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付春鋼

男，畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)任濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)自動(dòng)化部高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

摘要：本文介紹了GE公司同步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)采用帕特爾開(kāi)關(guān)變壓器軟啟動(dòng)裝置的啟動(dòng)過(guò)程，針對(duì)GE軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)順序不能正常結(jié)束的故障進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并給出了解決方法。

關(guān)鍵詞：帕特爾；降壓軟啟動(dòng)；GE勵(lì)磁控制

Abstract: This article introduces the start sequence and phase diagram of GE synchronous
 motor softstarter control system with the starter apparatus of pattern choppingtransformer,
 analyzes the fault of “incomplete sequence trip”, and gives our solution to this problem.

Key words: Pattern; variable-voltage soft-starter; GE ESP1

1 系統(tǒng)概述

    濟(jì)鋼氣體公司4#2萬(wàn)制氧機(jī)空壓機(jī)采用9500kW同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)選用軟啟動(dòng)裝置時(shí)考慮到成本和性價(jià)比，并根據(jù)國(guó)內(nèi)同類設(shè)備的啟動(dòng)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選擇了帕特爾開(kāi)關(guān)變壓器軟啟動(dòng)裝置，該系統(tǒng)主回路原理圖如圖1所示。

圖1   主回路原理圖

    軟啟動(dòng)裝置的工作原理仍然是降壓限流，但采用了電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流的限幅值可調(diào)節(jié)，其原理是用開(kāi)關(guān)變壓器來(lái)隔離高壓和低壓，開(kāi)關(guān)變壓器的高壓繞組與電機(jī)串聯(lián)，低壓繞組與可控硅和控制系統(tǒng)相聯(lián)，由PLC輸出的調(diào)節(jié)量來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通與截止，通過(guò)改變其低壓繞組上的電壓來(lái)改變其高壓繞組電壓，從而達(dá)到改變電機(jī)端電壓的目的，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。開(kāi)關(guān)變壓器較好的改善了大型同步電動(dòng)機(jī)異步降壓?jiǎn)?dòng)的性能，但對(duì)于要求啟動(dòng)力矩較大的大型壓縮機(jī)類設(shè)備、大型蓄水儲(chǔ)能電站等，仍無(wú)法取代傳統(tǒng)的LCI裝置，該類軟啟動(dòng)裝置的啟動(dòng)容量目前已達(dá)60000kW。

    9500kW同步電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)包括兩部分，一個(gè)是帕特爾開(kāi)關(guān)變壓器的控制，采用的是西門子S7-200系列PLC，另一個(gè)是同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁控制，采用的是GE公司的Logic Master90-30系列PLC，系統(tǒng)正常啟動(dòng)過(guò)程如下：

    手動(dòng)合上啟動(dòng)隔離斷路器，使主回路具備啟動(dòng)條件，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程是在勵(lì)磁控制系統(tǒng)PLC的協(xié)調(diào)控制下完成的，不過(guò)帕特爾開(kāi)關(guān)變壓器軟啟動(dòng)裝置的PLC如果檢測(cè)到本身出現(xiàn)故障或啟動(dòng)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，可以發(fā)出啟動(dòng)斷路器的分閘命令。

    勵(lì)磁控制系統(tǒng)ESP1接收來(lái)自DCS的啟動(dòng)命令后，如果帕特爾開(kāi)關(guān)變壓器軟啟動(dòng)裝置正常，發(fā)出啟動(dòng)斷路器合閘命令，同步電機(jī)在帕特爾開(kāi)關(guān)變壓器軟啟動(dòng)裝置控制下限流異步啟動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1350RPM（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)加速到1470RPM（98%額定轉(zhuǎn)速）后，勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)出了勵(lì)磁使能信號(hào)，勵(lì)磁電流建立，電機(jī)被牽入同步，為了提高牽入同步時(shí)的轉(zhuǎn)矩，投勵(lì)時(shí)維持約2秒的強(qiáng)勵(lì)電流，發(fā)出勵(lì)磁使能信號(hào)7秒后，勵(lì)磁控制系統(tǒng)ESP1向DCS發(fā)出允許加載信號(hào)，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

    啟動(dòng)過(guò)程時(shí)序圖如圖2所示。

                                 圖2   啟動(dòng)過(guò)程時(shí)序圖

    系統(tǒng)投入運(yùn)行后，多次在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)“Incomplete sequence trip啟動(dòng)順序不完整跳閘”，影響了系統(tǒng)的正常啟動(dòng)和可靠運(yùn)行。

2 故障現(xiàn)象及解決方法

    故障現(xiàn)象：

    DCS發(fā)出啟動(dòng)命令約25-29秒后，電機(jī)投勵(lì)并正常并網(wǎng)，但又過(guò)3-4秒后，勵(lì)磁柜的ESP1面板報(bào)“Incomplete sequence trip”，電機(jī)運(yùn)行斷路器跳閘。

    故障分析：

    檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)并網(wǎng)投勵(lì)后，DCS一直沒(méi)有收到允許加載信號(hào)，進(jìn)一步檢查程序確認(rèn)故障是由信號(hào)INCSEQ（M257）引起的，該信號(hào)是已并網(wǎng)信號(hào)（M201）到達(dá)INCSTPS（R130）設(shè)定的33秒后，允許加載信號(hào)（Q5）仍未到造成的，而并網(wǎng)信號(hào)（M201）在發(fā)出啟動(dòng)命令，啟動(dòng)斷路器合閘后已經(jīng)到達(dá)，說(shuō)明故障是由于啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)了監(jiān)控允許時(shí)間造成的。

