调节模块；
2.1.2励磁电流PI调节模块；
2.1.3启动控制功能；
2.1.4滑差检测投全压、准角投励功能；
2.1.5数字整定和比较功能；
2.1.6失步检测模块；
2.1.7带载自动再同步控制模块；
2.1.8快熔断、风机停、空气开关跳、互感器断线、同步信号故障检测和处理功能；
2.1.9电源、硬件、软件故障检测和处理功能；
2.1.10参数在线修改及详细故障读出功能；
2.1.11在线更换故障插件和风机单元；
2.1.12励磁的过励、欠励、缺相等各种限制保护及灭磁功能。
2.1.13与上位机通讯功能
2.2、主要技术参数
2.2.1模拟量输入参数
定子电压：
额定值100伏
定子电流：
额定值5安
转子电压：
实际值
转子电流：
实际值模数转换通道：
两路
2.2.2开关量输入输出容量
28路带光电隔离I/O口，5路非光隔I/O口。
2.2.3电源参数
交直流并联供电。
AC220V±20％，DC220V/110V±20％。
2.2.4指标参数
可控硅控制角a分辨率：
2-8
A/D转换分辨率：
2-8控制调节速度：
50次／秒
励磁电压调节范围：
35％-120％（可修改）移相范围：
0-180度，上下限值可程序设置工作方式：
按主备机方式工作，备机自动跟踪主机，主机故障自动切换至备机，无抖动。
3、装置系统配置：
3.1、电气配置
3.1.1原理框图原理框图见下页
3.1.2操作回路配置操作回路是和现场信号有直接联系的回路，它起着内外部信号转接隔离作用.用户在装置
安装时，应接入相关信号。
见第5章节。
3.1.3I/O口配置（包括A/D）
微机全控励磁装置配有28路带光电隔离I/O口，5路非光隔I/O口。
模／数转换两路。
3.1.4电气硬件配置
3.1.4.1主机系统
CPU主机板插件
I/O通道板插件
MF脉冲放大板插件
SW切换板插件
RW-2型读写控制器
以上插件和读写器可组成单通道自动调节控制系统，采用双自动通道时，CPU、I/O、
MF插件均需两块。
推荐用户采用双通道.
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3.142信号变换及电源系统
包括母线电压、电流及同步信号变换器，励磁电流霍尔传感器和交直流输入两路独立开
关电源
3.1.4.3操作继电器系统
3.1.4.4仪表、显示、操作系统
3.1.4.5风机、可控硅、启动控制、阻容吸收等主回路系统
3.2、结构配置
3.2.1机柜
装置机柜采用单柜体结构，柜体外形尺寸为800（长）X800（宽）X2260或2360（高）
柜体前视依次为：
玻璃门、摇门、可控硅板、后门。
显示操作板、主机机箱、信号变换及电源机箱、继电器板等均装于可转动摇门上，风机箱装于可控硅上层。
3.2.2插箱及安装板
装置设有风机插箱、主机插箱、信号变换及电源插箱、显示操作板、继电器板、可控硅板等。
4、装置原理
4.1控制原理
为了提高同步电机及机组的动态稳定性，减少电机由于电网或负载等突然波动而导致电机失步的机率，确保工艺生产的连续性与稳定性；在WKLF－11型励磁装置中，引入了转子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。
从而使整机的性能指标大大提高，具体表现在：
（1）供给励磁系统的低压380V电源发生波动时，励磁调节器内环（电流环）能迅速作出反应，自动调整可控硅触发导前角，使励磁电流基本保持恒定（恒等于给定值）。
（2）在励磁绕组直流电阻随温度变化时，励磁调节器内环将自动改变可控硅触发导前角，维持励磁电流恒定（恒等于给定值）。
（3）同步电机定子供电电源和负载发生波动时，励磁调节器的外环（功率因数环）迅速作出反应，自动加大或减小励磁电流给定值，在一定的范围内（电机不长时超额运行）保持同步电机功率因数恒定。
在装置的主机箱面板上，设有开／闭环控制钮，当旋钮置于开环位置时，外环退出运行，励磁调节器为恒励磁电流调节；当旋钮置于闭环位置时，功率因数环和电流环同时投入，只是在某些故障状态时（如PT回路断线）功率因数闭环才退出运行。
在开、闭环状态下，控制方法不同。
控制框图如下：
a、开环运行
盒工話一］剰*UfIF
姿2导吃—一pi闖普躺—整流桥一电机转子一^旅跖运,1一
转子电流反憧
b、功率因数闭环运行
1功率因
1数给定
門调节器
电流环
9效］
IF—1-*
电机
