摘 要:给出了矿井通风机西门子无刷同步电动机电控系统的硬件设备的结构图和基于功率因数cos φ、励磁电流if双闭环统计系统的控制结构图,分析了在恒功率因数控制时励磁电流随负载变化的调节过程;论述了本电控系统的风机准备启动、定子电源合闸、亚同步投励、停车等控制程序和风机运行参数检测、故障报警、故障保护的程序。本系统具有技术性能好、可靠性与可维性高的显著优点。对从事此类技术工作的人员具有参考意义。
关键词:矿井通风机; 无刷同步机; 励磁电流
中图分类号:TM921.5文献标识码:A
文章编号:16721098(2010)03005305
收稿日期:2010-04-22
作者简介:王清灵(1948-),男,安徽淮北人,教授,研究方向:电力电子与电力传动。
Analysis of Siemens Mine Ventilator Brushless Synchronous Motor Electric Control System
WANG Qing-ling
(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: Hardware device structure of Siemens mine ventilator brushless synchronous motor electric control system and double close-loop control frame based on power factor cos φ and excitation current ifwere presented. Adjustment process of excitation current varying with load in time under constant power factor control was analyzed. Control programs about ready for start-up and stator power on and subsynchronous excitation on and off were analyzed. In addition, programs about ventilator operation parameter test, failure alarm and failure protection were analyzed. The paper gives some references to professional technicians.
Key words:mine ventilator; brushless synchronous motor; excitation current
淮南某矿中央风井选豪顿动叶可调的高效轴流式风机,型号为ANN-3800/200 N,叶轮直径为3.8 m。驱动电机选西门子3200 kW的无刷同步电动机,定子电源电压10 kV,转速750 r/min。风量是在运行中调整叶片角度来调节的。同步机电控系统由西门子公司配套。该系统具有功率因数调节性能好、保护完善、可靠性及可维性高的优点。
1 控制系统的硬件设备结构
矿井通风机西门子无刷同步电动机控制系统的硬件设备结构由10kV高压断路器CW(反风断路器为CCW)、无刷同步电动机、励磁柜等设备组成(见图1)。励磁柜含有晶闸管直流励磁调节装置DC MASTER、可编程控制器S7-300及输入输出通道、电力参数检测SIMEASP等单元。直流励磁调节装置DC MASTER完成同步电动机转子励磁电流调节功能;可编程控制器S7-300完成同步电动机的启动、投励、运行、停车的控制,以及系统的参数检测、故障判断及保护等功能。
图1 通风机无刷同步电动机控制系统的硬件设备结构
2 励磁调节系统
同步机直流励磁电源采用西门子型号为6RA7018-6DS22-0-Z的晶闸管可控整流器。由于励磁发电机所需励磁容量小(PN=90W),电压低(UfN=30 V),电流小(ifN=3 A),所以在整流器前面设置一台容量为1kVA的3相整流变压器,二次侧线电压为100 V,整流器最高输出直流电压100 V左右,励磁回路将有3.5倍以上的强迫励磁功能,将会缩短if的动态响应时间。励磁电流if的控制方案采用功率因数cos φ和励磁电流if双闭环调节(见图2)。
