1 引言
濟鋼總公司在新建2#2萬m3制氧機工程中，制氧機的空壓機采用瑞士蘇爾壽壓縮機，電機采用德國西門子無刷勵磁同步電機，功率9500kw，電壓10kv, 功率因數0.9(超前), 轉速1500r/min, 采用西門子公司的simoverts 變頻軟起動裝置對電機進行軟起動控制，由s7-300 cpu315-2dp和et200s、op17、simotras hd、simeas p等組成的工作站完成各種保護、監控及內外部信號連接，起動過程的聯鎖及順序邏輯控制，由西門子公司的7ve512自動同步單元完成同步并網過程。
2 制氧機工程的系統組成及工作原理
制氧機工程系統采用了高-低-高式交-直-交電流型變頻器供電和交流無換向器電機控制，整個軟起動的控制由西門子公司的simadyn-d系統完成，其中一個pg16處理器+se48.1接口模塊完成電網側的整流器控制，一個ps16處理器+ts12觸發模塊+se21.2接口模塊完成電機側的逆變器控制，一個pm5處理器完成軟起動過程中的順序邏輯控制、速度給定和調節。由于采用了旋轉勵磁機實現無刷勵磁，專門由一個pm5處理器實現電機電壓閉環完成軟起動過程中勵磁電流的給定值計算，以保證軟起動過程中電機的氣隙磁通基本保持不變，實現了對起動過程中定子電流電樞反應的補償，從而即保證了晶閘管的換向裕量不變，又保證了最大的電機的過載能力，基本克服了采用電流型逆變器供電的自控同步電動機過載能力差的缺陷。針對電機轉速小于10%額定轉速時，由于電機的反電勢太低，無法安全實現負載換向的情況，系統采用了斷續電流換向的方法，即當電機側逆變器需要換向時，系統向電網側整流器發出推逆變信號，將lci的電流強制拉到零，然后再觸發電機側逆變器待開通的另一對晶閘管，由于采用了特殊的整流側脈沖組合邏輯，使得即使不用在直流平波電抗器并聯釋能晶閘管，也能夠保證將lci電流快速拉到零，從而大大簡化了電路結構和控制線路，為了進一步提高系統的可靠性，系統采用了由impag4+sav21組成的整流器觸發和晶閘管監控單元，實現了高低壓回路的光耦隔離，對誤觸發的有效監控保證了晶閘管觸發的可靠性，避免了因晶閘管損壞或觸發脈沖丟失等原因所造成的功率單元災難。
由于采用了成熟的矢量運算技術，通過ps16模塊的電壓模型計算出同步電動機自控所需要的電機磁通、轉子轉速和位置角等信號，實現了無測速機控制，只有電機需要經常在低速范圍做調速運行或電機的慣性較大，需要較大的起動轉矩的場合才需要安裝測速機。
矢量控制模型所需要的電機側的電壓電流信號均取自升壓變壓器的輸入側，為了避免升壓變壓器的剩磁影響到同步電動機轉子初始位置定向的準確性，每次軟起動結束后，都由一臺變壓變頻裝置simovert mastdriver vc完成升壓變壓器的去磁工作。
由cpu315-2dp、simotras hd勵磁裝置、simeas測量顯示單元、op17操作面板，et200s遠程i/o和simoverts組成的s7-300工作站完成信號的輸入、輸出，各種監控及保護、控制聯鎖及并網運行后電機運行參數顯示、電機的保護、勵磁電流的控制及功率因數的調節。
電機勵磁電流的控制由simotras hd全數字交流調壓裝置完成，降壓變壓器的起動及電機同步運行后的保護分別由7sj6005和siprotec 7um6215可編程集成保護單元完成，電機的并網同步由西門子公司的7ve5120可編程自動同步單元完成，因此整個系統的組成實現了數字化、模塊化，方便了調試與維護，提高了系統工作的可靠性。
圖1 3#2萬制氧機9500kw主電機軟起動主回路原理圖
系統主回路原理圖如圖1所示，電機變頻軟起動系統的控制原理圖如圖2所示。
