关于金风S48／750KW风机软启动过程及故障分析

关于金风S48/750KW风机软启动过程及故障分析
摘要：金风S48/750KW风机启动时，为了避免启动电流对电网的冲击，采用由双向可控硅组成的软启动控制电路，通过控制可控硅的导通角，从而控制发电机定子绕组的输入电压，使发电机的启动电流平滑上升，减小了电机的启动损耗。

并在PLC的程序控制下，当电机转速达到设定值时，自动闭合旁路接触器，使可控硅开关安全切出，最终完成发电机的并网。

关键词：软启动双向可控硅异步发电机控制流程故障分析
金风S48/750KW风机在新疆风能公司苜蓿台风电场安装39台，总计容量29250KW。

从2010年至今已经运行两年有余，一些软启动故障也渐渐暴露出来。

本文通过对软启动的启动过程和故障分析，为风机维护人员处理此类故障提供参考。

一、什么是软启动
（一）软启动的定义
软启动（soft start），是指在电机启动过程中，通过控制电机的启动电压，从而使电机的启动电流平滑运行的一种启动方式。

（二）软启动的种类
1．斜坡升压软启动
这种启动方式比较简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定的函数关系增加。

其缺点是，由于不限流，在电机启动过程中，有时产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际应用较少。

2.斜坡恒流软启动
这种方式是在电机的初始启动阶段，启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至启动完毕。

启动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。

电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。

该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机负载的启动。

3.阶跃启动
开机后以最短的时间使启动电流迅速达到设定值，即为阶跃启动。

通过调节启动电流设定值，可以达到快速启动效果。

4.脉冲冲击启动
在启动初始阶段，让晶闸管在极短的时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，最后连入恒流启动。

该启动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需要克服较大的静摩擦的启动环境。

（三）金风S48/750KW风机的启动方式
金风S48/750KW风机采用斜坡恒流软启动方式，在电源主回路和电机之间串接三相反并联可控硅开关，通过控制可控硅开关的导通角，来改变电机的输入电压，使输入电压从零按预设的函数关系逐渐上升，当电机的转速逐渐上升到额定值时，旁路接触器自动吸合，从而取代可控硅开关，为电机的正常运行提供额定电压。

如图1所示：
二、软启动的作用
（一）软启动对电网的冲击小，同时可以降低变压器和控制电路的负荷余量，同时提高设备的使用寿命。

一般交流电机直接启动时，启动电流是运行电流的6—10倍，而采用软启动技术后，启动电流降低到1—3倍。

（二）启动电压可调，在设定时间内，电机转速逐渐上升，避免出现转速冲击，无冲击电流。

通过逐渐增大可控硅的导通角，使电机启动电流从零线性上升至设定值。

（三）软启动器引入电流闭环控制，使电机在启动过程中保持恒流，确保电机平稳启动。

根据负载情况及电网继电保护特性，可自由地五级调整至最佳的启动电流。

（四）有相序、过载、缺相、过热保护功能、可以及时进行检测和保护。

（五）软启动结束，旁路接触器闭合，使软启动退出运行，这样即延长了软启动的寿命，又是电网避免了谐波污染，还可以减少软启动器中的可控硅发热损耗。

三、软启动的实现过程
（一）软启动系统的组成
1.可控硅
（1）可控硅介绍
可控硅（SCR）国际通用名是Thyristor，是可控硅整流元件的简称，也是一
种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，一般由两晶闸管反向连接而成，他的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。

可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。

双向可控硅外观如图2所示
双向可控硅内部电路如图3所示：
（1）可控硅工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图如图4所示
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。

此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基极电流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2，因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。

所以BG1的集电极电流ic1=β 1ib1=β1β2ib2。

这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使ib2不断增大，最终使可控硅饱和导通。

（1）可控硅的导通和关断
可控硅导通条件：一是阳极与阴极间必须加正向电压；二是控制极也要加正向电压；触发电压一般是3-5V；触发电流是50-300mA；触发脉宽在20us以上；
可控硅关断条件：可控硅一旦导通，及时控制极信号消失，可控硅仍会继续导通，只有当阳极和阴极加反向电压时，可控硅才会关断。

2.软启动控制板
软启动控制板主要产生可控硅的触发脉冲，通过控制可控硅的导通角来改变电机的输入电压。

如图5所示：
图5
3.软启动电路图
图6
4.750KW发电机
金风S48/750风力发电机采用永济电机厂生产的YJ50CX1型异步发电机，该电机为全封闭、风扇冷却型三相鼠笼式电机。

定子绕组采用成型双绕组，嵌线后整体整体真空压力浸漆，转子采用鼠笼式结构，转子贴心采用压力安装在转轴。

其结构如图7所示：
(1) 发电机的结构
主要组成部分和作用如下：
①定子
定子铁心：构成电机磁路的部分，并防止转子绕组。

转子绕组：构成电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

②转子
转子铁心：电机磁路的一部分，并放置转子绕组。

转子绕组：切割定子旋转磁场，产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩使电机旋转。

③转轴
用以传递转矩及支撑转子的重量，一般由中碳钢或合金钢制成。

④气隙
转子和定子间的空气间隙，对电机磁阻以及励磁电流影响很大。

⑤风扇
对发电机运行时产生的热量进行冷却。

（2）发电机的主要参数
发电机的主要参数如图8所示：
YJ50CX1异步风力发电机主要参数
额定电压690 额定功率750kW
同步转速1500r/min 额定转速1518 r/min
级数 4 额定频率50Hz
中心高 450mm 额定效率>96.4%
额定功率因数>0.9 定子接线方式△
额定转矩绝缘等级H
防护等级IP54 结构型式IBM3
过载能力 1.15 重量4300kg
图8
（3）异步电机的转差率和运行状态
转差率：同步转速n1与转子转速n之差与同步转速n1的比值S=（n1-n）/n1
运行状态：n1n>0,1>s>0;
制动状态：n1;
（二）软启动原理图如图9所示
图9
三、常见的软启动故障分析
（一）软启动OK
软启动OK故障主要是针对软启动控制板GW04而报的故障，所以处理这个故障时应以GW04控制板为中心，检查和它相关的每一个控制信号。

