ABB AC800M在空压机励磁系统中的应用

赵金凤

（山钢股份莱芜分公司 自动化部，山东 莱芜 271104）

1 概述

莱钢天元气体公司7＃制氧机组为22 000m3／h外压缩流程制氧机组，其中空压机设备成套引进ATLAS的大型离心式压缩机，其驱动电机为ABB 10 kV、9 900kW同步电机。由于同步电机功率太大，变频装置加装困难且造价高昂，因此对主电机的启动采用非变频启动。主电机励磁采用AC800MPLC控制器，这套同步电机自动控制系统代表着当今大型同步电机控制的国际水平，具有控制思想先进、可靠，人机界面简单、直观等优点。

2 工艺描述

同步电机在正常运行过程中不可避免地会受到各种各样的扰动，甚至导致电机失步，造成生产中断和设备的严重损坏。励磁装置能检测同步电机的失步，识别后判断是报警还是再整步运行，既保障了设备的安全性，又保持了运行的连续性。

本文所述电动机采用无刷励磁系统，主要包括一个带有旋转整流器的三相同步主励磁器、用于电动机启动程序的可控硅及触发器单元的旁通电路以及用于励磁器励磁的电动机控制设备，并通过水阻启动方式实现电机的软启动。

启动过程如下：

在电动机星点的定子回路中串接液体电阻，电动机在启动过程中通过水电阻柜中电极板的移动来改变液体电阻值的大小，从而均匀地提高电动机的端电压，降低了电动机的启动电流，减少了电网的电压降和冲击；电动机的转速随着电阻值的减小而平滑地升高，励磁装置实时检测电动机转速，当电动机转速达到200 r／min，励磁装置发出投全压信号，液态软启动设备中的星点柜开关合闸，将液体电阻切除，电动机星点短接，转入全压启动阶段；转速迅速上升，当电动机转速达到1 350r／min左右、转子滑差小于2.5Hz时，判别转子电压的极性，并在顺极性时触发可控硅，励磁装置自动投励，将电动机拉入同步转速1 500r／min，同步电机进入正常运行状态。启动过程中，液体电阻值在预定的时间内自动无级减小，直至接近为零时电动机投入全压运行，水电阻降压启动可将启动电流控制在3倍额定电流以内，对电网和拖动设备冲击小，从而实现了电动机的软启动。

3 系统配置

AC800MDCS是ABB公司推出的一种综合型控制系统，集PLC和DCS优点于一体，支持多种国际现场总线标准，既可连接常规I／O，又可连接Remote I／O及Profibus、FF、CAN、Modbus等现场总线设备。

该励磁控制系统中上位机采用IFIX软件进行监控，并采用CBM组态工具，下位机采用AC800M控制器，应用OPC通信连接上位机和下位机。整个系统结构从上到下分为操作站 、控制站、I／O站。控制站为AC800M控制器，CPU类型为PM856，I／O站采用S800系列卡件，系统配置示意图如图1 所示。

图1 系统硬件配置示意图

4 系统主要功能的实现

系统整流主回路元器件先进可靠，具有多种可灵活选择的调节模式，AC800M应用程序使用FBD语言编写，包含3个带独立执行时间（快速、正常和低速）的程序，使整个系统具有完备的控制、限制和保护功能，详细介绍如下。

4.1 快速程序

快速程序的执行时间设定在10ms～20ms，程序具有执行电压PID调节、保护限流、失步保护及跳闸电路等功能。

（1）电压调节器：它是具有PID特性的调节器，它实时检测电动机的电压并与设定值进行比较，电压调节器的输出信号与一个模拟量连接并对可控硅换流器进行控制。当限流器触发动作时，励磁电流限流器和欠励磁限流器对电压调节器上的输出信号进行限制。

（2）无功电流补偿：用于对公共母线上的其他同步电动机或与外部电网并联运行所产生的压降进行补偿。补偿程度按百分值设定，负号表示稳定性增加，正号表示电压降补偿。

（3）二极管故障监视：二极管故障经常造成励磁不稳定，从而导致电动机不能正常运行，因此在系统中通过一个交流传感器来测定励磁电流，在程序中将励磁电流与一个设定值进行比较，当检测值经过一段时间延时后仍超出设定值时，机械跳闸动作。

