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PLC在同步電(diàn)动机励磁装置中应用(yòng)
发布时间:2018-12-22 14:28:36 点击次数:621

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。

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