LCI变频软启动装置的运用与提升

【摘要】通过对LCI（Load Commutated Inverter，负载换相式电流源型变频器）变频软启动装置使用中存在问题及设备不同的控制原理全面系统的分析掌握，确保了天元公司新建60000m?/h大型压缩机同步电动机的正常安全起动及安全稳定运行。

【关键词】LCI变频软启动装置;同步电动机起动;运用提升

一、前言

莱钢天元气体公司29MW无刷同步电动机，起动方式采用ABB公司LCI.SO3BHB 911000735型柜式变频软启动装置，该装置利用交-直-交变频器，起动功率只需电动机额定功率的25%左右，从而避免了同步机异步启动时对电网难以承受的冲击。启动过程经过120-180s左右将加速到准同步速度即95%额定转速，然后并入电网，进入全压同步运行。

二、LCI变频软启动装置工作原理

按照设计结构，空压机电气部分包括进线隔离柜一台、空压机运行柜一台、变频软启动器电源柜一台、变频软启动器输出柜一台、电缆连接柜两台、励磁柜一台、LCI单元（变频软启动器）。当运行柜、电源柜及输出柜三台断路器置于工作位置，保护装置选择远程控制，且励磁柜电控允许，则由DCS（集散控制系统）进行开停车控制。三台断路器启动切换程序编制在励磁柜内的PLC逻辑内。三台断路器之间有必要的硬接点连锁，在空压机旁、中控室配有紧急停车按钮，开关柜上也具有机械紧停按钮，以确保设备安全。

图一 空压机电气系统一次接线图

LCI变频软启动装置主要由输入（降压）、输出（升压）变压器、三相全控整流桥、平波直流电抗器、晶闸管逆变器组成。整流器控制系统为速度、电流负反馈双闭环系统;逆变器控制系统由电磁式和间接式转子位置检测器、换相超前角设定电路及换相剩余角补偿等部分组成。另外，系统还包括用于并网控制的整步微调和同步并网电路。

软启动装置启动时必须进行电机转子位置检测和初始定位。启动前先给转子投入励磁，在转子绕组产生恒定的磁场。在转子磁场逐步建立过程中，定子绕组感应出三相电动势，对电动势积分就可得气隙磁链的大小和转子位置角。启动期间，控制保持电机磁通恒定，实现恒转矩调速。由于是恒磁通控制，可以通过对定子电压测量，计算出转子位置角。计算时间的密切配合，保证励磁与LCI检测程序之间严密同步，这是整个启动过程中最为关键的一步。

LCI软启动数字控制系统应用矢量原理，通过系统的开环和闭环控制来实现对LCI软启动过程的控制，采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频器的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量（电流）和转矩分量（电流），并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，即对磁场分量和转矩分量分别控制，以获得类似于直流电机调速的动态性能。在矢量控制方式中，磁场电流实际值和转矩电流实际值可以根据测定的电机定子电压、和电流的实际值经变换计算求得。磁场电流和转矩电流的实际值与之相应的设定值进行比较和调节。

同步电动机刚启动和低速运行时，电机定子基本没有反电动势，这时逆变器晶闸管的换相必须采用电流断续换相法。（所谓换相，就是把正在导通相的电流切换到欲导通相的过程。这主要通过触发和关断相应的晶闸管来完成。在负载换相同步电动机旋转时，必须周期性地完成换相过程，由于晶闸管为半控开关器件，一旦触发导通后，门极就失去了控制作用，要想关断它必须给晶闸管施加反向电压，使其电流减小到维持电流以下，再把反向电压保持一段时间后，晶闸管才能可靠关断。）所谓电流断续换相法，就是每当晶闸管需要换相时，先设法使逆变器的输入电流下降到零，让逆变器所有晶闸管均暂时关断，然后再给换相后应该导通的晶闸管加上触发脉冲使其导通，从而实现电流换相。

电流按触发的顺序流经新导通的晶闸管，从而实现从一相到另一相的换相。由于逆变器晶闸管顺序导通，电流按顺序流过电动机定子的相应绕组，并产生合成磁场，这样绕组电流不断的变化必将在定转子空间中产生一个旋转磁场，拖动转子同步旋转，转子旋转的速度由逆变器的触发周期确定，当电机转速达到5%额定转速以上时，电机定子产生的电势足够大时，逆变器的晶闸管采用自然换相，这样电机转子产生的启动转矩将使电机继续不断地提高转速，期间限制电流值，一直到95%额定转速时，电机将并网拉入全压同步（符合并网条件时）。变频器退出系统，从而实现同步电机的软启动。

三、同步电机启动逻辑

电机的主要控制和保护由励磁柜实现，启动过程由励磁柜和LCI装置共同完成，电机启动命令由DCS下达，高压电流经ICB至降压变压器TLS（将10kV电压降为2090V），然后通过变频器LCI经过整流、逆变把变化着的电压和频率输出到升压变压器TMS（再将2090V电压重新变为10KV），启动初始时为防止大电压变化率对电动机冲击，经由旁路Bypass至OCB，当转速为150rpm时，断开Bypass开关后切至升压变压器TMS运行，电机继续加速至1500rpm时，变频器LCI对电压互感器T1和T2二次侧信号进行比较，当电压差小于5V，频率差小于0.2Hz，相位差为零时，电机并网，空压机馈电柜RCB断路器合闸，同时ICB及OCB断开，电动机全压运行，电机启动完成后，LCI控制系统退出运行控制，励磁控制模式转为功率因数PF控制模式，启动时间约120-180秒。

四、存在问题及改进措施

1.机械振动大

在初起动和低速时，启动电机需要克服的静摩擦力比较大，因此需要较大的启动转矩TM，要想增大启动转矩，必须要调整LCI直流电流iD的电流设定值。但是较大的启动电流会干扰电机定子电压，会使转矩脉动增加，导致起动不平滑，对机械冲击大，对机械设备造成损害。

2.低磁通启动失败

在启动初始，因为功率因数很低，因此LCI的转矩过载能力不强。当LCI逆变器直流设定值（DCCurrentRef）低于200A时，定转子合成磁场“吸力”不足，合成磁场转矩不足以克服转子负载转矩，旋转磁场无法拖动转子同步旋转，延时14秒无法实现同步启动后，LCI发出“低磁通”（Under Flux）跳闸信号，启动失败。

3.改进措施

根据电机起动机械冲击大及起动困难进行分析，当LCI直流设定值为235A时，启动转矩TM， 不但能克服转子负载转矩，实现同步启动，而且脉动转矩最小，对机械的冲击力也最小，如图七所示，曲线组1磁通波形为规则、连续的正弦波，直流电流、转速实际值仅在电机转速到达5%额定转速时，LCI旁路Bypass切换瞬间出现正常的较小波动，除此之外转速曲线实现平滑上升，机械撞击振动等情况得到有效遏制，从而电机实现平滑安全顺利启动。

五、应用效果

通过对LCI变频软启动装置特性的分析掌握，对采用LCI变频软启动装置进行变频起动的电动机，采取检测起动过程中的各项参数变化、消除频繁起动等措施，确保了天元公司制氧机组的正常起动及安全稳定运行，保证了热线生产的顺利进行，创造了可观的经济效益。