SIMADYN-D控制系统在制氧机变频软起动中的应用

SIMADYN-D控制系统在制氧机变频软起动中的应用
1 引言
济钢总公司在新建2#2万m3制氧机工程中，制氧机的空压机采用瑞士苏尔寿压缩机，电机采用德国西门子无刷励磁同步电机，功率9500kw，电压10kv, 功率因数0.9(超前), 转速1500r/min, 采用西门子公司的simoverts 变频软起动装置对电机进行软起动控制，由s7-3 00 cpu315-2dp和et200s、op17、simotras hd、simeas p等组成的工作站完成各种保护、监控及内外部信号连接，起动过程的联锁及顺序逻辑控制，由西门子公司的7ve512自动同步单元完成同步并网过程。

2 制氧机工程的系统组成及工作原理
制氧机工程系统采用了高-低-高式交-直-交电流型变频器供电和交流无换向器电机控制，整个软起动的控制由西门子公司的simadyn-d系统完成，其中一个pg16处理器+se48.1接口模块完成电网侧的整流器控制，一个ps16处理器+ts12触发模块+se21.2接口模块完成电机侧的逆变器控制，一个pm5处理器完成软起动过程中的顺序逻辑控制、速度给定和调节。

由于采用了旋转励磁机实现无刷励磁，专门由一个pm5处理器实现电机电压闭环完成软起动过程中励磁电流的给定值计算，以保证软起动过程中电机的气隙磁通基本保持不变，实现了对起动过程中定子电流电枢反应的补偿，从而即保证了晶闸管的换向裕量不变，又保证了最大的电机的过载能力，基本克服了采用电流型逆变器供电的自控同步电动机过载能力差的缺陷。

针对电机转速小于10%额定转速时，由于电机的反电势太低，无法安全实现负载换向的情况，系统采用了断续电流换向的方法，即当电机侧逆变器需要换向时，系统向电网侧整流器发出推逆变信号，将lci的电流强制拉到零，然后再触发电机侧逆变器待开通的另一对晶闸管，由于采用了特殊的整流侧脉冲组合逻辑，使得即使不用在直流平波电抗器并联释能晶闸管，也能够保证将lci电流快速拉到零，从而大大简化了电路结构和控制线路，为了
进一步提高系统的可靠性，系统采用了由impag4+sav21组成的整流器触发和晶闸管监控单元，实现了高低压回路的光耦隔离，对误触发的有效监控保证了晶闸管触发的可靠性，避免了因晶闸管损坏或触发脉冲丢失等原因所造成的功率单元灾难。

由于采用了成熟的矢量运算技术，通过ps16模块的电压模型计算出同步电动机自控所需要的电机磁通、转子转速和位置角等信号，实现了无测速机控制，只有电机需要经常在低速范围做调速运行或电机的惯性较大，需要较大的起动转矩的场合才需要安装测速机。

矢量控制模型所需要的电机侧的电压电流信号均取自升压变压器的输入侧，为了避免升压变压器的剩磁影响到同步电动机转子初始位置定向的准确性，每次软起动结束后，都由一台变压变频装置simovert mastdriver vc完成升压变压器的去磁工作。

由cpu315-2dp、simotras hd励磁装置、simeas测量显示单元、op17操作面板，et2 00s远程i/o和simoverts组成的s7-300工作站完成信号的输入、输出，各种监控及保护、控制联锁及并网运行后电机运行参数显示、电机的保护、励磁电流的控制及功率因数的调节。

电机励磁电流的控制由simotras hd全数字交流调压装置完成，降压变压器的起动及电机同步运行后的保护分别由7sj6005和siprotec 7um6215可编程集成保护单元完成，电机的并网同步由西门子公司的7ve5120可编程自动同步单元完成，因此整个系统的组成实现了数字化、模块化，方便了调试与维护，提高了系统工作的可靠性。

图1 3#2万制氧机9500kw主电机软起动主回路原理图
系统主回路原理图如图1所示，电机变频软起动系统的控制原理图如图2所示。

图2 济钢2万m3制氧机9500kw空压机电机变频软起动系统控制原理图
3 软起动系统配置及各部分的功能
simoverts系统的simadyn-d配置如图3所示。

图3 simovert s软起动系统硬件配置图
simadyn-d系统是一种多处理器分布式控制系统，采用l+c并行背板总线结构，包括20位地址，16位数据及控制信号、电源，其中c总线主要负责最多8个处理器之间的通讯，总
线采用硬件菊花链方式，最大总线周期小于1μs，处理器的典型循环扫描时间为10ms，适合完成快速和复杂的控制任务如液压agc系统、svc系统等，编程采用了struck g图形化的功能块图方式，并由ibs g、drivemonitor等在线监控和修改软件。

本系统采用的主要处理器及所完成的功能说明如下:
3.1 a100机架24槽
主要完成变频器本体的电流控制、脉冲形成与监控及与op17操作员面板的接口，包括: (1) d01-p1:pm5
通用的开环和闭环控制处理器，一般与it41、it42扩展模块共同完成工艺控制任务，32位r isc处理器，主频32m，包括以下功能包:
·fp-ast
完成与传动有关的顺序控制，如控制器的使能、运行模式的切换等。

·fp-erw
以电压闭环方式完成励磁电流设定值的计算。

·fp-uhr
用于起动系统时钟同步。

(2) d05-p2:pg16
完成传动的转矩控制, 采用80c186-16 16位单片机。

·fp-mn1
完成电网侧变流器的电流控制，包括实际值的处理、闭环电流控制，逻辑无环流自动反转逻辑及门极脉冲发生。

(3) d09-p4:ps16
完成矢量运算和se21.2接口模块、ts12硬件脉冲触发单元一起完成电机侧变流器的控制。

·fp-sms
矢量控制功能包，包括电压模型(fb-ums)、实际值处理(fb-ist)、反电势补偿计算(fb-ofc)、触发角计算(fb-alb)等功能块，完成在无测速机方式下的电机侧变流器控制。

3.2 a200机架12槽
主要完成电机的速度闭环控制及与s7-300 工作站的通讯，包括:
d01-p1:pm5
·fp-nrg
完成软起动过程中的速度给定和闭环调节。

·fp-wrg
电网电压前馈补偿。

·fp-anf
实现励磁装置的起动及励磁电流给定值的下传、与自动同步单元交换控制信号，完成并网过程。

·fp-dia
报告simovert软起动系统的状态，实现软起动系统的故障诊断。

4 系统的典型动态响应及结论
变频软起动器在起动过程中动态响应曲线图如图4所示。

图4 起动过程动态响应曲线图
从图4中可见，在整个软起动过程中，由于与速度有关的电流限幅的作用，变频器的电流是逐渐增加的，从而减轻了对机械设备的冲击，另外从图4中可以明显地看出电机的励磁电流是跟随电机的定子电流同步变化的，反映了电机电枢反应的补偿过程，保证了负载换向的可靠性和电机的过载能力，从电机的并网同步过程可以看出整个起动和同步并网过程只有1分35秒，且并网时对电网和设备的冲击都很小，实现了软起动的双重保护作用。

5 结束语
本软起动器经过调试期间和一个多月来多次运行的考验，整个软起动和并网过程可靠稳定，比采用同样控制原理的原苏联的模拟控制系统可靠性和一致性都大大提高了，因此我公司1 #、2#2万制氧机都采用了西门子公司的simoverts变频软起动装置。

参考文献
[1] 陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统[m]. 北京:机械工业出版社,1998.
[2] simoverts用户手册[z]. siemens公司.
作者简介
付春钢男高级工程师现任职于济南钢铁集团自动化部。

专业方向:电气自动化。