烧结机主抽风同步电机

中国一冶机电公司自动化部            程柏超

内容摘要：本文以杭钢2×90m2烧结机主抽风同步电动机系统调试为例，论述了如何确定串入电机定子回路电阻值的理论方法，以及如何结合工艺进行电气调试的方法。

关 键 词：异步起动    降压起动    热变水电阻    阻值的参数计算    电气联锁    轴悬浮    励磁

1  前言

冶金工程中，烧结机主抽风机系统通常采用同步电动机进行传动。杭钢2×90m2烧结机主抽风同步电动机传动系统正是一个典型案例。下面就本例控制系统调试的几个问题与同行相互交流。

2  同步电动机的起动方法

同步电动机的起动方法不外乎同步启动方式与异步启动方式两种。一般地，同步电动机几乎全部采用异步起动方式。异步启动又分为全压起动和降压起动两种方法。但考虑到全压起动对电网冲击很大，同时对电机本身以及被拖动设备的机械冲击均很大，因此常采用降压起动方式。

2.1 同步电动机的降压起动方式

⑴  采用AC-DC-AC或AC-AC变频器起动的控制方式。

⑵  利用电机定子回路串接电抗器或电阻、自耦变压器起动是一般低压同步电动机控制通常采用的方法。

⑶  利用热变电阻器或磁控电抗器软起动的起动方式。

在国内，烧结机主抽风同步电动机的异步起动，多数采用的是高压热变电阻器的降压起动方法，其线路接线见图1。

2.2利用高压热变电阻器降压起动的原理及其特点

 ⑴  工作原理：

高压热变电阻器由具有负温度特性的三相平衡电阻（我们通常称为水电阻，确切地讲就是一种电解液）组成。当该电阻通入电流时，电阻体温度逐步升高而电阻值逐步减小，从而使电机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，满足电机平稳起动且降低起动电流的目的。

图1

⑵  高压热变电阻器降压起动方法的特点：

该起动方法的特点是恒电流，软起动（见图2，曲线1为直接起动电流曲线，曲线2为串热变电阻后起动电流曲线），起动电流是电机额定电流的2.0～3.5倍，既降低了电机起动电流，又改善了定子绕组发热条件，有效地延长电机使用寿命；起动平稳，对机械设备无冲击；对电网影响很小，起动时电网压降在10%以内。

图2

2.3  水电阻阻值的参数计算

为满足此方法的起动特点，首先应确定串入电机定子回路的电阻值，我们可以通过定子回路等效阻抗来计算。计算之前，先定义几个参数的含义：

Z1------电机定子阻抗（串水电阻之前）

r1------电机定子绕组直流电阻（串水电阻之前）

x------电机定子绕组感抗

q1------全压起动倍数（全压起动电流除以电机额定电流），一般地，异步电机取6，同步电机取7。

Z2------电机定子阻抗（串水电阻之后）

r2------电机定子绕组回路直流电阻（串水电阻之后）

q2------目标启动倍数

R------水电阻阻值（R= r2－r1）

已知U1e为定子额定电压，I1e为定子额定电流

因为：Z1= U1e/ I1e q1     x=0.9695 Z1       r1=0.2 Z1

      Z2= U1e/ I1e q2     r2=      R= r2－r1

通过以上公式，可计算得出目标启动倍数为q2时，水电阻R的阻值。以杭钢主抽风同步电动机为例，其型号参数如下：

型号：TD4600-6/1730 ，额定功率：4600KW，额定电压：6000V，额定电流506A，工作制：S1，Y接，COSφ=0.9，绝缘水平：F级。

故，由上已知U1e=6000V，I1e=506A，我们取q1=7，q2=3.5，则得：

Z1= U1e/ I1e q1=0.978Ω        x=0.9695 Z1=0.948Ω            r1=0.2 Z1=0.196Ω               Z2= U1e/ I1e q2=1.956Ω        r2==1.711Ω             R= r2－r1=1.711-0.196=1.515Ω

然后，根据计算所得R值进行电解液的配比。具体做法是用V-A法测量电解液的阻值，通过调整电解液的配比，直到阻值满足R为止。

以上分析的是一种公式计算R值，还有一种对照表法，见表1。

表1    高压热变电阻起动器阻值计算参考表

3  系统起动条件及工艺与电气联锁的电路分析与调试

3.1  系统启动条件

⑴  应根据国标GB50150-2006规定的试验项目对同步电动机进行检测并保证合格；

⑵  确认电机铭牌参数符合工艺及电气设计要求；

⑶  检查主回路、励磁回路绝缘合格；

⑷  检查励磁回路碳刷滑环无缺陷；

⑸  检查电机控制、励磁、保护、监视装置处于准备好状态；

⑹  进行各种继电保护（综保）、电气联锁、工艺联锁关系的模拟试验；

⑺  高压热变电阻起动器已处于接入状态；

⑻  保证各介质系统运行正常，比如冷却水、润滑系统（包括高位油箱油位）、液压系统等；

⑼  要求机械人员确认机械设备处于准备好状态，例如风机风门在主电机起动前处于关闭位置；

⑽  起动顶轴油泵，风机轴和轴瓦之间充满润滑油，风机轴两端被高压润滑油顶起处于悬浮状态，起到减小磨察和降温作用。

3.2  工艺与电气联锁的电路分析与调试

在调试过程中，顶轴油回路的高油压与低油压两个压力接点与电气的联锁关系，与我们通常所讲的低油压起泵、高油压停泵的概念是不相同的，此点往往导致不少人产生错误的理解。看似一个简单的电路（见图3），对这两个压力开关的调试，要根据电气回路的分析并结合对工艺的理解才能完成。分析如下：

