变频软启动系统在空压机大功率电机控制中的应用

武 广

（唐山唐钢气体有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空分设备是冶金企业生产过程中最重要的辅助设施，提供的氧气、氮气和氩气是冶金过程中的必要材料。空分设备的动力输出主要由空压机提供，空压机电机连续、稳定、高效运行，对冶金企业经济的发展有着重要的意义。但是，在部分冶金企业，根据生产任务需求，空压机并不需要长时间加载。在自耦变压器降压启动模式下，电机容易出现故障。并且在启动过程中如果失败，需要长时间冷却等待，严重影响企业正常生产[1]。因此，设计一套能够随时快速、稳定启动的空压机控制系统，提高冶金行业自动化控制水平。

1 问题的提出和解决方案

某冶金企业空压机系统主要用于空分机气流的供应，其驱动电机为无刷励磁同步电机，额定功率为14 900 kW，启动方式为自耦变压器降压启动。该设备经过长时间的运行，电气元件已经出现严重老化，电气故障问题频繁发生，在启动过程中一次启动成功也较为困难。每次启动失败后，设备冷却时间长达2～8 h，严重影响企业正常生产。

为了解决空压机大功率电机启动受限问题，本文根据该空压机电机设计变频软启动系统，系统运行中能够对电机转子的位置进行检测，在启动过程，电机转换成无换向器电机，实现自控式变频启动，并且启动也会根据系统预设模型进行软启动控制，逐步升高电源频率，提升电机转速，并达到稳定运行状态，电机的定子电流始终保持在额定电流以下，可实现电机连续、频繁地启动。

2 变频软启动系统设计

2.1 硬件系统设计

本文所设计的变频软启动系统基于DSP 核心控制器，系统整体结构由变频器、同步机和位置检测器构成，硬件结构如图1 所示。

处理器是电机控制专用硬件，有4 个计时器和3个比较器，并且PWM通道和I/O 端口可满足各类电机的驱动调整[2]。电机转子位置传感器选用增量式广电码盘转子位置检测器，该传感器检测性能稳定，主要应用于大型同步电机的控制系统中。检测器与处理器的I/O 端口连接，对电机定子角度进行检测。

2.2 软件系统设计

在变频软启动系统设计当中，启动电机速度是由整流器的电压进行控制调节的，位置检测器检测得到的信号用于逆变器输出频率的控制调节，为了实现空压机电机的高效启动，降低频繁启动对电机的损伤，本次软件系统逻辑程序设计如下：

1）系统启动后进行自检，对线路情况进行检测，检测无故障后进入电机启动系统。

2）中控系统发出电机启动信号，主接触器吸合，电机启动由盘车电机带转，运行至1%额定转速，对系统电流、电压进行检测。如果发现参数异常，则断开主接触器，并报警。如果参数在预设范围内，则由启动装置发出指令，变频器介入系统。

3）进入低速运行阶段，此时采用断续换流方式，当电机转速达到额定转速的10%时，切换为反电势自然换流运行模式，此时，逆变器中晶闸管元件的换流超前角为60°。

4）在系统启动时，将直流电流幅值设为有效电流的2/3，当转速达到额定转速的15%时，电流限幅提高至有效电流值，避免晶闸管在长时间低频运行过程中出现过热现象。

5）在电机达到额定转速的97%时，系统进入自动调谐控制中。根据电网与电机之间的频差对电机速度进行微调，保证频差在允许范围以内，并且励磁控制系统介入，实现电机和电网的平衡。当检测装置检测到频差为1/4 Hz、电压浮动值小于有效电压的5%，且转子位置增量处于0°时，电机由变频切换至工频运转，启动结束。

3 变频软启动系统仿真

为了验证系统的可行性和有效性，本次利用MATLAB/Simulink 软件进行变频软启动系统仿真，建立电机转速双闭环调控系统模型，并进行仿真模拟，具体结果如图2、图3 所示。

图2 转速阶跃响应变化趋势

图3 转速给定阶跃响应变化趋势

由图2 可知，在系统中将电机转速由0 调节至550 r/min 时，电机在2 s 以内便能够达到稳定状态，并且在转速调节过程中转速变化平缓，并无反复波动。由此可见，调节器比例系数调节合理，能够达到降低电机转速超调量的目的。

由图3 可知，在第5 s 时，将电机转速调节至400 r/min，此时电机转速能够在1 s 内进入稳定状态，并且超调量基本为0。由此可见，在该系统的驱动下，电机响应速度较快，并且没有静差。由此可见，变频软启动系统在空压机软启动中具有良好的效果。

4 变频软启动系统在空压机中的应用分析

某冶金企业低温液体储备水平相对较低，在空分设备稳定生产16 h 后，液氮储备仓达到满负荷，而该部分液氮通常仅能够维持8 h 的冶金工艺生产。因此，在液氮储备仓达到满负荷时，空压设备需要停止。在液氮储备仓内部氮气不足时，则需要开启空压机。这也导致空压机需要频繁启停。目前，某企业空压机经过长时间的使用，频繁出现故障，并且存在着一次启动困难的问题，严重影响企业的正常生产。为了解决该问题，某冶金企业在2020 年4 月对空压机进行改造大修，将变频软启动系统应用其中。在改造完成后，空压机启动更加平稳，电机启动次数限制也得到解除，有效提高了生产效率。对改造前后的故障情况以及停运时间进行分析，结果如表1 所示。

表1 空压机启动系统改造前后故障情况及停运时间对比

由表1 可知，在改造完成后，空压机故障频次大幅度降低，仅在2021 年期间出现过一次整流二极管损坏故障。经过计算可知，改造前，3 a 内共出现15 次故障，平均每年发生5 次故障，故障时间为62.67 h。

除去液氮储备仓内部的氮气，每年还需要外购2 433 t 液氮用于钢材生产。目前，市场上液氮的价格为612 元/t，因此，变频软启动系统应用后，每年可为企业降低成本为612 元/t×2 433 t=148.9 万元。

从电能消耗方面来看，转速检测器失效、励磁柜的励磁电器卡滞和吸合不严故障影响电机启动的主要原因。并且，旋转励磁机整流二极管损坏需要进行配件更换。转速检测器失效和励磁柜励磁电器卡滞、吸合不严故障所造成的电机重新启动时间平均每年约为46.67 h，在改造完成后，重启故障完全得到解决。该企业所在区域工业电费为0.68 元/kW·h，每年可降低电费约47.3 万元。由于该空分设备是纯进口设备，旋转励磁机整流二极管在维修过程中需要购买原厂配件，并配备厂家专业技术人员，每次配件与人工费用为6.9 万元。改造后，将空压机启动励磁柜更换为国产，配件价格为1.7 万元，且包含人工安装费用。由此可见，在变频软启动系统改造完成后，全年能够降低47.3 万元的电能费用、148.9 万元氮气费用和5.2 万元的配件费用，企业生产成本大幅降低。

5 结语

针对某冶金企业空压机电机启动系统目前存在的问题进行分析，并提出解决方案。利用MATLAB/Simulink 软件对变频软启动系统进行模拟仿真，结果表明，在变频软启动系统驱动下，电机运行响应速度快，调整时转速超调量小，符合空压机应用需求。将变频软启动系统应用于某冶金企业空压机启动系统中，对改造前后空压机运行情况以及企业生产情况进行对比发现，在变频软启动系统改造完成后，企业生产成本大幅降低。