趙金鳳

（山鋼股份萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

1 概述

萊鋼天元氣體公司7＃制氧機(jī)組為22 000m3／h外壓縮流程制氧機(jī)組，其中空壓機(jī)設(shè)備成套引進(jìn)ATLAS的大型離心式壓縮機(jī)，其驅(qū)動電機(jī)為ABB 10 kV、9 900kW同步電機(jī)。由于同步電機(jī)功率太大，變頻裝置加裝困難且造價高昂，因此對主電機(jī)的啟動采用非變頻啟動。主電機(jī)勵磁采用AC800MPLC控制器，這套同步電機(jī)自動控制系統(tǒng)代表著當(dāng)今大型同步電機(jī)控制的國際水平，具有控制思想先進(jìn)、可靠，人機(jī)界面簡單、直觀等優(yōu)點。

2 工藝描述

同步電機(jī)在正常運(yùn)行過程中不可避免地會受到各種各樣的擾動，甚至導(dǎo)致電機(jī)失步，造成生產(chǎn)中斷和設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。勵磁裝置能檢測同步電機(jī)的失步，識別后判斷是報警還是再整步運(yùn)行，既保障了設(shè)備的安全性，又保持了運(yùn)行的連續(xù)性。

本文所述電動機(jī)采用無刷勵磁系統(tǒng)，主要包括一個帶有旋轉(zhuǎn)整流器的三相同步主勵磁器、用于電動機(jī)啟動程序的可控硅及觸發(fā)器單元的旁通電路以及用于勵磁器勵磁的電動機(jī)控制設(shè)備，并通過水阻啟動方式實現(xiàn)電機(jī)的軟啟動。

啟動過程如下：

在電動機(jī)星點的定子回路中串接液體電阻，電動機(jī)在啟動過程中通過水電阻柜中電極板的移動來改變液體電阻值的大小，從而均勻地提高電動機(jī)的端電壓，降低了電動機(jī)的啟動電流，減少了電網(wǎng)的電壓降和沖擊；電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電阻值的減小而平滑地升高，勵磁裝置實時檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r／min，勵磁裝置發(fā)出投全壓信號，液態(tài)軟啟動設(shè)備中的星點柜開關(guān)合閘，將液體電阻切除，電動機(jī)星點短接，轉(zhuǎn)入全壓啟動階段；轉(zhuǎn)速迅速上升，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 350r／min左右、轉(zhuǎn)子滑差小于2.5Hz時，判別轉(zhuǎn)子電壓的極性，并在順極性時觸發(fā)可控硅，勵磁裝置自動投勵，將電動機(jī)拉入同步轉(zhuǎn)速1 500r／min，同步電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。啟動過程中，液體電阻值在預(yù)定的時間內(nèi)自動無級減小，直至接近為零時電動機(jī)投入全壓運(yùn)行，水電阻降壓啟動可將啟動電流控制在3倍額定電流以內(nèi)，對電網(wǎng)和拖動設(shè)備沖擊小，從而實現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動。

3 系統(tǒng)配置

AC800MDCS是ABB公司推出的一種綜合型控制系統(tǒng)，集PLC和DCS優(yōu)點于一體，支持多種國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，既可連接常規(guī)I／O，又可連接Remote I／O及Profibus、FF、CAN、Modbus等現(xiàn)場總線設(shè)備。

該勵磁控制系統(tǒng)中上位機(jī)采用IFIX軟件進(jìn)行監(jiān)控，并采用CBM組態(tài)工具，下位機(jī)采用AC800M控制器，應(yīng)用OPC通信連接上位機(jī)和下位機(jī)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從上到下分為操作站 、控制站、I／O站?？刂普緸锳C800M控制器，CPU類型為PM856，I／O站采用S800系列卡件，系統(tǒng)配置示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件配置示意圖

