一、引 言

励磁系统是同步電(diàn)动机中最核心、最主要的且成部分(fēn)之一。長(cháng)期以来同步電(diàn)动机励磁装置技長(cháng)性能(néng)不完善，导致同步机损坏，成為(wèi)影响生产的安全、连续及稳定运行的制约环节。

随着可(kě)编程控制器（PLC）技术的发展，以微型PLC為(wèi)核心、功能(néng)更加完善的励磁控制系统的出现成為(wèi)可(kě)能(néng)。该系统接線(xiàn)简单、控制功能(néng)丰富、可(kě)配置汉显的人机界面、价格适中、适合于恶劣的工业环境。采用(yòng)PLC技术，首先克服同步机所配老式晶闸管励磁装置（俗称可(kě)控硅励磁装置）技术性能(néng)不完善；充分(fēn)发挥PLC的作用(yòng)，使控制系统更為(wèi)人性化。

二、同步机励磁装置的功能(néng)

同步電(diàn)动机的励磁装置主要有(yǒu)三个方面的作用(yòng)，一是完成同步机的异步启动并牵入同步运行；二是在牵入同步以后励磁電(diàn)流的调节控制；三是监控系统故障，确保同步机安全运行。

2.1励磁装置在启动过程中的作用(yòng)

在异步启动的过程中，励磁装置保证启动回路具有(yǒu)良好的异步驱动特性，避免异步启动过程中所存在的脉振现象，满足带载起动及再整步要求。达到亚同步速时，准角度投励，励磁绕组产生同步力矩，使電(diàn)机尽早进入同步。

2.2 励磁装置在运行过程中的作用(yòng)

同步运行过程中的励磁電(diàn)流控制模式分(fēn)為(wèi)：

（1）恒励磁電(diàn)流模式：适合于负载恒定工况，如通风机、水泵。实际选取功率因数為(wèi)超前0.95-1之间任意值。

（2）恒无功功率模式：适用(yòng)于電(diàn)网负载不断变化，同步机向電(diàn)网提供恒定的无功功率以补偿電(diàn)网的功率因数，但同步机的功率因数是随着负载的变化而变化。

2.3 励磁装置的监控作用(yòng)

同步電(diàn)机在正常运行过程中，不可(kě)避免地会受到各种各样的扰动，就会引起電(diàn)机失步，造成生产中断和设备损坏的严重事故。励磁装置能(néng)检测，同步机的失步，识别后判断是报警还是再整步运行，既保障设备的安全性，又(yòu)保持运行连续性。

同样，励磁装置在正常运行过程中，自身也会受到各种干扰，造成可(kě)控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁電(diàn)流超限等故障。当出现上述故障，励磁装置识别后报警或跳闸，以保证励磁装置的安全运行。

三、系统硬件设计

為(wèi)了满足同步机起动、运行和故障监控的要求，同时便于将机械设备的控制柜与励磁装置融為(wèi)一體(tǐ)，减小(xiǎo)體(tǐ)积、增强控制功能(néng)、提升原来系统的自动化水平。本励磁装置主控制器采用(yòng)西门子微型可(kě)编程序控制器S7-200，并使用(yòng)成熟的晶闸管的触发電(diàn)路TC787。

显示電(diàn)路采用(yòng)西门子的TD200来完成，一是参数设置，如投励时刻、后备投励、强励时间；运行模式选择。二是工作状态显示，如实验投励、正常投励、后备投励；运行模式。三是故障显示，如失步、整步失败、晶闸管故障、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁超限。全部采用(yòng)汉字显示。

3.1 启动回路

（1）起动时灭磁继電(diàn)器接点CJll、CJ22闭合，见同步電(diàn)机起动回路图2，使同步電(diàn)机在异步驱动状态时，灭磁晶闸管7KGZ、8KGZ在较低的電(diàn)压下便可(kě)开通，保证感应電(diàn)流在正负半周是对称的。有(yǒu)效地消除了传统励磁屏在同步電(diàn)机异步启动过程中转子回路感应電(diàn)流正负半周不对称现象，避免了异步启动过程中所存在的脉振现象，具有(yǒu)良好的异步驱动特性。

（2）在启动结束后，灭磁继電(diàn)器接点CJll、CJ22断开，灭磁 晶闸管7KGZ、8KGZ在较高的電(diàn)压下便可(kě)开通。当電(diàn)机在同步状态时，灭磁晶闸管在过電(diàn)压情况下才开通，既起到保护器件的作用(yòng)，又(yòu)当電(diàn)机正常同步运行时，保证附加電(diàn)阻RFl、RF2被可(kě)靠切除，并防止灭磁晶闸管误导通，可(kě)使電(diàn)机在遇到故障，被迫跳闸停机时，减少電(diàn)机受损伤程度。