PFfcos*>
-tPFF
1
功牢因数反锻
以上均为全数字式闭环调节，并引入了比例积分（PI）调节器，使系统在保持良好的
稳定性的同时，具有较好的动态性能。
PI调节器的参数除可理论计算外，还可通过励磁装
置的辅件-RW2型读写控制器进行在线修改，调试十分简便。
为了实现双闭环励磁调节，需要可控硅整流主回路，触发脉冲形成及放大电路，单片机及其外围电路，信号测取电路等硬件的支撑；同时还需要合理配置保护类软件、测量运算类软件、控制类软件等软件程序。
为了使主机具有更高的可靠性，在WKLF-11型励磁
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。
4.2硬件原理
WKLF-11型励磁装置的硬件原理由以下几部分构成：
（1）主桥及启动回路
WKLF-11型励磁装置的主桥电路为三相全控桥式整流电路，并配有交流侧浪涌吸收、
可控硅换相过电压吸收及均压电路等保护。
主桥可控硅由接于其控制极的脉冲变压器触发顺序导通，从桥臂输出相应的励磁电压。
启动回路包括启动电阻RQ、启动二极管ZQ、启动可控硅KQ及其控制电路以及监视启动回路的JQJ继电器等。
在电机启动时，通过ZQ和KQ将启动电阻RQ接入电机转子回路，以改善电机的起动力矩，使起动过程平稳、迅速。
投入正常励磁后，由JQJ保证启动回路自动切除。
（2）信号检测在电源及信号变换箱中，安装有信号前置变换板，用以给主机提供必要的控制及反馈信号，其种类有：
1同步变压器。
其原边取自励磁电源的A相电压。
给主机提供产生触发脉冲的同步信号。
2母线电压变换器。
其信号取自母线PT的电压小母线，定子BC线电压信号。
3定子电流变换器。
其信号取自同步电机定子侧A相CT，它产生定子A相电流信号，与定子BC线电压一起构成功率因数测量的原始信号。
4在主桥的输出母线上，串接有霍尔电流传感器，用以实现励磁电流的变换。
5前置变换板上设有励磁电流信号的前置放大，以满足后续电路需要的信号电平。
（3）操作回路
WKLF—11型励磁装置的操作回路包括：
1控制开关KK。
为三位置开关，分调试位、工作位和零位。
在调试位和工作位分别有一付接点引入通道板，以给主机提供控制开关的状态。
在工作位还有一付接点外引至定子油开关的合闸回路，以联锁定子回路的合闸操作。
2手动投励和手动灭磁按钮。
用于装置静态或动态调试时进行手动试验。
3手动增减磁按钮。
用于手动调节励磁，在功率因数闭环退出运行时，可通过它们增减励磁电流；在双闭环运行时，可通过它们改变功率因数的设定值。
4开/闭环转换开关。
用于手动设置励磁装置是单一电流环运行还是双闭环运行。
5手动切换按钮。
用于对A、B通道进行手动切换，在两个通道均完全正常时，通过它可任意指定一个通道为主机，另一个通道即变为备机，若出现两通道一个或两个都发生故障时，手动切换不起作用，A、B通道的主/备机状态由自动切换信号控制。
6A、B通道更换旋钮。
用于在A（B）通道故障时更换A（B）通道所有的三个插件（CPU、I/O、MF板）。
若A（B）为正常主机运行，B（A）为正常备机运行，将A（B）的更换开关置“更换”位置时，A（B）通道会自动切换到B（A）而转入备机运行，原为备机的B（A）转入主机运行。
切换过程无抖动。
7定子油开关状态。
它引自定子高压开关的辅助接点。
8主桥启动回路开通监视继电器JQJ的输出接点。
在以上的操作量中，除⑥外，其余各项都通过I/O板上的接点量输入口送入主机，由
CPU不断地对各状态进行巡检。
（4）通道板（I/O板）
作为主机板与外界信息交换的通道，I/O板主要完成电平转换隔离等输入、输出功能。
具体有以下几部分：
1模拟量输入。
包括IF、PT、CT、UD等四个模拟量输入通道，其中IF还有一个整形通道IFT，它们的输入信号取自前置放大板，输出送至主机板供A/D采集或逻辑判别使用。
2接点量输入。
包括上一节所有接点量，都通过光耦隔离后输入主机板，共有28个通道。
3接点量输出。
共有4个继电器接点输出通道，分别为投全压、投励、报警和跳闸。
4指示信号输出。
共有11个通道，输出直接驱动发光二极管（©8）以提供励磁工作时的信号指示。
5内部电平量输入，包括A、B套确认，主、备机确认，I/O板脉冲检测及MF板脉冲检测输入等。
这些都属于非隔离量输入。
6脉冲输出。
—R
用以产生触发主桥可控硅的六路双脉冲信号，并通过光耦隔离输出至脉冲放大板。
