曲 燕

作者通聯(lián)：山鋼股份濟(jì)南分公司氣體廠 濟(jì)南市歷城區(qū)工業(yè)北路21號(hào) 250101

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一、主電機(jī)及啟動(dòng)裝置

山鋼股份濟(jì)南分公司氣體廠4#20000m3/h 制氧機(jī)的配套空壓機(jī)主電機(jī)為YK3800-2 型直流無刷勵(lì)磁同步電機(jī)（加拿大GE公司生產(chǎn)），額定電壓10kV，額定電流621A，額定功率9500kW，勵(lì)磁電壓106VDC，勵(lì)磁電流3.8ADC。該同步電機(jī)的正常啟動(dòng)操作在管控中心DCS 進(jìn)行，采用開關(guān)變壓器降壓軟啟動(dòng)，異步啟動(dòng)投全壓后，由勵(lì)磁遷入同步。GE 勵(lì)磁控制系統(tǒng)由GE 90-30 系列PLC 構(gòu)成，當(dāng)GE 勵(lì)磁控制柜PLC 接收到來自DCS的啟動(dòng)命令后，如果帕特爾開關(guān)變壓器軟啟動(dòng)裝置（以下簡稱軟啟動(dòng)裝置）正常，發(fā)出啟動(dòng)斷路器合閘命令，同步電機(jī)在軟啟動(dòng)裝置控制下限流異步啟動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1350r/min（90%額定轉(zhuǎn)速）后，勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行斷路器合閘命令，同步電機(jī)投全壓異步啟動(dòng)加速；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1470r/min（98%額定轉(zhuǎn)速）后，勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)出勵(lì)磁使能信號(hào)，勵(lì)磁電流建立，電機(jī)被遷入同步。為提高遷入同步時(shí)的轉(zhuǎn)矩，投勵(lì)時(shí)維持約2s的強(qiáng)勵(lì)電流，發(fā)出勵(lì)磁使能信號(hào)7s 后，勵(lì)磁控制系統(tǒng)向DCS 發(fā)出允許加載信號(hào)，啟動(dòng)過程結(jié)束。

軟啟動(dòng)裝置（圖1）是利用開關(guān)變壓器隔離高壓和低壓，開關(guān)變壓器的低壓繞組連接可控硅和啟動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)，通過低壓繞組電壓變化改變高壓繞組的電壓，從而改變電機(jī)端電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)。啟動(dòng)過程中，開關(guān)變壓器始終處于開和關(guān)兩種工作狀態(tài)，開關(guān)變壓器損耗很小。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先合上K2使開關(guān)變壓器與電機(jī)串聯(lián)接在電源上，PLC 控制可控硅的導(dǎo)通與截止，使電機(jī)端電壓由小到大變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，合上K1，斷開K2，軟啟動(dòng)完畢，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 軟啟動(dòng)裝置主要組成

二、存在的問題

4#20000m3/h 制氧機(jī)的配套空壓機(jī)2006年投運(yùn)以來，平均每年出現(xiàn)3 次啟動(dòng)失敗（啟動(dòng)3～5 次后成功）。故障現(xiàn)象及根據(jù)GE 勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供的報(bào)警表分析可能原因如下。

（1）STALL TRIP（堵轉(zhuǎn)跳閘）。電機(jī)加速太慢，負(fù)載過重、系統(tǒng)電壓太低或速度—時(shí)間保護(hù)曲線設(shè)定不合理。

（2）INCOMPLETE SEQ TRIP（不完全順序跳閘）。電機(jī)沒有準(zhǔn)備好加載而INCS（不完全啟動(dòng)順序時(shí)間設(shè)定）時(shí)間繼電器已釋放。時(shí)間繼電器的設(shè)定不正確。

（3）SLIPGUARD TRIP（滑差跳閘）。功率因數(shù)滯后的時(shí)間超過SGTTPS（滑差跳閘時(shí)間設(shè)定）時(shí)間繼電器預(yù)設(shè)的定值。

（4）軟啟動(dòng)裝置過流跳閘。負(fù)載重或控制程序中設(shè)定的過流跳閘保護(hù)定值不合適。

電機(jī)啟動(dòng)次數(shù)的增加，不但增加電耗、延誤生產(chǎn)，還影響電機(jī)壽命。深入分析電機(jī)啟動(dòng)控制故障原因后，分別從GE 勵(lì)磁控制柜的PLC 控制和軟啟動(dòng)裝置控制兩個(gè)方面，優(yōu)化電機(jī)啟動(dòng)控制，降低啟動(dòng)成本，提高軟啟動(dòng)裝置及電機(jī)壽命。