（4）失步保护：是防止电动机在不稳定励磁状态下运行的保护功能，但在电动机启动时该保护被封锁。程序中，我们将检测的无功功率与一个设定的跳闸切断值进行比较，当检测值经过设定时间延时后仍超过切断值时，电动机执行跳闸切断。

（5）差动保护：是一种机械的短路保护。程序中将所测得的差动电流与设定的跳闸电平值进行比较，当差动电流值超过设定的跳闸电平值时，电动机跳闸切断。

（6）欠励磁限流器：用于防止电动机在过低的欠励磁区域内运行。欠励磁限流器由两根界限线构成，一个是与无功补偿有关的最小限流极限，主要在低有效负载范围内起作用；另一个是斜坡，主要在高有效负载范围内起作用。

4.2 正常程序

正常程序的执行时间设定在100ms～200ms，主要完成电动机启动、无功电流补偿和过励、欠励等主要控制和保护功能。

（1）当压缩机启动控制信号触发时，启动逻辑程序开始运行。启动程序运行过程中自动变压器断路器由PLC进行监视。当CB 1（断路器1）闭合且电动机已同步时，励磁断路器闭合。PF（功率因数）控制时预选择的调节器模式为FCR。启动时间由定时器监控，当CB2闭合时定时器启动，启动结束后定时器停止。启动时间过长时，主断路器保护跳闸。

（2）调节器设定值可通过操作面板上的增加、减小按钮进行调整；且励磁电流调节器和电压调节器均已安装跟踪电路。在启动时，励磁电流、电压调节及功率因数调节器均采用初始设定值，电压调节器初始设定值则采用电机额定电压。

（3）励磁电流调节器是具有PID特性的调节器，包括电压调节器的励磁电流限流器和励磁电流调节器的励磁电流限流器。它通过测定励磁电流然后将它和一个设定值比较进行PID功能调节。

（4）由无功功率（VAR）调节器测定无功功率，然后将它与一个设定值进行比较，如果设定值和实际值存在偏差时，VAR调节器根据需要提高或减少设定值。启动时设定值设定为预置值，它可在操作板上进行修改。

（5）功率因数（PF）调节器作为一个VAR调节器进行工作，将实际测得的无功功率与所要求的无功功率进行比较，可以得到所希望的功率因数。如果设定值和实际值之间存在偏差时，PF调节器根据要求提高或减少调节器设定值。

（6）PLC通过对输出控制信号与实际励磁电流信号的比较，实现可控硅换流器功能监视。当实际励磁电流不能跟踪控制输出信号时，PLC发出故障信号。

（7）过励磁和欠励磁的保护用于防止设备在超出安全励磁电流极限情况下的保护。在程序中，通过实际励磁电流值、电平传感器信号与设定的跳闸电平等级进行比较，当励磁电流值经过设定时间延时后仍高于设定值，机械跳闸保护装置动作。

（8）超电压和欠电压保护用于防止设备在安全电压极限范围外的保护。在程序中，检测电压值并与设定的跳闸电平进行比较，当电压值经过设定时间延时后仍高于设定值，机械跳闸保护装置动作。

4.3 低速程序

低速程序执行时间设定在500ms～1 000ms，主要包含启动计数器、启动堵转的报警模块。启动ON位触发启动次数计数，电机总启动次数和两次启动间的阻断时间都显示在操作板上。

4.4 强大的人机对话功能

上位机可在线监控显示运行操作数据、断路器和调节器的状态及报警信息，可同时在机旁触摸屏查看同步机的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率等参数和励磁装置的电压、电流等参数，并可在运行中随时修改设定值，设定精度高。励磁故障原因可通过报警功能查看，便于故障原因的分析和处理。

5 结束语

7＃制氧空压机励磁装置2010年1月成功改造投运至今，已历经数次启动与停车操作，空压机的启动均是一次成功，未发现任何异常，系统运行非常稳定、可靠，为莱钢生产线提供了连续、稳定优质的氧、氮、氩气体，同时该励磁装置操作方便、维护量小，节省了人工，降低了生产成本，社会效益巨大。

［1］王正茂，阎治安，崔新艺.电机学［M］.西安：西安交通大学出版社，2000.

［2］姚志刚.励磁控制技术的研究与应用［J］.电工技术杂志，2003（5）：60-61.

［3］贾洪.同步电机启动过程的计算机控制［J］.电工技术，2005（3）：54-55.