變頻軟啟動系統在空壓機大功率電機控制中的應用

武 廣

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空分設備是冶金企業生產過程中最重要的輔助設施，提供的氧氣、氮氣和氬氣是冶金過程中的必要材料?？辗衷O備的動力輸出主要由空壓機提供，空壓機電機連續、穩定、高效運行，對冶金企業經濟的發展有著重要的意義。但是，在部分冶金企業，根據生產任務需求，空壓機并不需要長時間加載。在自耦變壓器降壓啟動模式下，電機容易出現故障。并且在啟動過程中如果失敗，需要長時間冷卻等待，嚴重影響企業正常生產[1]。因此，設計一套能夠隨時快速、穩定啟動的空壓機控制系統，提高冶金行業自動化控制水平。

1 問題的提出和解決方案

某冶金企業空壓機系統主要用于空分機氣流的供應，其驅動電機為無刷勵磁同步電機，額定功率為14 900 kW，啟動方式為自耦變壓器降壓啟動。該設備經過長時間的運行，電氣元件已經出現嚴重老化，電氣故障問題頻繁發生，在啟動過程中一次啟動成功也較為困難。每次啟動失敗后，設備冷卻時間長達2～8 h，嚴重影響企業正常生產。

為了解決空壓機大功率電機啟動受限問題，本文根據該空壓機電機設計變頻軟啟動系統，系統運行中能夠對電機轉子的位置進行檢測，在啟動過程，電機轉換成無換向器電機，實現自控式變頻啟動，并且啟動也會根據系統預設模型進行軟啟動控制，逐步升高電源頻率，提升電機轉速，并達到穩定運行狀態，電機的定子電流始終保持在額定電流以下，可實現電機連續、頻繁地啟動。

2 變頻軟啟動系統設計

2.1 硬件系統設計

本文所設計的變頻軟啟動系統基于DSP 核心控制器，系統整體結構由變頻器、同步機和位置檢測器構成，硬件結構如圖1 所示。

處理器是電機控制專用硬件，有4 個計時器和3個比較器，并且PWM通道和I/O 端口可滿足各類電機的驅動調整[2]。電機轉子位置傳感器選用增量式廣電碼盤轉子位置檢測器，該傳感器檢測性能穩定，主要應用于大型同步電機的控制系統中。檢測器與處理器的I/O 端口連接，對電機定子角度進行檢測。

2.2 軟件系統設計

在變頻軟啟動系統設計當中，啟動電機速度是由整流器的電壓進行控制調節的，位置檢測器檢測得到的信號用于逆變器輸出頻率的控制調節，為了實現空壓機電機的高效啟動，降低頻繁啟動對電機的損傷，本次軟件系統邏輯程序設計如下：

1）系統啟動后進行自檢，對線路情況進行檢測，檢測無故障后進入電機啟動系統。

2）中控系統發出電機啟動信號，主接觸器吸合，電機啟動由盤車電機帶轉，運行至1%額定轉速，對系統電流、電壓進行檢測。如果發現參數異常，則斷開主接觸器，并報警。如果參數在預設范圍內，則由啟動裝置發出指令，變頻器介入系統。

3）進入低速運行階段，此時采用斷續換流方式，當電機轉速達到額定轉速的10%時，切換為反電勢自然換流運行模式，此時，逆變器中晶閘管元件的換流超前角為60°。

4）在系統啟動時，將直流電流幅值設為有效電流的2/3，當轉速達到額定轉速的15%時，電流限幅提高至有效電流值，避免晶閘管在長時間低頻運行過程中出現過熱現象。

5）在電機達到額定轉速的97%時，系統進入自動調諧控制中。根據電網與電機之間的頻差對電機速度進行微調，保證頻差在允許范圍以內，并且勵磁控制系統介入，實現電機和電網的平衡。當檢測裝置檢測到頻差為1/4 Hz、電壓浮動值小于有效電壓的5%，且轉子位置增量處于0°時，電機由變頻切換至工頻運轉，啟動結束。

