1 引 言
勵磁系統(tǒng)是同步電動機中最核心,、最主要的且成部分之一。長期以來同步電動機勵磁裝置技長性能不完善,，導致同步機損壞,，成為影響生產(chǎn)的安全、連續(xù)及穩(wěn)定運行的制約環(huán)節(jié),。
隨著可編程控制器（PLC）技術的發(fā)展,，以微型PLC為核心、功能更加完善的勵磁控制系統(tǒng)的出現(xiàn)成為可能,。該系統(tǒng)接線簡單,、控制功能豐富、可配置漢顯的人機界面、價格適中,、適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境,。采用PLC技術，首先克服同步機所配老式晶閘管勵磁裝置（俗稱可控硅勵磁裝置）技術性能不完善,；充分發(fā)揮PLC的作用,，使控制系統(tǒng)更為人性化。
2 同步機勵磁裝置的功能
同步電動機的勵磁裝置主要有三個方面的作用,，一是完成同步機的異步啟動并牽人同步運行,；二是在牽入同步以后勵磁電流的調(diào)節(jié)控制；三是監(jiān)控系統(tǒng)故障,，確保同步機安全運行,。
2．1 勵磁裝置在啟動過程中的作用
在異步啟動的過程中,，勵磁裝置保證啟動回路具有良好的異步驅(qū)動特性,，避免異步啟動過程中所存在的脈振現(xiàn)象，滿足帶載起動及再整步要求,。達到亞同步速時,，準角度投勵，勵磁繞組產(chǎn)生同步力矩,，使電機盡早進入同步,。
2．2 勵磁裝置在運行過程中的作用
同步運行過程中的勵磁電流控制模式分為：
（1）恒勵磁電流模式：適合于負載恒定工況，如通風機,、水泵,。實際選取功率因數(shù)為超前0.95-1之間任意值。
（2）恒無功功率模式：適用于電網(wǎng)負載不斷變化,，同步機向電網(wǎng)提供恒定的無功功率以補償電網(wǎng)的功率因數(shù),，但同步機的功率因數(shù)是隨著負載的變化而變化。
2．3 勵磁裝置的監(jiān)控作用
同步電機在正常運行過程中,，不可避免地會受到各種各樣的擾動,，就會引起電機失步，造成生產(chǎn)中斷和設備損壞的嚴重事故,。勵磁裝置能檢測,，同步機的失步，識別后判斷是報警還是再整步運行,，既保障設備的安全性,，又保持運行連續(xù)性。
同樣,，勵磁裝置在正常運行過程中,，自身也會受到各種干擾，造成可控整流器缺相或失控、滅磁晶閘管誤導通,、熔斷器故障,、勵磁電流超限等故障。當出現(xiàn)上述故障,，勵磁裝置識別后報警或跳閘,，以保證勵磁裝置的安全運行。
3 系統(tǒng)硬件設計
為了滿足同步機起動,、運行和故障監(jiān)控的要求,，同時便于將機械設備的控制柜與勵磁裝置融為一體，減小體積,、增強控制功能,、提升原來系統(tǒng)的自動化水平。本勵磁裝置主控制器采用西門子微型可編程序控制器S7-200,，并使用成熟的晶閘管的觸發(fā)電路TC787,。
顯示電路采用西門子的TD200來完成，一是參數(shù)設置,，如投勵時刻,、后備投勵、強勵時間,；運行模式選擇,。二是工作狀態(tài)顯示，如實驗投勵,、正常投勵,、后備投勵；運行模式,。三是故障顯示,，如失步、整步失敗,、晶閘管故障,、滅磁晶閘管誤導通、熔斷器故障,、勵磁超限,。全部采用漢字顯示。
3．1 啟動回路
（1）起動時滅磁繼電器接點CJll,、CJ22閉合,，見同步電機起動回路圖2，使同步電機在異步驅(qū)動狀態(tài)時,，滅磁晶閘管7KGZ,、8KGZ在較低的電壓下便可開通,，保證感應電流在正負半周是對稱的。有效地消除了傳統(tǒng)勵磁屏在同步電機異步啟動過程中轉(zhuǎn)子回路感應電流正負半周不對稱現(xiàn)象,，避免了異步啟動過程中所存在的脈振現(xiàn)象,，具有良好的異步驅(qū)動特性。
（2）在啟動結束后,，滅磁繼電器接點CJll,、CJ22斷開，滅磁 晶閘管7KGZ,、8KGZ在較高的電壓下便可開通,。當電機在同步狀態(tài)時，滅磁晶閘管在過電壓情況下才開通,，既起到保護器件的作用,，又當電機正常同步運行時，保證附加電阻RFl,、RF2被可靠切除,，并防止滅磁晶閘管誤導通，可使電機在遇到故障,，被迫跳閘停機時,，減少電機受損傷程度。
（3）起動前,，人為按下ANl、AN2可以實驗滅磁回路,。