处理方法：首先检查GW04控制板的供电电源，用万用表测量X3端子排上X3：5和X3：2的电压，以及安全继电器K14.7的14号端子到软起板的电压，正常电压为24V，如果24V电压丢失，检查电量模块PM810的的输出电压，如果电压输出不正常，则需要检查更换PM810模块。

其次检查X3：1到PLC模块SM332上5#端子软启动信号的接线；分别检查X3：4和X3：6到PLC模块SM321上6#端子和7#端子的接线；检查软启动板上TA1.7-401和TA-402到电流采样互感器的接线。

如果接线检查都正常，则打开软启动板的屏蔽盒，检查软起动板上的芯片和元器件是否有烧毁或损坏，更换软启动板，重新启动风机。

软启动板接线如图10所示：
图10
（二）叶轮过速
1.叶轮过速的检测原理
叶轮的转速是通过安装和叶轮平行面上的叶轮传感器（接近开关）来检测的。

正常情况下，当叶轮传感器检测到叶轮转速大于24r/min时就会报叶轮过速1警告，当叶轮传感器检测到叶轮转速大于28r/min时就会报叶轮过速2警告，并且叶轮过速信号是串接到安全链里面的，所以同时会报安全链故障而停机。

2．叶轮过速和软启动的关系
在风机并网时，有时会报叶轮过速故障，此时并非真的叶轮过速。

因为并网对发电机的转速值有要求，当发电机的转速达到1100r/min时，发电机接触器吸合；当发电机转速大于同步转速时，旁路接触器才能吸合，由软启动板控制的可控硅开关才会正常切出。

即：旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示；则转差率S=n1-n/n1，只有当n>n1时，异步电机才处于发电状态，才能向电网输送电能。

又因为叶轮转速和发电机转速通过中间1:67.5的高速齿轮箱来传送，所以当PLC检测到发电机转速大于同步转速时，按照程序设定，风机应该投入旁路接触器，切出可控硅开关，但如果在设定的时间内，旁路接触器没有闭合或是可控硅开关没有切出，而点击的转速已经提高到超过并网时设定的速度，，这是系统就会胖丁由于也论过速造成的并网失败，所以就会报叶轮过速。

此时应该仔细检查旁路接触器，可控硅以及软启动板的好坏，发现
损坏，及时更换。

（三）如何判断可控硅的好坏
1. 可控硅损坏的原因
可控硅在工作过程中损坏的原因一般有以下几种：一是电压击穿，可控硅因高电压或瞬态过电压的冲击，PN结被击穿而损坏；二是电流击穿，可控硅因承受过大的电流导致内部电路烧毁而损坏；三是软启动板故障引起可控硅触发信号的混乱，从而导致可控硅开关的短路而烧毁。

2. 双向可控硅极性与好坏的判断
双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2(T2)和控制极G三个引出脚。

第一阳极A1与第二阳极A2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极G和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通角，双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。

只有当A1、A2的电流减小到小于维持电流或A1、A2间电压极性改变且没有触发电压时，双向可控硅才关断，此时只有重新加触发电压才能导通。

内部结构如图11所示：
图11
用万用表电阻R×1Ω档，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻，若一组为数十欧姆时，改组红、黑表笔所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。

确定A1、G极后，再仔细测量A1、G极间正、反向电阻，读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1，红表笔所接引脚为控制极G。

将黑表笔接已确定的第二阳极A2，红表笔接第一阳极A1，此时万用表指针不应发生偏转，阻值为无穷大。

再用短接线将A2、G极瞬间短接，给G极加上正向触发电压，A2、A1间的阻值约为10Ω左右，随后断开A2、G间短接线，万用表读数保持在10Ω左右。

互换红、黑表笔接线红表笔接第二阳极A2，黑表笔接第一阳极A1。

同样万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。

用短接线将A2、G极间再次瞬间短接，给G极加上负的触发电压，A1、A2间的阻值也是10Ω左右。

随后断开A2、G 极间短接线，万用表读数应不变，保持在10Ω左右。

若符合以上规律，说明被测的双向可控硅未损坏且三个引脚极性判断正确。

若直接测量出三个极之间有短路，说明可控硅已经损坏。

本文是本人几年来从事金风S48/750风机维护工作的总结，由于水平有限，难免有不足之处，请各位同仁批评指正。

参考文献：
1.《金风750KW系列风力发电机组运行维护手册》
2．王兆安黄俊主编。

电力电子技术。

第4版。

北京：机械工业出版社，2001
3.顾绳谷主编。

电机及拖动基础（上册）、（下册）.第3版.北京：机械工业出版社，2003
4.李发海朱东起主编.电机学.第3版.北京：科学出版社，2001。