1 引 言

勵磁系統(tǒng)是同步電動機(jī)中最核心、最主要的且成部分之一。長期以來同步電動機(jī)勵磁裝置技長性能不完善，導(dǎo)致同步機(jī)損壞，成為影響生產(chǎn)的安全、連續(xù)及穩(wěn)定運(yùn)行的制約環(huán)節(jié)。

隨著可編程控制器（PLC）技術(shù)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(jī)界面、價格適中、適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境。采用PLC技術(shù)，首先克服同步機(jī)所配老式晶閘管勵磁裝置（俗稱可控硅勵磁裝置）技術(shù)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(jī)勵磁裝置的功能

同步電動機(jī)的勵磁裝置主要有三個方面的作用，一是完成同步機(jī)的異步啟動并牽人同步運(yùn)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(jī)安全運(yùn)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(dá)到亞同步速時，準(zhǔn)角度投勵，勵磁繞組產(chǎn)生同步力矩，使電機(jī)盡早進(jìn)入同步。

2．2 勵磁裝置在運(yùn)行過程中的作用

同步運(yùn)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(fù)載恒定工況，如通風(fēng)機(jī)、水泵。實(shí)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(fù)載不斷變化，同步機(jī)向電網(wǎng)提供恒定的無功功率以補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)，但同步機(jī)的功率因數(shù)是隨著負(fù)載的變化而變化。

2．3 勵磁裝置的監(jiān)控作用

同步電機(jī)在正常運(yùn)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(jī)失步，造成生產(chǎn)中斷和設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。勵磁裝置能檢測，同步機(jī)的失步，識別后判斷是報警還是再整步運(yùn)行，既保障設(shè)備的安全性，又保持運(yùn)行連續(xù)性。

同樣，勵磁裝置在正常運(yùn)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(dǎo)通、熔斷器故障、勵磁電流超限等故障。當(dāng)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(yùn)行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了滿足同步機(jī)起動、運(yùn)行和故障監(jiān)控的要求，同時便于將機(jī)械設(shè)備的控制柜與勵磁裝置融為一體，減小體積、增強(qiáng)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(shè)置，如投勵時刻、后備投勵、強(qiáng)勵時間；運(yùn)行模式選擇。二是工作狀態(tài)顯示，如實(shí)驗(yàn)投勵、正常投勵、后備投勵；運(yùn)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(dǎo)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(diǎn)CJll、CJ22閉合，見同步電機(jī)起動回路圖2，使同步電機(jī)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(yīng)電流在正負(fù)半周是對稱的。有效地消除了傳統(tǒng)勵磁屏在同步電機(jī)異步啟動過程中轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電流正負(fù)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(jié)束后，滅磁繼電器接點(diǎn)CJll、CJ22斷開，滅磁 晶閘管7KGZ、8KGZ在較高的電壓下便可開通。當(dāng)電機(jī)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(hù)器件的作用，又當(dāng)電機(jī)正常同步運(yùn)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(dǎo)通，可使電機(jī)在遇到故障，被迫跳閘停機(jī)時，減少電機(jī)受損傷程度。

（3）起動前，人為按下ANl、AN2可以實(shí)驗(yàn)滅磁回路。

3．2 投勵控制

同步電動機(jī)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(dāng)電機(jī)異步啟動到亞同步速時，即轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速的95％-98％之間；準(zhǔn)角度投勵是指在轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的過零點(diǎn)，即從負(fù)半周到正半周的零點(diǎn)準(zhǔn)確投勵。滿足兩者條件時，勵磁繞組產(chǎn)生同步力矩，使電機(jī)盡早進(jìn)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(diǎn)PLCDO控制光耦TP3，控制TC787的5腳，當(dāng)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(zhǔn)角強(qiáng)勵整步"的原則設(shè)計，并具有強(qiáng)勵磁整步的功能。所謂準(zhǔn)角度投勵，系指電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入臨界滑差，按準(zhǔn)角度投勵方式，這樣電機(jī)進(jìn)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(shè)定。