内环为励磁电流环,电流调节器ACR采用比例积分调节器,可实现对if的无静差调节,抗电网电压波动的能力强。触发电路GT采用数字触发器,同步电路采用隔离变压器,同步电压来自100 V AC输入电源。电流检测采用电流互感器。整流桥采用晶闸管全控桥。励磁电流的期望值if来自功率因数调节器AφR的输出[1]。外环为功率因数环(也可以实现无功闭环),功率因数调节器AφR采用比例积分调节器,可实现无静差调节。cos φ*是由风机DCS系统设定。同步机实际的功率因数是通过SIMEAS P得到的。SIMEAS P将输入的同步电动机定子侧的三相电压,三相电流经运算得到cos φ及Q,P。
图2 无刷同步机cos φ、if双闭环调节系统
双闭环调节系统的工作受投励信号Q12.1控制,Q12.1是励磁柜PLC的开关量输出信号。同步电动机在异步起动阶段,在转速低于0.95 n0时,Q12.1处于失电状态, K50失电, 整流器的交流输入电源未接通, GT, ACR, AφR被封锁。 当转速达到0.95 n0时,Q12.1得电吸合,其常开接点闭合,经K50接通整流器的交流电源,同时解除对本双闭环调节系统的封锁,本系统输出励磁电流if。
同步电动机的轴上设有速度检测装置, 此速度信号(脉冲列)经=S30/3.4-B2变换器, 变换成4~20 mA的电流信号,送到PLC的模入块。
在图2中,虚线框内的各环节的功能均由西门子DC MASTER 来完成,为全数字化结构。驱动器输出的if由放置在励磁柜面板上的液晶显示器显示。
3 无功与功率因数瞬时值检测
若要实现功率因数或无功闭环控制,需要采集同步电动机的功率因数或无功功率的瞬时值。比较理想的检测方法是计算基于矢量原理的无功功率和功率因数。即通过坐标变换的方法,根据检测到的三相定子电流iR、iS 、iT得到对应的定子电流空间矢量i的有功分量id ,无功分量iq[2]。
同理, 根据检测到的三相定子电源电压uR、uS 、uT得到对应的定子电源电压空间矢量u的两个分量u设定子电源电压空间矢量u与dq旋转坐标系的d轴重合,那么uq=0, u=ud 。式(1)中,θ为三相定子电源电压uR(=cos ωt)的瞬时相位角ωt, uR正半周起始点为θ的启算点,通过检测uR正半周起始点和锁相电路可以得到θ。
同步电动机的无功功率为
Q=u·iq(3)
同步电动机的功率因数为
cos φ=idi2d+i2q(4)
4 控制系统程序分析
同步电动机控制系统的主要功能包括定子电源的分合闸控制、投励控制、运行监视、故障检测与保护等。这些控制功能均由可编程控制器S7-300的程序来实现,现将主要程序的功能做如下分析。程序来源为西门子电子文档*。
4.1 电机启动条件
若要启动同步机,需满足如下21个条件。
(1) 各种辅助电源已合闸(共5条)
包括励磁开关、电源装置的三相交流电源开关、励磁柜控制电源开关、UPS电源开关、24VDC电源开关;
(2) 辅助电源是否欠压(1条);
(3) 电力参数检测装置(SIMEASP)已处于运行状态(共2条);
(4) 励磁柜紧停开关未按下(共2条);
(5) 同步机定子侧高压开关处于分断状态(共2条);
(6) 同步电动机处于停车状态(1条);
(7) 励磁柜没有综合跳闸故障(1条);
综合跳闸故障包括3条故障,见后述。
(8) 同步机的11路模拟量输入电路无故障(1条);
(9) 8路温度检测电路无跳闸信号(1条);
(10) 根据电机的温度判断是否允许重启(共2条)。
电机在启动时,由于启动电流很大,会增加电动机温升,若连续启动,则会使电机电子绕组因温度太高而损坏或降低绝缘强度。所以电机启动一次后需要对其可能的温升进行判断,若判断得出其温升太高,就不允许立即再次启动,而是要延迟若干时间后才能允许启动。在此基础上设置了同步机重启的温度判断程序。
(11) 励磁柜没有报警信号(1条)。
含有11组信号
(12) 励磁装置已符合工作条件(共2条)。
全部满足上述21条要求后,相应指示灯亮,表示可以做启动同步机的操作。