3．2 投勵控制
同步電動機的投勵過程控制是一個非常重要的問題,，主要表現(xiàn)為對投勵時間和投勵角度的選擇上。理想的投勵時間是指當電機異步啟動到亞同步速時,，即轉(zhuǎn)速達到同步速的95％-98％之間,；準角度投勵是指在轉(zhuǎn)子感應電流的過零點，即從負半周到正半周的零點準確投勵,。滿足兩者條件時,，勵磁繞組產(chǎn)生同步力矩，使電機盡早進入同步,。
轉(zhuǎn)子兩端的電壓經(jīng)電阻R12,、R11、二極管D7后,，在穩(wěn)壓管Z7兩端得到了近似的矩形波,，經(jīng)過光耦TPl送人PLC。經(jīng)過計算和判斷后,，PLC輸出點PLCDO控制光耦TP3,，控制TC787的5腳,，當其為低電位時，輸出6路觸發(fā)信號,，完成投勵,，
有兩種投勵方式：
（1）按照"準角強勵整步"的原則設計，并具有強勵磁整步的功能,。所謂準角度投勵,，系指電機轉(zhuǎn)速進入臨界滑差，按準角度投勵方式,，這樣電機進入同步時輕松,、快速平滑無沖擊。投勵時刻的滑差大小,，通過面板按鍵菜單操作任意設定,。
（2）后備投勵
若滑差投勵不成，即達不到設定的滑差值,，可按預定的后備投勵時間和準角度方式投勵,。后備投勵時間的大小，通過面板按鍵菜單操作任意設定,。
3. 3 勵磁電流控制
三相晶閘管移相觸發(fā)電路選用TC787,，經(jīng)三極管后，驅(qū)動6路脈沖變壓器,，輸出為調(diào)制脈沖列,，觸發(fā)1KGZ～6KGZ晶閘管。TC787有移相控制端和投勵控制端,。
18,、1、2腳是三相同步信號,，來自同步變壓器的三相電源電壓Va,、Vb、Vc,；16,、15、14,、13腳外接電容用于調(diào)節(jié)脈沖列的頻率,；12、11,、10,、9、8,、7輸出六相脈沖,，分別與T1,、T2、T3,、T4,、T5、T6六個三極管的基極連接,。三極管驅(qū)動脈沖變壓器,，其二次經(jīng)整流二極管輸出到晶閘管的門極和陰極，以滿足電氣隔離和觸發(fā)功率的要求,。4腳是有移相控制端,；5腳是投勵控制端；17,、3腳是工作電源輸入端,；6腳為全橋控制端。
為了滿足同步機各種工況的要求,，運行過程中的勵磁電流控制模式分為：恒勵磁電流模式和恒無功功率模式,。因此選用了模擬量模塊與S7-200配合使用，構成單閉環(huán)控制系統(tǒng),。勵磁給定值由外接電位器提供,，無功電流由無功電流轉(zhuǎn)換器提供，勵磁電流由霍爾元件LEM塊檢測勵磁電流得到,。三個模擬信號送入 PLC的模擬輸入端,。
3.4 系統(tǒng)故障監(jiān)控
系統(tǒng)故障主要包括：同步機失步、可控整流器缺相或失控,、滅磁晶閘管誤導通,、熔斷器故障、勵磁電流超限等,。
3.4.1 失步監(jiān)測
失步保護采樣信號，來自串接在轉(zhuǎn)子勵磁回路的分流器兩端的不失真毫伏信號,。此信號經(jīng)放大,、變換，光耦隔離后輸入PLC,，對其波形特征進行分析,，判斷電機是否失步。當發(fā)生帶勵失步時,，首先應切斷勵磁,，識別后判斷是報警還是再整步運行。
3.4.2 晶閘管故障監(jiān)控
晶閘管勵磁整流波形整型后經(jīng)光耦送入PLC,，如果波頭相互比較,，寬度誤差較大,，說明全控整流橋出現(xiàn)故障，如：脈沖丟失,、三相丟波缺相,、失控、管壓降波形崎變等各種現(xiàn)象,，造成勵磁電流不穩(wěn)定,。
3.4.3 滅磁晶閘管誤導通
在實際運行當中，偶爾會出現(xiàn)滅磁晶閘管誤導通,，引起附加電阻加熱,，經(jīng)過一段時間后，造成控制柜內(nèi)的控制線烤焦,、進而發(fā)生電氣短路事故,。
檢測附加電阻RFl、RF2兩端的電壓信號,，經(jīng)過比較判斷,，將結果送入PLC，進行聯(lián)鎖和報警,。
3.4.4 勵磁電流超限
在整流變壓器的一次側,，A相和C相裝有電流互感器，二次引線經(jīng)變換識別電路后,，將信號送入PLC,，過流信號達到設定時間后，報警或跳閘,。以防止勵磁電流過大引起勵磁繞組過熱,，損壞電機。
3.5 輔助控制環(huán)節(jié)
3.5.1 停車后逆變控制