三、電機(jī)啟動(dòng)控制優(yōu)化

1.GE 勵(lì)磁控制柜PLC 控制的優(yōu)化

針對堵轉(zhuǎn)跳閘，一般在啟動(dòng)前，檢查壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉開度及電網(wǎng)電壓是否符合啟動(dòng)要求。針對不完全順序跳閘，在PLC控制程序調(diào)整INCS 時(shí)間繼電器的設(shè)定值，由33s 增加為38s。針對滑差跳閘，首先分析其在程序中的跳閘邏輯（圖2），可知當(dāng)PFL＜TRP 得電（功率因數(shù)滯后超過設(shè)定值），或NO_PFFB 得電（功率因數(shù)沒有反饋）時(shí)，SGTTPS（滑差跳閘預(yù)設(shè)時(shí)間）開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值25ms 時(shí)，滑差故障跳閘繼電器SGTRIP 得電，發(fā)出跳閘命令。由于該電機(jī)是異步啟動(dòng)，電機(jī)并網(wǎng)后由勵(lì)磁遷入同步，若遷入同步時(shí)間過長，超過滑差跳閘設(shè)定值，就會(huì)發(fā)生滑差跳閘。根據(jù)電機(jī)手冊和經(jīng)驗(yàn)值，將SGTTPS的設(shè)定值由25ms 調(diào)整為1s，從而延長電機(jī)并網(wǎng)后由異步遷入同步的時(shí)間，減少電機(jī)異步遷入同步過程中功率因數(shù)滯后導(dǎo)致的滑差跳閘。

圖2 GE 勵(lì)磁控制中滑差跳閘邏輯

2.軟啟動(dòng)裝置控制優(yōu)化

（1）電流控制優(yōu)化。軟啟動(dòng)裝置的電流控制分為三步，每一步使電機(jī)達(dá)到一個(gè)設(shè)定電流值，電機(jī)電流在每一步穩(wěn)定一小段時(shí)間，然后進(jìn)入下一步電流控制，電機(jī)啟動(dòng)過程中，電機(jī)電流是從0 到3.5 倍額定電流階段上升。這三步電流控制采用3個(gè)變量，各自設(shè)定每一階段電機(jī)需達(dá)到的電流值，且電流設(shè)定值逐步增大。廠家技術(shù)人員分析程序，發(fā)現(xiàn)電流控制第一步的變量在完成控制任務(wù)后未復(fù)位，這就使得第二步的電流設(shè)定值可能仍采用第一步的設(shè)定值，即同一變量重復(fù)賦值，使數(shù)據(jù)混亂，電機(jī)電流無法正常上升，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗?？刂苾?yōu)化時(shí)，在電流控制進(jìn)行到第二步時(shí)，對第一步電流控制進(jìn)行復(fù)位，程序見圖3。

圖3 電流控制優(yōu)化程序

（2）合閘控制優(yōu)化。為確保電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)能準(zhǔn)確合閘，在GE 勵(lì)磁控制合閘的同時(shí)，增加1個(gè)軟啟動(dòng)控制電機(jī)合閘的條件，即電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到20s 時(shí)，軟啟動(dòng)裝置也會(huì)發(fā)出1個(gè)電機(jī)合閘命令。為確保軟啟動(dòng)控制電機(jī)合閘的準(zhǔn)確性，在軟啟動(dòng)控制部分，增加1個(gè)運(yùn)行柜合閘超時(shí)的報(bào)警，即軟啟動(dòng)合閘命令信號(hào)發(fā)出后，電機(jī)3s 未合閘則發(fā)出運(yùn)行柜合閘超時(shí)報(bào)警信號(hào)，中斷啟動(dòng)過程。

（3）軟啟動(dòng)控制程序內(nèi)定值優(yōu)化。針對軟啟動(dòng)裝置過流問題，一方面給可控硅觸發(fā)控制設(shè)定極限值，減少可控硅錯(cuò)誤觸發(fā)概率；另一方面，根據(jù)啟動(dòng)最大電流的歷史數(shù)據(jù)，在程序內(nèi)適當(dāng)增大過流保護(hù)定值，在確保電機(jī)安全前提下，降低過流跳閘中斷啟動(dòng)概率。

（4）增加和人機(jī)界面相關(guān)的子程序。為方便電氣人員操作和記錄查閱，在軟啟動(dòng)控制柜增加1個(gè)人機(jī)交互面板，可查閱啟動(dòng)柜、隔離柜開關(guān)的狀態(tài)，軟啟動(dòng)裝置允許狀態(tài)及變壓器油溫等啟動(dòng)準(zhǔn)備條件。為實(shí)現(xiàn)上述功能，在軟啟動(dòng)控制PLC 程序中，增加1個(gè)人機(jī)界面調(diào)用數(shù)據(jù)的子程序。

9500kW 同步電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)控制優(yōu)化后，2012年6月以來，空壓機(jī)共分時(shí)啟動(dòng)6 次，均一次啟動(dòng)成功。