六路脉冲的波形图如下图示：
nn-
+C
ru
_nn
门门门
六路触发脉冲时序图
另外在I/O板中还设有脉冲丢失检测电路。
（5）脉冲放大板（MF板）。
用以对I/O板产生的六路脉冲进行电平转换和放大，以驱动脉冲变压器，触发脉冲的波形如图示。
在脉冲放大板中，也设有脉冲丢失检测电路以确保六路脉冲的可靠性。
脉冲触发波形图
（6）主机板（CPU板）。
主机板是励磁装置的控制核心，它接收从I/O板传送过来的信息，进行相应的逻辑处理及数值运算，产生结果从I/O板输出。
另外，CPU板还通过切换板不断与另一通道的CPU板进行通信，同时也在读写控制器请求时与读写器通信。
按硬件结构分CPU板有以下几方面的内容：
1单片机及其常规外围系统；包括CPU程序存储器、数据存储器、基准时钟电路、地址译码电路等。
2A/D采集电路；有励磁电流和备用两路A/D采集。
3滑差检测电路；在电机启动时通过转子电流信号IFT检测转子的转差率，供CPU作投全压及投励判别的依据。
4功率因数检测电路。
用以对I/O板送来的BC电压和A相电流信号进行变换，从中检出两信号的相位差角，供CPU测量功率因数值。
5CPU工作时的软、硬件监测（看门狗）电路。
主机板的硬件资源，只是提供了一个实现励磁装置各项功能的基础，它还需要有丰富
的软件与其相结合。
在下一章软件原理中，将结合介绍CPU板的主要功能。
（7）切换板（SW板）。
切换板上设有两部分电路：
①主/备机切换电路；②信息交换电路。
1主/备机切换电路。
通过它确定A、B两通道谁是主机、谁是备机。
它受自动切换信号和手动切换信号控制。
自动切换的优先级高于手动切换信号，只有在A、B两通道均正常工作时，才能通过手动切换按钮任意指定主备机。
2信息交换电路。
包括：
a、A、B通道之间的信息交换，在切换板上设有A、B通道信息交换的双向并行通信口。
b、主备机之间的信息交换。
c、与读写控制器进行数据通信。
d、功率因数显示接口，A、B通道中的主机通过切换板设置的串行通信口，将功率因数的给定值和实测值送至显示板进行显示。
由于A、B通道都有可能成为主机，因此都需要对切换板上的信息交换电路进行控制，在切换板上，还设有总线切换电路。
它受主／备机的切换信号控制。
此外，在切换板上还有跳闸信号产生电路，当A、B两通道均处于故障状态时，输出跳闸信号，通过I/O板使跳闸继电器动作。
（8）保护回路。
由于WKLF－11型励磁装置采用了微处理器芯片，它除了完成双闭环励磁调节功能外，还具有很强的保护功能，在下一章软件原理中将作详细介绍，因此，继电保护回路实际上只承担动作出口、跳闸、报警及其复归等功能。
另外，还有一小部分常规保护没有引入主机箱控制器中，它们通过出口跳闸继电器直接输出，如：
a、空气开关过流保护；
b、励磁变压器二次侧的快速熔断保护；
还有一些只动作于报警的监测环节也没有送入主控制器中，而是直接引至报警继电器，如：
a、风机电源监测：
b、主机箱A、B套+24V电源监测；
c、交流电源监测；
d、直流电源监测。
所有动作于跳闸出口的保护都会动作报警，在报警回路中设有音响报警和灯光报警，并设有音响报警复归按钮，而灯光报警信号只有在故障消失后才撤除。
（9）电源系统
包括一个交流220V输入和一个直流220V/110V输入的两个开关电源，两套电源具有相同的四路直流（+5V,±15V，+24V）输出，且+5V、±15V、+24V均相互隔离。
电源采用特殊设计，使得土15V、+24V两套并联运行，且每套的设计容量都足以提供励磁装置的全部份额，因此当一套电源发生故障时，负载电流全部转移到另一套上。
+5V两套电源
相对独立，分别给主机箱中A、B两套控制插件供电。
4.3软件原理
在WKLF-11型励磁系统中，还配置了功能齐全、内容十分丰富的软件程序，它与前一章所讲的硬件资源相结合，使装置具有极高的技术性能。
从实现功能来看，主、备机的软件系统有所区别，在主机的软件构成中，可分为控制类软件、测量运算类软件及保护类软件，而备机的软件构成中没有测量运算类软件（参见主机执行程序示意图和备机执行程序示意图）。
不论主机还是备机，程序在初始化后都是循环执行的，而且其循环周期被控制为与同步信号严格同步。
（1）控制类软件
1控制操作响应
屯机孰打*i1序示禹备机执£程序示童图
控制操作包括I/O板所有外部接点量输入和内部电平量输入，CPU在每个程序周期都
