9500kW 同步電機啟動控制優化

曲 燕

作者通聯：山鋼股份濟南分公司氣體廠 濟南市歷城區工業北路21號 250101

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一、主電機及啟動裝置

山鋼股份濟南分公司氣體廠4#20000m3/h 制氧機的配套空壓機主電機為YK3800-2 型直流無刷勵磁同步電機（加拿大GE公司生產），額定電壓10kV，額定電流621A，額定功率9500kW，勵磁電壓106VDC，勵磁電流3.8ADC。該同步電機的正常啟動操作在管控中心DCS 進行，采用開關變壓器降壓軟啟動，異步啟動投全壓后，由勵磁遷入同步。GE 勵磁控制系統由GE 90-30 系列PLC 構成，當GE 勵磁控制柜PLC 接收到來自DCS的啟動命令后，如果帕特爾開關變壓器軟啟動裝置（以下簡稱軟啟動裝置）正常，發出啟動斷路器合閘命令，同步電機在軟啟動裝置控制下限流異步啟動。當電機轉速達到1350r/min（90%額定轉速）后，勵磁控制系統發出運行斷路器合閘命令，同步電機投全壓異步啟動加速；當電機轉速達到1470r/min（98%額定轉速）后，勵磁控制系統發出勵磁使能信號，勵磁電流建立，電機被遷入同步。為提高遷入同步時的轉矩，投勵時維持約2s的強勵電流，發出勵磁使能信號7s 后，勵磁控制系統向DCS 發出允許加載信號，啟動過程結束。

軟啟動裝置（圖1）是利用開關變壓器隔離高壓和低壓，開關變壓器的低壓繞組連接可控硅和啟動裝置的控制系統，通過低壓繞組電壓變化改變高壓繞組的電壓，從而改變電機端電壓，實現電機軟啟動。啟動過程中，開關變壓器始終處于開和關兩種工作狀態，開關變壓器損耗很小。電機啟動時，首先合上K2使開關變壓器與電機串聯接在電源上，PLC 控制可控硅的導通與截止，使電機端電壓由小到大變化，電機轉速逐漸上升，當接近額定轉速時，合上K1，斷開K2，軟啟動完畢，電機以額定轉速運轉。

圖1 軟啟動裝置主要組成

二、存在的問題

4#20000m3/h 制氧機的配套空壓機2006年投運以來，平均每年出現3 次啟動失敗（啟動3～5 次后成功）。故障現象及根據GE 勵磁控制系統提供的報警表分析可能原因如下。

（1）STALL TRIP（堵轉跳閘）。電機加速太慢，負載過重、系統電壓太低或速度—時間保護曲線設定不合理。

（2）INCOMPLETE SEQ TRIP（不完全順序跳閘）。電機沒有準備好加載而INCS（不完全啟動順序時間設定）時間繼電器已釋放。時間繼電器的設定不正確。

（3）SLIPGUARD TRIP（滑差跳閘）。功率因數滯后的時間超過SGTTPS（滑差跳閘時間設定）時間繼電器預設的定值。

（4）軟啟動裝置過流跳閘。負載重或控制程序中設定的過流跳閘保護定值不合適。

電機啟動次數的增加，不但增加電耗、延誤生產，還影響電機壽命。深入分析電機啟動控制故障原因后，分別從GE 勵磁控制柜的PLC 控制和軟啟動裝置控制兩個方面，優化電機啟動控制，降低啟動成本，提高軟啟動裝置及電機壽命。

三、電機啟動控制優化

1.GE 勵磁控制柜PLC 控制的優化

針對堵轉跳閘，一般在啟動前，檢查壓縮機入口導葉開度及電網電壓是否符合啟動要求。針對不完全順序跳閘，在PLC控制程序調整INCS 時間繼電器的設定值，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PFL＜TRP 得電（功率因數滯后超過設定值），或NO_PFFB 得電（功率因數沒有反饋）時，SGTTPS（滑差跳閘預設時間）開始計時，當達到設定值25ms 時，滑差故障跳閘繼電器SGTRIP 得電，發出跳閘命令。由于該電機是異步啟動，電機并網后由勵磁遷入同步，若遷入同步時間過長，超過滑差跳閘設定值，就會發生滑差跳閘。根據電機手冊和經驗值，將SGTTPS的設定值由25ms 調整為1s，從而延長電機并網后由異步遷入同步的時間，減少電機異步遷入同步過程中功率因數滯后導致的滑差跳閘。

圖2 GE 勵磁控制中滑差跳閘邏輯

2.軟啟動裝置控制優化

（1）電流控制優化。軟啟動裝置的電流控制分為三步，每一步使電機達到一個設定電流值，電機電流在每一步穩定一小段時間，然后進入下一步電流控制，電機啟動過程中，電機電流是從0 到3.5 倍額定電流階段上升。這三步電流控制采用3個變量，各自設定每一階段電機需達到的電流值，且電流設定值逐步增大。廠家技術人員分析程序，發現電流控制第一步的變量在完成控制任務后未復位，這就使得第二步的電流設定值可能仍采用第一步的設定值，即同一變量重復賦值，使數據混亂，電機電流無法正常上升，導致啟動失敗。控制優化時，在電流控制進行到第二步時，對第一步電流控制進行復位，程序見圖3。

圖3 電流控制優化程序

（2）合閘控制優化。為確保電機達到一定轉速時能準確合閘，在GE 勵磁控制合閘的同時，增加1個軟啟動控制電機合閘的條件，即電機啟動時間達到20s 時，軟啟動裝置也會發出1個電機合閘命令。為確保軟啟動控制電機合閘的準確性，在軟啟動控制部分，增加1個運行柜合閘超時的報警，即軟啟動合閘命令信號發出后，電機3s 未合閘則發出運行柜合閘超時報警信號，中斷啟動過程。

（3）軟啟動控制程序內定值優化。針對軟啟動裝置過流問題，一方面給可控硅觸發控制設定極限值，減少可控硅錯誤觸發概率；另一方面，根據啟動最大電流的歷史數據，在程序內適當增大過流保護定值，在確保電機安全前提下，降低過流跳閘中斷啟動概率。

（4）增加和人機界面相關的子程序。為方便電氣人員操作和記錄查閱，在軟啟動控制柜增加1個人機交互面板，可查閱啟動柜、隔離柜開關的狀態，軟啟動裝置允許狀態及變壓器油溫等啟動準備條件。為實現上述功能，在軟啟動控制PLC 程序中，增加1個人機界面調用數據的子程序。

9500kW 同步電機啟動系統控制優化后，2012年6月以來，空壓機共分時啟動6 次，均一次啟動成功。