3 變頻軟啟動系統仿真

為了驗證系統的可行性和有效性，本次利用MATLAB/Simulink 軟件進行變頻軟啟動系統仿真，建立電機轉速雙閉環調控系統模型，并進行仿真模擬，具體結果如圖2、圖3 所示。

圖2 轉速階躍響應變化趨勢

圖3 轉速給定階躍響應變化趨勢

由圖2 可知，在系統中將電機轉速由0 調節至550 r/min 時，電機在2 s 以內便能夠達到穩定狀態，并且在轉速調節過程中轉速變化平緩，并無反復波動。由此可見，調節器比例系數調節合理，能夠達到降低電機轉速超調量的目的。

由圖3 可知，在第5 s 時，將電機轉速調節至400 r/min，此時電機轉速能夠在1 s 內進入穩定狀態，并且超調量基本為0。由此可見，在該系統的驅動下，電機響應速度較快，并且沒有靜差。由此可見，變頻軟啟動系統在空壓機軟啟動中具有良好的效果。

4 變頻軟啟動系統在空壓機中的應用分析

某冶金企業低溫液體儲備水平相對較低，在空分設備穩定生產16 h 后，液氮儲備倉達到滿負荷，而該部分液氮通常僅能夠維持8 h 的冶金工藝生產。因此，在液氮儲備倉達到滿負荷時，空壓設備需要停止。在液氮儲備倉內部氮氣不足時，則需要開啟空壓機。這也導致空壓機需要頻繁啟停。目前，某企業空壓機經過長時間的使用，頻繁出現故障，并且存在著一次啟動困難的問題，嚴重影響企業的正常生產。為了解決該問題，某冶金企業在2020 年4 月對空壓機進行改造大修，將變頻軟啟動系統應用其中。在改造完成后，空壓機啟動更加平穩，電機啟動次數限制也得到解除，有效提高了生產效率。對改造前后的故障情況以及停運時間進行分析，結果如表1 所示。

表1 空壓機啟動系統改造前后故障情況及停運時間對比

由表1 可知，在改造完成后，空壓機故障頻次大幅度降低，僅在2021 年期間出現過一次整流二極管損壞故障。經過計算可知，改造前，3 a 內共出現15 次故障，平均每年發生5 次故障，故障時間為62.67 h。

除去液氮儲備倉內部的氮氣，每年還需要外購2 433 t 液氮用于鋼材生產。目前，市場上液氮的價格為612 元/t，因此，變頻軟啟動系統應用后，每年可為企業降低成本為612 元/t×2 433 t=148.9 萬元。

從電能消耗方面來看，轉速檢測器失效、勵磁柜的勵磁電器卡滯和吸合不嚴故障影響電機啟動的主要原因。并且，旋轉勵磁機整流二極管損壞需要進行配件更換。轉速檢測器失效和勵磁柜勵磁電器卡滯、吸合不嚴故障所造成的電機重新啟動時間平均每年約為46.67 h，在改造完成后，重啟故障完全得到解決。該企業所在區域工業電費為0.68 元/kW·h，每年可降低電費約47.3 萬元。由于該空分設備是純進口設備，旋轉勵磁機整流二極管在維修過程中需要購買原廠配件，并配備廠家專業技術人員，每次配件與人工費用為6.9 萬元。改造后，將空壓機啟動勵磁柜更換為國產，配件價格為1.7 萬元，且包含人工安裝費用。由此可見，在變頻軟啟動系統改造完成后，全年能夠降低47.3 萬元的電能費用、148.9 萬元氮氣費用和5.2 萬元的配件費用，企業生產成本大幅降低。

5 結語

針對某冶金企業空壓機電機啟動系統目前存在的問題進行分析，并提出解決方案。利用MATLAB/Simulink 軟件對變頻軟啟動系統進行模擬仿真，結果表明，在變頻軟啟動系統驅動下，電機運行響應速度快，調整時轉速超調量小，符合空壓機應用需求。將變頻軟啟動系統應用于某冶金企業空壓機啟動系統中，對改造前后空壓機運行情況以及企業生產情況進行對比發現，在變頻軟啟動系統改造完成后，企業生產成本大幅降低。