（3）起动前，人為(wèi)按下ANl、AN2可(kě)以实验灭磁回路。

3.2 投励控制

同步電(diàn)动机的投励过程控制是一个非常重要的问题，主要表现為(wèi)对投励时间和投励角度的选择上。理(lǐ)想的投励时间是指当電(diàn)机异步启动到亚同步速时，即转速达到同步速的95％-98％之间；准角度投励是指在转子感应電(diàn)流的过零点，即从负半周到正半周的零点准确投励。满足两者条件时，励磁绕组产生同步力矩，使電(diàn)机尽早进入同步。

转子两端的電(diàn)压经電(diàn)阻R12、R11、二极管D7后，在稳压管Z7两端得到了近似的矩形波，经过光耦TPl送人PLC。经过计算和判断后，PLC输出点PLCDO控制光耦TP3，控制TC787的5脚，当其為(wèi)低電(diàn)位时，输出6路触发信号，完成投励。

有(yǒu)两种投励方式：

（1）按照"准角强励整步"的原则设计，并具有(yǒu)强励磁整步的功能(néng)。所谓准角度投励，系指電(diàn)机转速进入临界滑差，按准角度投励方式，这样電(diàn)机进入同步时轻松、快速平滑无冲击。投励时刻的滑差大小(xiǎo)，通过面板按键菜单操作任意设定

（2）后备投励

若滑差投励不成，即达不到设定的滑差值，可(kě)按预定的后备投励时间和准角度方式投励。后备投励时间的大小(xiǎo)，通过面板按键菜单操作任意设定。

3.3 励磁電(diàn)流控制

三相晶闸管移相触发電(diàn)路选用(yòng)TC787，经三极管后，驱动6路脉冲变压器，输出為(wèi)调制脉冲列，触发1KGZ～6KGZ晶闸管。TC787有(yǒu)移相控制端和投励控制端。

18、1、2脚是三相同步信号，来自同步变压器的三相電(diàn)源電(diàn)压Va、Vb、Vc；16、15、14、13脚外接電(diàn)容用(yòng)于调节脉冲列的频率；12、11、10、9、8、7输出六相脉冲，分(fēn)别与T1、T2、T3、T4、T5、T6六个三极管的基极连接。三极管驱动脉冲变压器，其二次经整流二极管输出到晶闸管的门极和阴极，以满足電(diàn)气隔离和触发功率的要求。4脚是有(yǒu)移相控制端；5脚是投励控制端；17、3脚是工作電(diàn)源输入端；6脚為(wèi)全桥控制端。

為(wèi)了满足同步机各种工况的要求，运行过程中的励磁電(diàn)流控制模式分(fēn)為(wèi)：恒励磁電(diàn)流模式和恒无功功率模式。因此选用(yòng)了模拟量模块与S7-200配合使用(yòng)，构成单闭环控制系统。励磁给定值由外接電(diàn)位器提供，无功電(diàn)流由无功電(diàn)流转换器提供，励磁電(diàn)流由霍尔元件LEM块检测励磁電(diàn)流得到。三个模拟信号送入PLC的模拟输入端。

3.4 系统故障监控

系统故障主要包括：同步机失步、可(kě)控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁電(diàn)流超限等。

3.4.1 失步监测

失步保护采样信号，来自串接在转子励磁回路的分(fēn)流器两端的不失真毫伏信号。此信号经放大、变换，光耦隔离后输入PLC，对其波形特征进行分(fēn)析，判断電(diàn)机是否失步。当发生带励失步时，首先应切断励磁，识别后判断是报警还是再整步运行。

3.4.2 晶闸管故障监控

晶闸管励磁整流波形整型后经光耦送入PLC，如果波头相互比较，宽度误差较大，说明全控整流桥出现故障，如：脉冲丢失、三相丢波缺相、失控、管压降波形崎变等各种现象，造成励磁電(diàn)流不稳定。

3.4.3 灭磁晶闸管误导通

在实际运行当中，偶尔会出现灭磁晶闸管误导通，引起附加電(diàn)阻加热，经过一段时间后，造成控制柜内的控制線(xiàn)烤焦、进而发生電(diàn)气短路事故。

检测附加電(diàn)阻RFl、RF2两端的電(diàn)压信号，经过比较判断，将结果送入PLC，进行联锁和报警。

3.4.4 励磁電(diàn)流超限

 在整流变压器的一次侧，A相和C相装有(yǒu)電(diàn)流互感器，二次引線(xiàn)经变换识别電(diàn)路后，将信号送入PLC，过流信号达到设定时间后，报警或跳闸。以防止励磁電(diàn)流过大引起励磁绕组过热，损坏電(diàn)机。