當同步機停車或故障跳閘時,，PLC發(fā)出指令使三相全控整流橋晶閘管1KGZ-6KGZ的控制角變?yōu)?40°,，可控整流橋工作在逆變狀態(tài)，不致因同步機停車時轉(zhuǎn)子電感放電造成續(xù)流或顛覆而燒壞元件,。
當電網(wǎng)電壓下降到整定值,，一般為80％時，PLC發(fā)出強勵信號,，可達到正常勵磁電流的1.4倍,，進行強勵，以防止同步機失步,，10s鐘后,，若電網(wǎng)電壓不回升，PLC撤消強勵信號,，以防轉(zhuǎn)子繞組過熱,。
強勵時間為10-14s,，具體時間人機界面設定。
4 系統(tǒng)軟件設計
同步機勵磁,，PLC它的軟件主要由三大部分組成：主控程序,、顯示及設置程序、實時處理程序,。如程序框圖6所示,。
4.1 主程序
主要完成PLC的各種參數(shù)的初始化，子程序的調(diào)用,、及系統(tǒng)的主要監(jiān)控環(huán)節(jié),。
4.2 顯示及設置程序
依據(jù)系統(tǒng)程序調(diào)用漢顯內(nèi)容的使能位，顯示有關內(nèi)容,；將設置的內(nèi)容存放在指定的存儲器,，以便調(diào)用。
4.3 實時處理程序
4.3.1 投勵模塊
一是正常投勵：智能監(jiān)測轉(zhuǎn)子滑差,，在主機起動后,，通過計算轉(zhuǎn)子滑差的變化來開放相應的功能（如投全壓、投勵）,，即轉(zhuǎn)子頻率為5Hz時,，發(fā)出投全壓指令；當轉(zhuǎn)子頻率為2.5Hz時,，選擇在"感應電壓順極性尾端過零點"的時刻投勵,，此時，轉(zhuǎn)子感應電壓及電流接近于零,，轉(zhuǎn)子感應電流方向與勵磁裝置輸出電流方向一致,，投勵最為容易，有利于將電機迅速牽人同步,，完成正常投勵,。
二是后備投勵：若正常投勵不成功，在主機起車后,，開始記時,，若記時到后備投勵設定時間，同樣選擇在"感應電壓順極性尾端過零點"的時刻投勵,，完成后備投勵。
4.3.2勵磁調(diào)節(jié)模塊
一是恒定勵磁調(diào)節(jié)模式,，將勵磁給定信號和勵磁電流反饋信號經(jīng)模擬量輸人模塊送人PLC進行數(shù)字PID運算,，通過模擬量輸出端控制晶閘管移相觸發(fā)電路；
二是恒定無功功率調(diào)節(jié)模式,，將勵磁給定信號和無功電流反饋信號經(jīng)模擬量輸入模塊送人PLC進行數(shù)字PID運算,，通過模擬量輸出端控制晶閘管移相觸發(fā)電路,。
4.3.3 晶閘管故障檢測模塊
如果勵磁整流波頭相互比較，寬度誤差大于10％,，報警,；如果波頭相互比較誤差大于20％，或周期內(nèi)缺一個波頭,，而且時間超過1 min,，停機并報警?？傊?，正常情況下，三相全控橋的整流波形在一個周期,，有六個波頭,，而且，每個波頭幾乎相同,。不符合此標準者,，被認為故障，會引起帶勵失步,，若不及時處理必將事故擴大,。
4.3.4 失步檢測模塊
將失步信號整形后送人PLC，測量矩形的寬度和頻率,，與設定值比較,，達到者被認為失步。當電機失步后,，PLC立即封鎖投勵控制信號,，同時滅磁繼電器復位，使電機進入異步驅(qū)動階段,，然后電機轉(zhuǎn)速自動上升,，待進入臨界滑差后，勵磁裝置自動投勵,，按準確強勵對電機實施整步,，使電機恢復到同步狀態(tài)。如整步失敗,，PLC發(fā)出跳閘信號動作于跳閘回路,。液晶顯示屏顯示"失步"或"整步失敗"，按復位鍵復位,。
4.3.5 故障連鎖模塊
同步機的負載以壓風機為例來說,，把壓風機的保護檢測信號，如軸溫、一排溫度,、二排溫度,、一排壓力、二排壓力,、冷卻水壓等等報警信號送人PLC,，依據(jù)壓風機的具體要求實現(xiàn)連鎖。
5 結束語
上述系統(tǒng)已通過實驗驗證,，各項指標達到預期目標,，樣機進入工業(yè)實驗階段。
（1）同步機勵磁裝置PLC控制器,，與單片機控制器相比較,，研制周期短，整個系統(tǒng)成本小,、功能強大,，配置漢顯的人機界面、適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境,。
（2）便于將機械設備的控制柜與勵磁裝置融為一體,，減小體積、增強控制功能,、提升原來系統(tǒng)的自動化水平,。