趙金鳳

（山鋼股份萊蕪分公司 自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）

1 概述

萊鋼天元?dú)怏w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(dòng)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(jià)高昂，因此對(duì)主電機(jī)的啟動(dòng)采用非變頻啟動(dòng)。主電機(jī)勵(lì)磁采用AC800MPLC控制器，這套同步電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)代表著當(dāng)今大型同步電機(jī)控制的國(guó)際水平，具有控制思想先進(jìn)、可靠，人機(jī)界面簡(jiǎn)單、直觀等優(yōu)點(diǎn)。

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(huì)受到各種各樣的擾動(dòng)，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(lì)磁裝置能檢測(cè)同步電機(jī)的失步，識(shí)別后判斷是報(bào)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(dòng)機(jī)采用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，主要包括一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)整流器的三相同步主勵(lì)磁器、用于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序的可控硅及觸發(fā)器單元的旁通電路以及用于勵(lì)磁器勵(lì)磁的電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備，并通過水阻啟動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。

啟動(dòng)過程如下：

在電動(dòng)機(jī)星點(diǎn)的定子回路中串接液體電阻，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中通過水電阻柜中電極板的移動(dòng)來改變液體電阻值的大小，從而均勻地提高電動(dòng)機(jī)的端電壓，降低了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，減少了電網(wǎng)的電壓降和沖擊；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電阻值的減小而平滑地升高，勵(lì)磁裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r／min，勵(lì)磁裝置發(fā)出投全壓信號(hào)，液態(tài)軟啟動(dòng)設(shè)備中的星點(diǎn)柜開關(guān)合閘，將液體電阻切除，電動(dòng)機(jī)星點(diǎn)短接，轉(zhuǎn)入全壓?jiǎn)?dòng)階段；轉(zhuǎn)速迅速上升，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 350r／min左右、轉(zhuǎn)子滑差小于2.5Hz時(shí)，判別轉(zhuǎn)子電壓的極性，并在順極性時(shí)觸發(fā)可控硅，勵(lì)磁裝置自動(dòng)投勵(lì)，將電動(dòng)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(dòng)過程中，液體電阻值在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)無級(jí)減小，直至接近為零時(shí)電動(dòng)機(jī)投入全壓運(yùn)行，水電阻降壓?jiǎn)?dòng)可將啟動(dòng)電流控制在3倍額定電流以內(nèi)，對(duì)電網(wǎng)和拖動(dòng)設(shè)備沖擊小，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。

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(diǎn)于一體，支持多種國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線設(shè)備。

該勵(lì)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(gè)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(shí)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(gè)帶獨(dú)立執(zhí)行時(shí)間（快速、正常和低速）的程序，使整個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)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(hào)與一個(gè)模擬量連接并對(duì)可控硅換流器進(jìn)行控制。當(dāng)限流器觸發(fā)動(dòng)作時(shí)，勵(lì)磁電流限流器和欠勵(lì)磁限流器對(duì)電壓調(diào)節(jié)器上的輸出信號(hào)進(jìn)行限制。

（2）無功電流補(bǔ)償：用于對(duì)公共母線上的其他同步電動(dòng)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(hào)表示穩(wěn)定性增加，正號(hào)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(lì)磁不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行，因此在系統(tǒng)中通過一個(gè)交流傳感器來測(cè)定勵(lì)磁電流，在程序中將勵(lì)磁電流與一個(gè)設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)值經(jīng)過一段時(shí)間延時(shí)后仍超出設(shè)定值時(shí)，機(jī)械跳閘動(dòng)作。

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

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

（6）欠勵(lì)磁限流器：用于防止電動(dòng)機(jī)在過低的欠勵(lì)磁區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。欠勵(lì)磁限流器由兩根界限線構(gòu)成，一個(gè)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(gè)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(shí)間設(shè)定在100ms～200ms，主要完成電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、無功電流補(bǔ)償和過勵(lì)、欠勵(lì)等主要控制和保護(hù)功能。

（1）當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)觸發(fā)時(shí)，啟動(dòng)邏輯程序開始運(yùn)行。啟動(dòng)程序運(yùn)行過程中自動(dòng)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(dòng)機(jī)已同步時(shí)，勵(lì)磁斷路器閉合。PF（功率因數(shù)）控制時(shí)預(yù)選擇的調(diào)節(jié)器模式為FCR。啟動(dòng)時(shí)間由定時(shí)器監(jiān)控，當(dāng)CB2閉合時(shí)定時(shí)器啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后定時(shí)器停止。啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，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(lì)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(dòng)時(shí)，勵(lì)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(lì)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(lì)磁電流限流器和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁電流限流器。它通過測(cè)定勵(lì)磁電流然后將它和一個(gè)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(cè)定無功功率，然后將它與一個(gè)設(shè)定值進(jìn)行比較，如果設(shè)定值和實(shí)際值存在偏差時(shí)，VAR調(diào)節(jié)器根據(jù)需要提高或減少設(shè)定值。啟動(dòng)時(shí)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(gè)VAR調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作，將實(shí)際測(cè)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(shí)際值之間存在偏差時(shí)，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(duì)輸出控制信號(hào)與實(shí)際勵(lì)磁電流信號(hào)的比較，實(shí)現(xiàn)可控硅換流器功能監(jiān)視。當(dāng)實(shí)際勵(lì)磁電流不能跟蹤控制輸出信號(hào)時(shí)，PLC發(fā)出故障信號(hào)。

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

4.3 低速程序

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

4.4 強(qiáng)大的人機(jī)對(duì)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(bào)警信息，可同時(shí)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(lì)磁裝置的電壓、電流等參數(shù)，并可在運(yùn)行中隨時(shí)修改設(shè)定值，設(shè)定精度高。勵(lì)磁故障原因可通過報(bào)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(lì)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(dòng)與停車操作，空壓機(jī)的啟動(dòng)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(shí)該勵(lì)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(huì)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(lì)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(dòng)過程的計(jì)算機(jī)控制［J］.電工技術(shù)，2005（3）：54-55.