圖2 濟鋼2萬m3制氧機9500kw空壓機電機變頻軟起動系統控制原理圖
3 軟起動系統配置及各部分的功能
simoverts系統的simadyn-d配置如圖3所示。
圖3 simovert s軟起動系統硬件配置圖
simadyn-d系統是一種多處理器分布式控制系統，采用l+c并行背板總線結構，包括20位地址，16位數據及控制信號、電源，其中c總線主要負責最多8個處理器之間的通訊，總線采用硬件菊花鏈方式，最大總線周期小于1μs，處理器的典型循環掃描時間為10ms，適合完成快速和復雜的控制任務如液壓agc系統、svc系統等，編程采用了struck g圖形化的功能塊圖方式，并由ibs g、drivemonitor等在線監控和修改軟件。本系統采用的主要處理器及所完成的功能說明如下:
3.1 a100機架24槽
主要完成變頻器本體的電流控制、脈沖形成與監控及與op17操作員面板的接口，包括:
(1) d01-p1:pm5
通用的開環和閉環控制處理器，一般與it41、it42擴展模塊共同完成工藝控制任務，32位risc處理器，主頻32m，包括以下功能包:
· fp-ast
完成與傳動有關的順序控制，如控制器的使能、運行模式的切換等。
·fp-erw
以電壓閉環方式完成勵磁電流設定值的計算。
·fp-uhr
用于起動系統時鐘同步。
(2) d05-p2:pg16
完成傳動的轉矩控制, 采用80c186-16 16位單片機。
· fp-mn1
完成電網側變流器的電流控制，包括實際值的處理、閉環電流控制，邏輯無環流自動反轉邏輯及門極脈沖發生。
(3) d09-p4:ps16
完成矢量運算和se21.2接口模塊、ts12硬件脈沖觸發單元一起完成電機側變流器的控制。
·fp-sms
矢量控制功能包，包括電壓模型(fb-ums)、實際值處理(fb-ist)、反電勢補償計算(fb-ofc)、觸發角計算(fb-alb)等功能塊，完成在無測速機方式下的電機側變流器控制。
3.2 a200機架12槽
主要完成電機的速度閉環控制及與s7-300 工作站的通訊，包括:
d01-p1:pm5
·fp-nrg
完成軟起動過程中的速度給定和閉環調節。
·fp-wrg
電網電壓前饋補償。
·fp-anf
實現勵磁裝置的起動及勵磁電流給定值的下傳、與自動同步單元交換控制信號，完成并網過程。
·fp-dia
報告simovert軟起動系統的狀態，實現軟起動系統的故障診斷。
4 系統的典型動態響應及結論
變頻軟起動器在起動過程中動態響應曲線圖如圖4所示。
圖4 起動過程動態響應曲線圖
從圖4中可見，在整個軟起動過程中，由于與速度有關的電流限幅的作用，變頻器的電流是逐漸增加的，從而減輕了對機械設備的沖擊，另外從圖4中可以明顯地看出電機的勵磁電流是跟隨電機的定子電流同步變化的，反映了電機電樞反應的補償過程，保證了負載換向的可靠性和電機的過載能力，從電機的并網同步過程可以看出整個起動和同步并網過程只有1分35秒，且并網時對電網和設備的沖擊都很小，實現了軟起動的雙重保護作用。
5 結束語
本軟起動器經過調試期間和一個多月來多次運行的考驗，整個軟起動和并網過程可靠穩定，比采用同樣控制原理的原蘇聯的模擬控制系統可靠性和一致性都大大提高了，因此我公司1#、2#2萬制氧機都采用了西門子公司的simoverts變頻軟起動裝置。
參考文獻
[1] 陳伯時,陳敏遜. 交流調速系統[m]. 北京:機械工業出版社,1998.
[2] simoverts用戶手冊[z]. siemens公司.
作者簡介
付春鋼 男 高級工程師 現任職于濟南鋼鐵集團自動化部。專業方向:電氣自動化。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
