技术 | 某公司生料磨1600kW同异步电动机控制系统改造

某公司2号生料磨机采用1600kW日本Y AS-KAWA(安川) 同异步电动机， 生产于1979年， 运行接近40年，该电动机本体基于日本安川的技术，启动电流平稳，无冲击，运行效率较高，经过维护保养后，至少可以再服役10年。整套电控系统为日本三菱集团设计生产。鉴于当时的技术条件，该系统控制复杂，分立元件较多，励磁弱电控制部分经多次改造，稳定性可靠性较差，在正常生产过程中，该磨机经常出现电控系统原因的停车现象，主要表现为：

(1)故障停车后查找不到具体原因，再次开车正常；

(2)元器件老化，电机温度，轴承温度监控不准确；

(3)柜内特殊原件损坏后无法替换，只能拆除非关键部位替代；

(4)夏季温度高后，跳停几率增加。

上述故障均是由于整体电控部分处于元件老化，线路、继电器触点、模拟器件等部分处于元件失效期，由于该产品为日本上世纪70年代产品，元器件替换困难，维修难度越来越大，对生产安全造成严重威胁。

YASKAWA(安川)公司1600kW感应同步电机，由于电机容量较大，重载起动，该电机起动方式采用转子串联电阻方式，保证起动过程中都有较大的起动转矩和较小的起动电流，该电机起动后到合适时机，控制转子线圈换向，之后投入励磁电流，电机转换为同步电机运行方式，提高电机运行功率因数，而且具备了同步电机带载能力强、运行功率因数高等特点。

基于上述工作原理及三菱公司原有设备工作原理，改造如下：

(1) 采用KYN 28高压起动柜替代原高压控制部分，同时采用专用同步电机综合保护器，监控、保护电机运行，对电机运行中过载、低电压、过流、起动时间过长、负序过流、电机失步等进行保护。

(2)采用专用高压液阻柜，通过1A开关连接于电机转子，配合电机起动过程。

(3)采用大功率合金电阻器，合理连接于电机转子，配合电机起动。

(4) 采用西门子PLC， 控制液阻、起动电阻、励磁调节器、完成电机起动、运行等动作，同时监控电机定子温度、轴承温度等，对电机本体监视。

(5) 采用TDL-5励磁调节器，热备方式控制大功率可控硅整流元件，输出合理励磁电流，同时，监控电机运行功率因数，自动调节输出励磁电流，稳定电机运行，TDL-5励磁调节器双机热备切换时间10ms，无扰动完成控制切换，减少因为弱电原因的非正常停车。

该系统由西门子PLC作为主控单元， 采集电机各个阶段的运行状态，并同时发命令给当前运行阶段需要配合的部分，励磁调节器与PLC完美配合，保证机组的长时间正常运行，原理见图1。

图1 改造后的电机控制原理图

(1)第一级采用水液阻作为绕线电机转子的串联电阻，完成从静态到动态起动过程；

(2)第二、三级采用大功率固定阻值的电阻器，作为转子的串联电阻；起动过程中励磁装置检测电机转速，控制液阻和二三级电阻的切换；

(3)在第三级电阻切入后，励磁装置实时检测电机转速，合适时机FC闭合接入励磁电流，同时起动电阻切除，起动过程完成；

(4)运行中励磁柜实时调节电机运行工况；

(5)正常停机时，并联的电阻释放转子中的磁场能量；

(6)异常停车时，动作FC及2A，3A接入串联电阻，保证转子中的磁场能量释放。

改造后同步电动机在异步启动、正常运转、故障停车、正常停车等各种工况下运行时：(1)具备转差逆励磁电流极性末尾准角投励；(2)转差率在0.1~0.03内任意调整；(3)投励后强励时间可调；(4)具备时间后备投励模式；(5)长时间未投励保护；(6)针对此电机的特殊起动方式，励磁装置采集电机起动过程的参数， 通过PLC控制2A、3A、FC开关时序闭合，控制电机起动过程，达到额定转速95%以后，控制FC开关闭合，切换转子线圈，通入励磁电流，电机进入同步运行状态。(7)具备恒励磁电流调节功能，转子电阻变化不大于10%时，励磁电流输出偏差不大于2%；(8)具备恒功率因数调节运行方式，在电机空载运行时自动转入恒励磁电流调节，电机满载运行时具备无功功率限制功能，防止励磁电流超上限误动作；(9)具备多种保护功能：如励磁电流上限和下限限制设定、失步保护等；(10)灭磁系统设计采用大功率电阻，起动过程中改变电阻值，调节电机转速，起动结束，部分电阻并接在转子线圈中，防止FC开关异常，励磁异常造成的电机失步，保护电机转子；(11)系统配备与计算机监控系统的硬件和软件，接口分计算机串行口通信RS485，标准Modbus通讯协议， 可按组网方式实现与监控系统的通信。主桥路采用全控桥整流回路，运行可靠，两台励磁控制器利用CAN总线， 每10ms通讯一次， 同步主机和备机数据和运行状态，如果主机故障时，备机在20ms内切换为主机，无扰动切换，切换速度快，运行稳定；(12)励磁柜具备智能开机自检，不做“调试”不能开机，在“调试”状态下对灭磁电阻、主桥路、输出脉冲等主要部位自动检测，如果不具备开车条件，不能开车(特殊条件下可以强制开车)；(13)本柜作用为切换转子绕组的连接方式，利用专用高可靠性开关组成，接收PLC信号后开关动作。转差切换开关，采用永磁机械闭锁方式，防止运行过程中意外分断。PLC实时监测各个开关状态，如有异常，报警停机。

生料磨机电机控制系统改造后，通过空载4h试车，系统运行平稳，带满载运行24h后，系统各个节点温度正常。该系统改造后启动简单，并具备自检能力，避免误操作，采用新技术及高性能原件使系统运行稳定性提高，通过PLC的使用，减少中间继电器的控制节点，PLC程序具备开机准备条件检索，利于操作及维护人员开机及维护。电机定子温度、轴承温度实时显示监控，超温报警跳闸，进一步保护电机。

改造后电机启动平稳，设备运转率达100%，减少故障停机次数约10次，节省维修费30万元，综合技术指标、产品质量大幅提升。

作者：白建东，张振华，陈作海，刘华

来源：《山东水泥厂有限公司》

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