4.2 定子电源断路器分合闸控制
定子电源断路器有2个:一个是高压断路器CW,它是控制抽风工作状态的断路器;另一个是高压断路器CCW,它是控制反风工作状态的断路器。这两个断路器的分合闸控制程序类似。
(1)合闸控制
在满足同步电动机控制条件的情况下,风机DCS系统发出合闸脉冲(按下合闸按钮),励磁柜PLC合闸继电器闭合,CW断路器合闸。
(2)分闸控制
风机DCS系统发出分闸指令(按下分闸按钮),励磁柜PLC分闸继电器失电,CW断路器分闸。
(3)故障分闸
在风机运行中,若出现故障跳闸信号,经PLC系统程序,使CW断路器分闸。另外,为可靠起见,发生故障跳闸信号后,同时经硬件电路使CW断路器分闸。
4.3 投励控制
投励的条件有4个:一是同步机定子电源断路器已闭合;二是断路器合闸后,经2 s延时,以防过早投励对定子回路产生较大的冲击电流;三是定子回路电流要小于1.2倍的额定电流,这是按电流原则投励的思想,以防过早投励;四是当同步机转速达到0.96 nN(nN为同步机额定转速)以后投励,因为此时同步机转速已经接近同步速,投励后容易牵入同步。
4.4 紧停操作及闭锁复位
当操作人员发现有紧急情况发生时,可按下紧停按钮,紧停继电器=N30-K91直接接通断路器分闸回路,使定子电源断路器分闸,同步机停车。为了安全起见,紧停继电器=N30-K91设有紧停闭锁功能。故障排除后,欲重新启动同步机,首先按下故障复位按钮,通过PLC的程序,产生复位脉冲(脉冲宽度为1 s),此复位脉冲解除紧停继电器=N30-K91的闭锁,然后才能重启同步机。
4.5 同步机故障判断及保护
为保证同步电机的安全,对运行中的同步机的各项参数进行判断,当出现危机同步机安全的情况时,要发出故障跳闸指令,断开同步机定子电源,并且要记忆出现的故障信号,以便于及时查找故障原因,提高同步机电控系统的可维性。
同步机的故障有31种,可分为以下几类:
(1) 励磁电源及辅助电源故障(6条)
① 励磁电源开关故障(3相380VAC);② 380VAC熔断器;③ 380VAC熔断器监视;④ 励磁装置(DC-MASTER)控制电路故障;⑤ 可编程控制器24VDC电源故障;⑥ 380VAC欠压。
(2) 紧停按钮误动作及闭锁(2条)。
(3) 同步电机运行时候发生失步故障(2条)。
同步机的失步故障,根据同步机的无功极性变化来判断。若无功极性变化后,持续时间超过3 s即为失步。另外,若一次失步时间不超过3 s时,若在4.5 s时间内发生3次失步,则判为3次失步。
(4) 同步机启动故障(3条)
① 同步机启动时间过长;② 同步机启动期间长时间过流;③ 同步机启动后电子电流为零。
(5) 励磁装置故障(5条)
① 当PLC程序发出投励指令后而实际上励磁装置还没有处于运行状态时,认为励磁装置故障;② 当PLC程序发出投励指令后,励磁装置的主电源开关还没有合上时,认为励磁装置故障;③ 励磁装置发出驱动脉冲故障;④ 励磁装置过热;⑤ 励磁装置总线故障;⑥ 励磁电流超限。
(7) 电机温度超限(6条)
共有6只温度传感器监视电机槽温。当电机槽温达到跳闸条件,且经过5 s延时后,发温度超限故障。
(8) 电机轴承温度超限(2条)
有两只温度传感器监视电机轴承温度。当电机轴承温度达到跳闸条件,且经5 s延时后发轴承温度超限故障。(9) 同步机转子故障
同步机定子电源送上后,在5 s时间内,若电机转速低于60r/min,则判为转子故障。
(10) 速度监视故障
同步机定子电源送上后,在10 s时间内,若电机转速低于下限值,判断为转速监视故障。
(11) 启动时间太长
同步机定子电源送上后,在18 s时间内,转速小于,即没达到亚同步速,发出启动时间太长故障。
(12) 在启动期间速度检测电路故障
在同步机处于启动阶段,若速度检测电路故障,则发出故障信号。
参考文献:
[1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 第3版. 北京: 机械工业出版社,2004.
[2] 王清灵. 基于矢量控制技术的PWM整流器理论与仿真[J].安徽理工大学学报: 自然科学版, 2006,26(4):60-66.
(责任编辑:何学华,吴晓红)
