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付春鋼

男，畢業于北京科技大學機械電子工程專業，碩士學位，現任濟南鋼鐵集團自動化部高級工程師，主要研究方向為電氣自動化。

摘要：本文介紹了GE公司同步電動機軟啟動系統采用帕特爾開關變壓器軟啟動裝置的啟動過程，針對GE軟啟動控制系統啟動順序不能正常結束的故障進行了詳細地分析，并給出了解決方法。

關鍵詞：帕特爾；降壓軟啟動；GE勵磁控制

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 系統概述

    濟鋼氣體公司4#2萬制氧機空壓機采用9500kW同步電動機驅動，該電機選用軟啟動裝置時考慮到成本和性價比，并根據國內同類設備的啟動和運行經驗，選擇了帕特爾開關變壓器軟啟動裝置，該系統主回路原理圖如圖1所示。

圖1   主回路原理圖

    軟啟動裝置的工作原理仍然是降壓限流，但采用了電流閉環調節，電流的限幅值可調節，其原理是用開關變壓器來隔離高壓和低壓，開關變壓器的高壓繞組與電機串聯，低壓繞組與可控硅和控制系統相聯，由PLC輸出的調節量來控制可控硅的導通與截止，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變其高壓繞組電壓，從而達到改變電機端電壓的目的，以實現電機的軟啟動。開關變壓器較好的改善了大型同步電動機異步降壓啟動的性能，但對于要求啟動力矩較大的大型壓縮機類設備、大型蓄水儲能電站等，仍無法取代傳統的LCI裝置，該類軟啟動裝置的啟動容量目前已達60000kW。

    9500kW同步電機的電氣控制系統包括兩部分，一個是帕特爾開關變壓器的控制，采用的是西門子S7-200系列PLC，另一個是同步電動機的勵磁控制，采用的是GE公司的Logic Master90-30系列PLC，系統正常啟動過程如下：

    手動合上啟動隔離斷路器，使主回路具備啟動條件，整個啟動過程是在勵磁控制系統PLC的協調控制下完成的，不過帕特爾開關變壓器軟啟動裝置的PLC如果檢測到本身出現故障或啟動過程已經結束，可以發出啟動斷路器的分閘命令。

    勵磁控制系統ESP1接收來自DCS的啟動命令后，如果帕特爾開關變壓器軟啟動裝置正常，發出啟動斷路器合閘命令，同步電機在帕特爾開關變壓器軟啟動裝置控制下限流異步啟動，當電機轉速達到1350RPM（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，當電機加速到1470RPM（98%額定轉速）后，勵磁控制系統發出了勵磁使能信號，勵磁電流建立，電機被牽入同步，為了提高牽入同步時的轉矩，投勵時維持約2秒的強勵電流，發出勵磁使能信號7秒后，勵磁控制系統ESP1向DCS發出允許加載信號，啟動過程結束。

    啟動過程時序圖如圖2所示。

                                 圖2   啟動過程時序圖

    系統投入運行后，多次在啟動過程中出現“Incomplete sequence trip啟動順序不完整跳閘”，影響了系統的正常啟動和可靠運行。

2 故障現象及解決方法

    故障現象：

    DCS發出啟動命令約25-29秒后，電機投勵并正常并網，但又過3-4秒后，勵磁柜的ESP1面板報“Incomplete sequence trip”，電機運行斷路器跳閘。

    故障分析：

    檢查發現電機并網投勵后，DCS一直沒有收到允許加載信號，進一步檢查程序確認故障是由信號INCSEQ（M257）引起的，該信號是已并網信號（M201）到達INCSTPS（R130）設定的33秒后，允許加載信號（Q5）仍未到造成的，而并網信號（M201）在發出啟動命令，啟動斷路器合閘后已經到達，說明故障是由于啟動時間超過了監控允許時間造成的。

    解決方法：

    調整了空壓機的入口導葉，減少電機的啟動負荷，再次啟動正常，啟動過程的時間為23秒。

    雖然故障已經消除，但電機已經并網投勵，啟動過程本已經結束，為什么還會因“Incomplete sequence trip”動作跳閘呢？這個保護動作邏輯需要進一步分析。

3 程序的進一步分析

    故障信號“Incomplete sequence trip”的產生邏輯如圖3所示。

                                                圖3

    其中MONLINE（m201-Motor on line電機并網）啟動命令已經發出，根據發生的故障現象，INCSEQ（M257-Incomplete sequence trip 不完全啟動順序跳閘）輸出的原因就是并網信號MONLINE（M201）到達INCSTPS（R130-Incomplete sequence trip time preset啟動順序不完整跳閘時間預設）計時器的設定時間33秒后允許加載信號（Q5）仍未到。

    而允許加載信號（Q5）的邏輯如圖4所示。

                                         圖4
    其中：

    MSCTPS（R129-Motor synchronized time preset電機同步時間預設）為20 ，表示2秒。

    SGENABL（M268-slipguard enable滑差使能）在勵磁使能信號（Q2）到達后5秒由“0”變為“1”。

    FSYNON（M330-field synchronizing current on同步勵磁電流投入）在勵磁使能信號（Q2）到達后2秒由“1”變為“0”。

    因此可以推出，加載信號（Q5）應在勵磁使能信號（Q2）到達后7秒產生。

    勵磁使能信號（Q2）的邏輯如圖5所示。

                                         圖5

    其中，READY（Q1－exciter control ready勵磁控制準備好）在電機啟動前已經有效，DCS發出啟動命令后，電機啟動斷路器閉合，MONLINE（M201）已經有效，因此當電機在啟動過程中的速度大于1470RPM時，AFSPEED（M329-apply field by speed按速度投勵）有效，并發出了勵磁使能信號，于是電機建立勵磁電流，牽入同步。

    MONLINE（M201  motor is on line電機并網）信號的邏輯如圖6所示。

                                          圖6

    只要電機啟動斷路器合閘返回信號RUN_BKR（I002）或電機并網運行斷路器合閘返回信號STR_BKR（I001）有一個到達，MONLINE就有效，在啟動過程中，啟動斷路器合閘后MONLINE有效，當電機轉速達到1350RPM時，運行斷路器先合閘，然后啟動斷路器斷開，因此MONLINE仍然保持。

    對故障發生的過程回放如下：

    如果因為某種原因導致電機降壓異步啟動到1470RPM的時間超過了26秒，那么按照程序邏輯，從發出電機啟動命令到發出電機加載信號的時間就會超過33秒，于是即使電機已經投勵并網，系統仍然會因故障“Incomplete sequence trip”而跳閘。

    根據上述分析，歸納該故障的解決方法如下。

    (1) 設法減小電機啟動時間，如關入口導葉，提高10kV母線電壓等，使它小于26秒。

    (2) 根據情況，適當增大INCSTPS（R130-Incomplete sequence trip time preset不完全啟動順序跳閘時間預設）的值，可以從33秒增加到38秒，以補償電機啟動時間增加的影響。

    (3) 修改程序，判斷電機勵磁已經建立（Q2輸出）并且并網運行斷路器合閘返回點（I001）已經到達，故障輸出INCSEQ就被屏蔽而不再起作用。

4 結論

    基于降壓限流異步啟動原理的大型同步電動機存在因啟動負荷增大，造成電機啟動時間過長，啟動過程電機過熱保護邏輯動作，啟動不成功的問題，問題的徹底解決需要正確理解程序中的電機啟動保護邏輯。