4 系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)整流主回路元器件先進(jìn)可靠，具有多種可靈活選擇的調(diào)節(jié)模式，AC800M應(yīng)用程序使用FBD語言編寫，包含3個帶獨立執(zhí)行時間（快速、正常和低速）的程序，使整個系統(tǒng)具有完備的控制、限制和保護(hù)功能，詳細(xì)介紹如下。

4.1 快速程序

快速程序的執(zhí)行時間設(shè)定在10ms～20ms，程序具有執(zhí)行電壓PID調(diào)節(jié)、保護(hù)限流、失步保護(hù)及跳閘電路等功能。

（1）電壓調(diào)節(jié)器：它是具有PID特性的調(diào)節(jié)器，它實時檢測電動機(jī)的電壓并與設(shè)定值進(jìn)行比較，電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號與一個模擬量連接并對可控硅換流器進(jìn)行控制。當(dāng)限流器觸發(fā)動作時，勵磁電流限流器和欠勵磁限流器對電壓調(diào)節(jié)器上的輸出信號進(jìn)行限制。

（2）無功電流補(bǔ)償：用于對公共母線上的其他同步電動機(jī)或與外部電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行所產(chǎn)生的壓降進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償程度按百分值設(shè)定，負(fù)號表示穩(wěn)定性增加，正號表示電壓降補(bǔ)償。

（3）二極管故障監(jiān)視：二極管故障經(jīng)常造成勵磁不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致電動機(jī)不能正常運(yùn)行，因此在系統(tǒng)中通過一個交流傳感器來測定勵磁電流，在程序中將勵磁電流與一個設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測值經(jīng)過一段時間延時后仍超出設(shè)定值時，機(jī)械跳閘動作。

（4）失步保護(hù)：是防止電動機(jī)在不穩(wěn)定勵磁狀態(tài)下運(yùn)行的保護(hù)功能，但在電動機(jī)啟動時該保護(hù)被封鎖。程序中，我們將檢測的無功功率與一個設(shè)定的跳閘切斷值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測值經(jīng)過設(shè)定時間延時后仍超過切斷值時，電動機(jī)執(zhí)行跳閘切斷。

（5）差動保護(hù)：是一種機(jī)械的短路保護(hù)。程序中將所測得的差動電流與設(shè)定的跳閘電平值進(jìn)行比較，當(dāng)差動電流值超過設(shè)定的跳閘電平值時，電動機(jī)跳閘切斷。

（6）欠勵磁限流器：用于防止電動機(jī)在過低的欠勵磁區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。欠勵磁限流器由兩根界限線構(gòu)成，一個是與無功補(bǔ)償有關(guān)的最小限流極限，主要在低有效負(fù)載范圍內(nèi)起作用；另一個是斜坡，主要在高有效負(fù)載范圍內(nèi)起作用。

4.2 正常程序

正常程序的執(zhí)行時間設(shè)定在100ms～200ms，主要完成電動機(jī)啟動、無功電流補(bǔ)償和過勵、欠勵等主要控制和保護(hù)功能。

（1）當(dāng)壓縮機(jī)啟動控制信號觸發(fā)時，啟動邏輯程序開始運(yùn)行。啟動程序運(yùn)行過程中自動變壓器斷路器由PLC進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)CB 1（斷路器1）閉合且電動機(jī)已同步時，勵磁斷路器閉合。PF（功率因數(shù)）控制時預(yù)選擇的調(diào)節(jié)器模式為FCR。啟動時間由定時器監(jiān)控，當(dāng)CB2閉合時定時器啟動，啟動結(jié)束后定時器停止。啟動時間過長時，主斷路器保護(hù)跳閘。

（2）調(diào)節(jié)器設(shè)定值可通過操作面板上的增加、減小按鈕進(jìn)行調(diào)整；且勵磁電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器均已安裝跟蹤電路。在啟動時，勵磁電流、電壓調(diào)節(jié)及功率因數(shù)調(diào)節(jié)器均采用初始設(shè)定值，電壓調(diào)節(jié)器初始設(shè)定值則采用電機(jī)額定電壓。

