空压机励磁控制系统智能优化

0引言

空压机是制氧生产工艺中的龙头设备，励磁装置的性能及其动态控制对空压机同步电动机的正常起动及安全稳定运行起着关键性作用。莱钢原大型制氧机组的空气压缩机励磁系统在起动及运行中存在的问题较多，经常出现空压机起动困难、励磁故障停机、故障原因不明确、元器件老化且无备件等问题。对新旧励磁装置保护控制原理及接线进行分析，根据及空压机起动及运行控制实际要求，对新励磁装置下的空压机起动控制程序进行优化，使压缩机系统的稳定性得到很大提升。

1系统存在的问题

1. 硬件方面，无法对加密的励磁控制程序进行在线监控，一旦空压机主电机出现故障，只能根据操作面板的故障信息知道出现了什么故障，而不能有效地、快速地判断出产生故障的根本原因。
2. 人机界面无历史趋势记录，为维护人员的故障分析判断带来了极大的困难，给系统安全稳定生产造成巨大的隐患。
3. 因此，需要对现有控制系统的硬件和控制软件进行升级来完善控制功能。

2仪控系统的硬件配置

升级后，该励磁控制系统包括1套PM856K01主控制单元及相应I/O模块、1台工程师监控二合一站、1台机旁触摸屏和一台笔记本编程器（根据需要可方便选择离线/在线模式），它们都连接到一台10/100Mbit/s自适应的以太网交换机上，通过标准TCP/IP协议实现可靠通信。系统硬件配置如图1所示。

 

 

 

3控制程序功能实现

程序设计采用功能划分、模块化设计方式，包括电机启动控制模块、励磁调节控制模块、过励/欠励保护模块、联锁跳闸及报警模块。

3.1启动控制

励磁主电机的启动方式分为直起DOLstart和水阻启动Resistorstart两种，在改造中，采用两种互助启动方式来进行启动。正常条件下，当准备启动条件满足，采用水阻启动方式，高压电气柜主接触器CB1闭合。

 

图2 励磁主电机启动条件

3s内，如果电流达到776A，电机转速达到1350r/s，高压电气柜CB2闭合。满足条件后闭合Q10，启动完成。励磁主电机启动条件如图2所示。

3.2电机控制模式

电气方面，采用全数字可控硅励磁装置，由操作逻辑控制、励磁调节、励磁变压器、主回路整流桥、反馈等五部分组成。改变反馈方式可构成不同的闭环调节方式，如恒励磁电流、恒功率因数调节。

同步电动机异步起动过程中，转子回路电子开关自动接入6~10倍转子电阻的起动电阻，以抑制转子感应过电压和改善起动转矩。该装置采用西门子S7-200PLC配合全数字励磁调节器来完成同步机的励磁控制。TWL-D5型同步电动机全数字可控硅励磁装置原理如图3所示。

 

       图3  TWL-D5型同步电动机全数字可控硅励磁装置原理

过早投励或起动完成后不投励，装置能自动联锁跳闸停机。

投励条件如图4所示。当条件满足时，

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 投励条件

可以选择的电机控制模式：

AVR恒电压控制模式、AVRVAR恒电压恒无功控制模式、AVRPF恒电压恒功率因数控制模式、FCR 恒电机电流控制模式、PF 恒功率因数控制模式、VAR恒无功控制方式。

通常，在PF控制模式下，电动机功率因数受控制，功率因数在操作员面板上以数字形式给出。

3.3电机保护

PLC程序里有3个限制器，用于限制励磁电流，保护电机免受伤害：

一个欠励限制器，防止机器在过低的欠励条件下运行；一个过励限制器，防止电机在过励条件下运转，导致励磁器和转子过热；一个电压限制器，将机器电压限制到安全水平。

4系统的技术特性

4.1 6种励磁调节方式

系统控制方式灵活，具有手动/自动调节励磁功能，具有恒定励磁电流、恒功率因数、恒无功等6种调节方式，可满足各类负载，可实现“自动”转向“手动”调节时的无扰动切换。

4.2启动阻塞功能

启动阻塞功能以电动机的热容量为依据，防止电机因为连续启动而过热。

启动阻塞参数是根据电机曲线的启动顺序设定的。电机启动过程中，定子电流如果不到125%的额定定子电流，启动阻塞定时器会启动。启动时间大于最大时间，启动被迫停止。启动顺序功能如图5所示。

 

图5启动顺序功能

4.3完善的励磁保护功能

在保留原有的逆功率保护、失步保护、旋转二极管故障保护以及励磁系统过电压、欠流、过流等保护的基础上，增加了PLC电源欠压、低压，6RA70装置电源失压、缺相，系统从站的丢失、网络通信丢失以及综合报警等保护功能。这些信号全部送到柜门的OP操作面板上，以灯光显示和音响的方式报警，更多的信息在OP操作面板中可以查询，便于故障的诊断和处理。

5技术创新点

6.1多种励磁调节方式

6种励磁调节方式，可满足各类负载要求。对于不同的调试、运行环境，操作人员可以轻松通过面板切换控制方式。

6.2择优扫描策略

励磁控制系统优化项目采取对重点程序优先处理的方式。以往的设计中通常采用统一扫描周期的方式。这种方式虽然组态简单，但却使PLC运行效率低，在负载任务繁多的情况下会引发阻塞。为此，将引发设备严重故障的程序与一般控制统一整理，分出优先等级，重要的程序优先扫描，使PLC负载减轻，效率更高，提高了数据的可信度和系统的分辨能力。

7结语

空分压缩机励磁系统优化并投入运行后，生产稳定，设备故障率和放散率有了显著下降，对保证生产顺产和降低成本作出了巨大贡献，并有效延长了设备使用寿命。

参考文献：

[1]黄耀群，等.同步发电机现代励磁系统原理及控制[M].成都：成都科技大学出版社

[2]崔玉龙，等.微机控制同步电动机励磁装置[J].电气传动 ，1998，（2）