图3

图3所示电路图中，中间继电器13K的接点是顶轴油泵运行信号，顶轴油泵运行时闭合，停止时打开。Hp是顶轴油路高压力信号（取常开点），当油路中压力大于等于压力开关Hp的设定值时压力接点Hp闭合；Lp是顶轴油路低压力信号（取常闭点），当油路中压力小于等于压力开关Lp的设定值时压力接点Lp闭合。图4所示，是轴未被顶起时的状态，由于此时轴落在轴承上堵塞了油路，这时开起顶轴油泵，必须要有足够的油压才能将轴顶起（比如5MPa）从而处于悬浮状态。而一旦轴被顶起后，见图5所示（轴被顶起时的悬浮状态），由于此时油路畅通，维持轴处于悬浮状态所需油压要小得多（2MPa）。

结合图4、图5，我们再来分析图3所示电路图就明白其工作原理。首先，顶轴油泵启动，中间继电器13K接点闭合，此时轴处于图4状态，由于油路不通，油路中油压较高，当油压达到压力开关Hp的设定值时压力接点Hp闭合（调整压力开关时，我们通常将Hp的设定值调整为略低于5MPa，以保证常开接点Hp的可靠闭合），通过中间继电器14K的接点自锁，继电器14K保持通电状态直到顶轴油泵停止工作为止。当油压达到5MPa，轴被顶起后，此时轴处于图5状态，由于油路畅通，油压迅速回落，达到维持轴处于悬浮状态所需油压2MPa时压力接点Lp闭合（调整压力开关时，我们通常将Lp的设定值调整为略高于2MPa，以保证常闭接点Lp的可靠闭合），此时中间继电器15K通电。中间继电器14K与15K的接点串联，作为轴被顶起的信号送给PLC。为什么要将中间继电器14K与15K的接点串联呢？还得结合工艺过程分析，因为单有中间继电器14K的接点信号不能代表轴已被顶起，比如油路堵塞但轴未被顶起时中间继电器14K照样能闭合，因此只有中间继电器14K和15K两者都满足通电条件，才能证明轴已被顶起。

4  几种典型起动失败的原因分析

4.1  励磁故障

在同步电机起动并投励、投全压之后大约2到3秒时间，综保装置发出跳闸信号，励磁系统报“失步跳闸”故障。经分析，其故障原因应该是在电机从亚同步转速（即95%同步转速）拉到同步转速的过程中，系统发生同步振荡（同步振荡次数在系统允许范围内是正常的，一般为2～15次），并且其实际振荡次数超过系统设定的振荡次数保护值。排除该故障的方法是进行励磁系统参数调整：一是将励磁失步从“跳闸”修改为“整步”；二是将同步振荡次数增加，比如从“8”修改为“12”。

4．2  综保“瞬动跳闸”

系统起动后瞬间跳闸，综保装置发出“瞬动跳闸”信号。发生该故障的原因要从两方面来分析判断：第一种情况是瞬动跳闸设定值Is过小，第二种情况是水电阻阻值匹配不正确（偏小）。此时，应测得当综保装置跳闸时电机定子的瞬间电流，如果该电流小于目标起动倍数电流，但又大于瞬动跳闸设定值Is，则属于第一种情况，应该适当增大瞬动跳闸设定值Is；如果该电流大于目标启动倍数电流（即I1e q2），则属于第二种情况，应重新配水电阻，适当增大其阻值。配制按本文2.3介绍的方法进行。

4.3起动时间过长，长时间不投全压、投励，起动失败

该主抽风电机正常的起动时间大概在40秒～50秒之间。如果长时间不投全压、投励，则系统故障跳闸（如图6所示起动曲线）。产生此现象的原因是水电阻阻值匹配过大，导致电机起动时电磁转矩小，甚至小于负载转矩，产生不了加速转矩，电机长时间不能加速到亚同步转速（即95%同步转速，同步转速nf=60f/P，f是电源频率，P是电机极对数），因而不可能投全压、投励。应重新配水电阻，适当减小其阻值。图7为正常起动曲线。

5  结束语

笔者以杭州2×90m2烧结机主抽风同步电动机系统调试为例，论述了如何确定串入电机定子回路电阻值的理论方法，以及如何结合工艺进行电气调试的方法。为数不少的人认为电气调试员不用懂工艺，但实践证明，往往多数电路图要结合工艺去理解，一些压力开关、行程开关、流量温度等的调试也要结合工艺，甚至所有传动装置的速度设定、运行方式等都与工艺相关。本文介绍了烧结机主抽风同步电动机几种典型的起动失败事例，并分析了其产生的原因及解决的办法。作为调试员，应本着理论与实践相结合的科学方法去分析问题和解决问题，它既体现了一名调试员的理论水平，同时又反映了其实际动手能力和处理问题的能力。

参考文献：

（1） 余道松.企业电气调整手册.武汉：武汉测绘科技大学出版社