（3）勵磁電流調(diào)節(jié)器是具有PID特性的調(diào)節(jié)器，包括電壓調(diào)節(jié)器的勵磁電流限流器和勵磁電流調(diào)節(jié)器的勵磁電流限流器。它通過測定勵磁電流然后將它和一個設(shè)定值比較進(jìn)行PID功能調(diào)節(jié)。

（4）由無功功率（VAR）調(diào)節(jié)器測定無功功率，然后將它與一個設(shè)定值進(jìn)行比較，如果設(shè)定值和實際值存在偏差時，VAR調(diào)節(jié)器根據(jù)需要提高或減少設(shè)定值。啟動時設(shè)定值設(shè)定為預(yù)置值，它可在操作板上進(jìn)行修改。

（5）功率因數(shù)（PF）調(diào)節(jié)器作為一個VAR調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作，將實際測得的無功功率與所要求的無功功率進(jìn)行比較，可以得到所希望的功率因數(shù)。如果設(shè)定值和實際值之間存在偏差時，PF調(diào)節(jié)器根據(jù)要求提高或減少調(diào)節(jié)器設(shè)定值。

（6）PLC通過對輸出控制信號與實際勵磁電流信號的比較，實現(xiàn)可控硅換流器功能監(jiān)視。當(dāng)實際勵磁電流不能跟蹤控制輸出信號時，PLC發(fā)出故障信號。

（7）過勵磁和欠勵磁的保護(hù)用于防止設(shè)備在超出安全勵磁電流極限情況下的保護(hù)。在程序中，通過實際勵磁電流值、電平傳感器信號與設(shè)定的跳閘電平等級進(jìn)行比較，當(dāng)勵磁電流值經(jīng)過設(shè)定時間延時后仍高于設(shè)定值，機(jī)械跳閘保護(hù)裝置動作。

（8）超電壓和欠電壓保護(hù)用于防止設(shè)備在安全電壓極限范圍外的保護(hù)。在程序中，檢測電壓值并與設(shè)定的跳閘電平進(jìn)行比較，當(dāng)電壓值經(jīng)過設(shè)定時間延時后仍高于設(shè)定值，機(jī)械跳閘保護(hù)裝置動作。

4.3 低速程序

低速程序執(zhí)行時間設(shè)定在500ms～1 000ms，主要包含啟動計數(shù)器、啟動堵轉(zhuǎn)的報警模塊。啟動ON位觸發(fā)啟動次數(shù)計數(shù)，電機(jī)總啟動次數(shù)和兩次啟動間的阻斷時間都顯示在操作板上。

4.4 強(qiáng)大的人機(jī)對話功能

上位機(jī)可在線監(jiān)控顯示運(yùn)行操作數(shù)據(jù)、斷路器和調(diào)節(jié)器的狀態(tài)及報警信息，可同時在機(jī)旁觸摸屏查看同步機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等參數(shù)和勵磁裝置的電壓、電流等參數(shù)，并可在運(yùn)行中隨時修改設(shè)定值，設(shè)定精度高。勵磁故障原因可通過報警功能查看，便于故障原因的分析和處理。

5 結(jié)束語

7＃制氧空壓機(jī)勵磁裝置2010年1月成功改造投運(yùn)至今，已歷經(jīng)數(shù)次啟動與停車操作，空壓機(jī)的啟動均是一次成功，未發(fā)現(xiàn)任何異常，系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定、可靠，為萊鋼生產(chǎn)線提供了連續(xù)、穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的氧、氮、氬氣體，同時該勵磁裝置操作方便、維護(hù)量小，節(jié)省了人工，降低了生產(chǎn)成本，社會效益巨大。

［1］王正茂，閻治安，崔新藝.電機(jī)學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

［2］姚志剛.勵磁控制技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.電工技術(shù)雜志，2003（5）：60-61.

［3］賈洪.同步電機(jī)啟動過程的計算機(jī)控制［J］.電工技術(shù)，2005（3）：54-55.