（2）后備投勵

若滑差投勵不成，即達(dá)不到設(shè)定的滑差值，可按預(yù)定的后備投勵時間和準(zhǔn)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(shè)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(jī)各種工況的要求，運(yùn)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(gòu)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(jī)失步、可控整流器缺相或失控、滅磁晶閘管誤導(dǎo)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(hù)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(jìn)行分析，判斷電機(jī)是否失步。當(dāng)發(fā)生帶勵失步時，首先應(yīng)切斷勵磁，識別后判斷是報警還是再整步運(yùn)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(dǎo)通

在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，偶爾會出現(xiàn)滅磁晶閘管誤導(dǎo)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(jìn)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(jié)果送入PLC，進(jìn)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(cè)，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(dá)到設(shè)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(jī)。

3.5 輔助控制環(huán)節(jié)

3.5.1 停車后逆變控制

當(dāng)同步機(jī)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(jī)停車時轉(zhuǎn)子電感放電造成續(xù)流或顛覆而燒壞元件。

當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到整定值，一般為80％時，PLC發(fā)出強(qiáng)勵信號，可達(dá)到正常勵磁電流的1.4倍，進(jìn)行強(qiáng)勵，以防止同步機(jī)失步，10s鐘后，若電網(wǎng)電壓不回升，PLC撤消強(qiáng)勵信號，以防轉(zhuǎn)子繞組過熱。

強(qiáng)勵時間為10-14s，具體時間人機(jī)界面設(shè)定。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

同步機(jī)勵磁，PLC它的軟件主要由三大部分組成：主控程序、顯示及設(shè)置程序、實(shí)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(shè)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(guān)內(nèi)容；將設(shè)置的內(nèi)容存放在指定的存儲器，以便調(diào)用。

4.3 實(shí)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(jī)起動后，通過計算轉(zhuǎn)子滑差的變化來開放相應(yīng)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(dāng)轉(zhuǎn)子頻率為2.5Hz時，選擇在"感應(yīng)電壓順極性尾端過零點(diǎn)"的時刻投勵，此時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓及電流接近于零，轉(zhuǎn)子感應(yīng)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(jī)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(jī)起車后，開始記時，若記時到后備投勵設(shè)定時間，同樣選擇在"感應(yīng)電壓順極性尾端過零點(diǎn)"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(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)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(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)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(jī)并報警。總之，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(biāo)準(zhǔn)者，被認(rèn)為故障，會引起帶勵失步，若不及時處理必將事故擴(kuò)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(shè)定值比較，達(dá)到者被認(rèn)為失步。當(dāng)電機(jī)失步后，PLC立即封鎖投勵控制信號，同時滅磁繼電器復(fù)位，使電機(jī)進(jìn)入異步驅(qū)動階段，然后電機(jī)轉(zhuǎn)速自動上升，待進(jìn)入臨界滑差后，勵磁裝置自動投勵，按準(zhǔn)確強(qiáng)勵對電機(jī)實(shí)施整步，使電機(jī)恢復(fù)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(fù)位鍵復(fù)位。

4.3.5 故障連鎖模塊

同步機(jī)的負(fù)載以壓風(fēng)機(jī)為例來說，把壓風(fēng)機(jī)的保護(hù)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(fēng)機(jī)的具體要求實(shí)現(xiàn)連鎖。

5 結(jié)束語

上述系統(tǒng)已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，樣機(jī)進(jìn)入工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段。

（1）同步機(jī)勵磁裝置PLC控制器，與單片機(jī)控制器相比較，研制周期短，整個系統(tǒng)成本小、功能強(qiáng)大，配置漢顯的人機(jī)界面、適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境。

（2）便于將機(jī)械設(shè)備的控制柜與勵磁裝置融為一體，減小體積、增強(qiáng)控制功能、提升原來系統(tǒng)的自動化水平。