    解決方法：

    調(diào)整了空壓機(jī)的入口導(dǎo)葉，減少電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷，再次啟動(dòng)正常，啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間為23秒。

    雖然故障已經(jīng)消除，但電機(jī)已經(jīng)并網(wǎng)投勵(lì)，啟動(dòng)過(guò)程本已經(jīng)結(jié)束，為什么還會(huì)因“Incomplete sequence trip”動(dòng)作跳閘呢？這個(gè)保護(hù)動(dòng)作邏輯需要進(jìn)一步分析。

3 程序的進(jìn)一步分析

    故障信號(hào)“Incomplete sequence trip”的產(chǎn)生邏輯如圖3所示。

                                                圖3

    其中MONLINE（m201-Motor on line電機(jī)并網(wǎng)）啟動(dòng)命令已經(jīng)發(fā)出，根據(jù)發(fā)生的故障現(xiàn)象，INCSEQ（M257-Incomplete sequence trip 不完全啟動(dòng)順序跳閘）輸出的原因就是并網(wǎng)信號(hào)MONLINE（M201）到達(dá)INCSTPS（R130-Incomplete sequence trip time preset啟動(dòng)順序不完整跳閘時(shí)間預(yù)設(shè)）計(jì)時(shí)器的設(shè)定時(shí)間33秒后允許加載信號(hào)（Q5）仍未到。

    而允許加載信號(hào)（Q5）的邏輯如圖4所示。

                                         圖4
    其中：

    MSCTPS（R129-Motor synchronized time preset電機(jī)同步時(shí)間預(yù)設(shè)）為20 ，表示2秒。

    SGENABL（M268-slipguard enable滑差使能）在勵(lì)磁使能信號(hào)（Q2）到達(dá)后5秒由“0”變?yōu)椤?”。

    FSYNON（M330-field synchronizing current on同步勵(lì)磁電流投入）在勵(lì)磁使能信號(hào)（Q2）到達(dá)后2秒由“1”變?yōu)椤?”。

    因此可以推出，加載信號(hào)（Q5）應(yīng)在勵(lì)磁使能信號(hào)（Q2）到達(dá)后7秒產(chǎn)生。

    勵(lì)磁使能信號(hào)（Q2）的邏輯如圖5所示。

                                         圖5

    其中，READY（Q1－exciter control ready勵(lì)磁控制準(zhǔn)備好）在電機(jī)啟動(dòng)前已經(jīng)有效，DCS發(fā)出啟動(dòng)命令后，電機(jī)啟動(dòng)斷路器閉合，MONLINE（M201）已經(jīng)有效，因此當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的速度大于1470RPM時(shí)，AFSPEED（M329-apply field by speed按速度投勵(lì)）有效，并發(fā)出了勵(lì)磁使能信號(hào)，于是電機(jī)建立勵(lì)磁電流，牽入同步。

    MONLINE（M201  motor is on line電機(jī)并網(wǎng)）信號(hào)的邏輯如圖6所示。

                                          圖6

    只要電機(jī)啟動(dòng)斷路器合閘返回信號(hào)RUN_BKR（I002）或電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行斷路器合閘返回信號(hào)STR_BKR（I001）有一個(gè)到達(dá)，MONLINE就有效，在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)斷路器合閘后MONLINE有效，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1350RPM時(shí)，運(yùn)行斷路器先合閘，然后啟動(dòng)斷路器斷開(kāi)，因此MONLINE仍然保持。

    對(duì)故障發(fā)生的過(guò)程回放如下：

    如果因?yàn)槟撤N原因?qū)е码姍C(jī)降壓異步啟動(dòng)到1470RPM的時(shí)間超過(guò)了26秒，那么按照程序邏輯，從發(fā)出電機(jī)啟動(dòng)命令到發(fā)出電機(jī)加載信號(hào)的時(shí)間就會(huì)超過(guò)33秒，于是即使電機(jī)已經(jīng)投勵(lì)并網(wǎng)，系統(tǒng)仍然會(huì)因故障“Incomplete sequence trip”而跳閘。

    根據(jù)上述分析，歸納該故障的解決方法如下。

    (1) 設(shè)法減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，如關(guān)入口導(dǎo)葉，提高10kV母線電壓等，使它小于26秒。

    (2) 根據(jù)情況，適當(dāng)增大INCSTPS（R130-Incomplete sequence trip time preset不完全啟動(dòng)順序跳閘時(shí)間預(yù)設(shè)）的值，可以從33秒增加到38秒，以補(bǔ)償電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間增加的影響。

    (3) 修改程序，判斷電機(jī)勵(lì)磁已經(jīng)建立（Q2輸出）并且并網(wǎng)運(yùn)行斷路器合閘返回點(diǎn)（I001）已經(jīng)到達(dá)，故障輸出INCSEQ就被屏蔽而不再起作用。

4 結(jié)論

    基于降壓限流異步啟動(dòng)原理的大型同步電動(dòng)機(jī)存在因啟動(dòng)負(fù)荷增大，造成電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程電機(jī)過(guò)熱保護(hù)邏輯動(dòng)作，啟動(dòng)不成功的問(wèn)題，問(wèn)題的徹底解決需要正確理解程序中的電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)邏輯。