要对这些端口扫描一遍，若发现有操作，启动相应的控制程序。
2信号指示输出
主机在一定条件下，将信号输出端口的相应位置位给操作人员提供操作信息、控制出口继电器动作或点亮报警指示灯提供故障警示。
包括：
a、操作信息：
投励灯、闭环灯、失
步灯、运行灯；b、控制出口：
投全压继电器、投励继电器、报警继电器（各种故障类型都会使报警继电器动作）、跳闸继电器（只在几种特定故障类型下动作，见后）；c、报警指
示灯：
有主机故障灯、通道故障灯和脉冲故障灯等。
当A/B通道为主机时，运行灯以1秒
频率闪烁，为备机时则以40毫秒频率闪烁。
3投全压、投励控制。
在检测到高压油开关（DL）合闸后，启动投全压检测环节检测转子的转差率，若小于整定转差率动作投全压出口，同时启动滑差投励和零压计时投励环节，并兼顾手动投励，若条件满足则启动触发脉冲产生环节，触发主桥可控硅给转子投上励磁。
在检测滑差过程中，同时启动长时间不投励保护，并记录启动时间
4触发脉冲形成与软件分相
如图示，在投励状态下，若同步信号到来，启动定时器，在定时时间到时输出+A和-C
触发脉冲（双脉冲触发）并启动3.3ms（60度）定时器，在3.3ms定时器的后续五次定时时间到达时依次输出+B—C，+B—A，+C—A，+C—B，+A—B五组触发脉冲，这样通过一个同步信号（+A相）采用软件分相，便可得到触发主桥可控硅所需的六路触发脉冲。
发冲产生流裡阴
改变a定时器的定时时间常数，便可改变可控硅触发导前角a，从而达到控制主桥输
出电压的目的
5启动回路关断控制
若检测到启动回路开通，则强行设置a=85。
，这时主桥两端会出现25。
的负电压波形,利用它便可将启动可控硅关断。
6灭磁
不论手动灭磁、正常停机灭磁还是保护（如失步）动作灭磁都会启动灭磁子程序。
进
入灭磁子程序后，强行设置a=150°（3=30°）主桥进入逆变状态，转子储能经励磁变压
器回馈至电网，转子电流逐渐减小；当电流小到一定值时主桥可控硅完全关断，这时停发触发脉冲即告灭磁结束。
7再同步控制
在装置检测到电机失步并动作于灭磁且灭磁结束后，电机处于异步驱动状态，选择合适的时机重新给转子投入励磁（强励），将电机拉入同步这一过程控制即为再同步控制。
⑧双机通信与现场保存
在励磁装置正常运行时，主备机均正常工作，主机不断将工作现场信息写入切换板上的存储器中，以便备机转主机时获得这些信息。
⑨励磁参数的输入----与读写控制器通信
在励磁装置中，有一些十分重要的参数需要设置（一般在出厂前已设定好，用户不得随意改变），如投全压、投励、再同步投励滑差，零压计时投励的设定值，长时间不投励时间设定值以及PI调节器的运算参数等。
另外励磁装置由于具有很强的故障自诊断功能，可能提示的故障种类很多，不可能由其面板上的指示灯详细列出，需要通过读写器列出详细的故障代码和故障信息，帮助用户进行故障定位。
与读写器的通信只限于主机，在主机箱上电后，除了电机启动或再同步时，其余任何状
态下都可与读写器进行通信。
并按照主机与读写器之间事先约定的数据格式和内容，通过切换板上的并行口进行。
（2）测量运算类软件
1A/D采集及数据处理
A/D采集有励磁电流采集，设有修正系数ADI。
ADI的数值在设计上取1，但由于放大电路中器件参数误差需通过调试现场修正。
2变压器校正系数ADJ，ADJ在理论设计时取1，用以校正励磁变压器二次电压偏差。
3功率因数测量（COS①测量）筥
功率因数的测量是通过测量定子BC线电压与定子A相电流的相位差角来实现的。
通过测量电路CPU测得U与I的夹角屮，并换算成①，最后由①通过查表（①-COS①变换表）得出COS①
4PI调节器詢
WKLF—11装置中共设有两种PI调节器：
电流调节器和功率因数调节器，它们的运算机理完全相同。
都为位置型比例积分算法。
P（K）=Pp（K）+Pi（K）
二Kp*E（K）+Ki*E（K）+Pi（K-1）
E（K）=G（K）-F（K）
表达式中：
Kp.比例系数
Ki积分系数
G（K）.给定值
F（K）.反馈值
E（K）..误差
在运算中采用三字节浮点数运算，并设有输出结果的上、下限限位。
表达式中的比例系数Kp和积分系数Ki通过理论计算得出，并最终通过系统的实际稳定性校验后，由读写控制器在线修改
（3）保护类软件
1硬件监测保护
在CPU正常工作时，将周
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