3.5 辅助控制环节

3.5.1 停車(chē)后逆变控制

当同步机停車(chē)或故障跳闸时，PLC发出指令使三相全控整流桥晶闸管1KGZ-6KGZ的控制角变為(wèi)140°，可(kě)控整流桥工作在逆变状态，不致因同步机停車(chē)时转子電(diàn)感放電(diàn)造成续流或颠覆而烧坏元件。

当電(diàn)网電(diàn)压下降到整定值，一般為(wèi)80％时，PLC发出强励信号，可(kě)达到正常励磁電(diàn)流的1.4倍，进行强励，以防止同步机失步，10s钟后，若電(diàn)网電(diàn)压不回升，PLC撤消强励信号，以防转子绕组过热。

强励时间為(wèi)10-14s，具體(tǐ)时间人机界面设定。

四、系统软件设计

同步机励磁，PLC它的软件主要由三大部分(fēn)组成：主控程序、显示及设置程序、实时处理(lǐ)程序。

4.1 主程序

主要完成PLC的各种参数的初始化，子程序的调用(yòng)、及系统的主要监控环节。

4.2 显示及设置程序

依据系统程序调用(yòng)汉显内容的使能(néng)位，显示有(yǒu)关内容；将设置的内容存放在指定的存储器，以便调用(yòng)。

4.3 实时处理(lǐ)程序

4.3.1 投励模块

 一是正常投励：智能(néng)监测转子滑差，在主机起动后，通过计算转子滑差的变化来开放相应的功能(néng)（如投全压、投励），即转子频率為(wèi)5Hz时，发出投全压指令；当转子频率為(wèi)2.5Hz时，选择在"感应電(diàn)压顺极性尾端过零点"的时刻投励，此时，转子感应電(diàn)压及電(diàn)流接近于零，转子感应電(diàn)流方向与励磁装置输出電(diàn)流方向一致，投励最為(wèi)容易，有(yǒu)利于将電(diàn)机迅速牵人同步，完成正常投励。

 二是后备投励：若正常投励不成功，在主机起車(chē)后，开始记时，若记时到后备投励设定时间，同样选择在"感应電(diàn)压顺极性尾端过零点"的时刻投励，完成后备投励。

4.3.2 励磁调节模块

 一是恒定励磁调节模式，将励磁给定信号和励磁電(diàn)流反馈信号经模拟量输人模块送人PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发電(diàn)路；

 二是恒定无功功率调节模式，将励磁给定信号和无功電(diàn)流反馈信号经模拟量输入模块送人PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发電(diàn)路。

4.3.3 晶闸管故障检测模块

 如果励磁整流波头相互比较，宽度误差大于10％，报警；如果波头相互比较误差大于20％，或周期内缺一个波头，而且时间超过1 min，停机并报警。总之，正常情况下，三相全控桥的整流波形在一个周期，有(yǒu)六个波头，而且，每个波头几乎相同。不符合此标准者，被认為(wèi)故障，会引起带励失步，若不及时处理(lǐ)必将事故扩大。

4.3.4 失步检测模块

将失步信号整形后送人PLC，测量矩形的宽度和频率，与设定值比较，达到者被认為(wèi)失步。当電(diàn)机失步后，PLC立即封锁投励控制信号，同时灭磁继電(diàn)器复位，使電(diàn)机进入异步驱动阶段，然后電(diàn)机转速自动上升，待进入临界滑差后，励磁装置自动投励，按准确强励对電(diàn)机实施整步，使電(diàn)机恢复到同步状态。如整步失败，PLC发出跳闸信号动作于跳闸回路。液晶显示屏显示"失步"或"整步失败"，按复位键复位。

4.3.5 故障连锁模块

同步机的负载以压风机為(wèi)例来说，把压风机的保护检测信号，如轴温、一排温度、二排温度、一排压力、二排压力、冷却水压等等报警信号送人PLC，依据压风机的具體(tǐ)要求实现连锁。

五、结束语

上述系统已通过实验验证，各项指标达到预期目标，样机进入工业实验阶段。

（1）同步机励磁装置PLC控制器，与单片机控制器相比较，研制周期短，整个系统成本小(xiǎo)、功能(néng)强大，配置汉显的人机界面、适合于恶劣的工业环境。

（2）便于将机械设备的控制柜与励磁装置融為(wèi)一體(tǐ)，减小(xiǎo)體(tǐ)积、增强控制功能(néng)、提升原来系统的自动化水平。