1 引 言
勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)中最核心、最主要的且成部分之一。長(zhǎng)期以來同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置技長(zhǎng)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(lì)磁控制系統(tǒng)的出現(xiàn)成為可能。該系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、控制功能豐富、可配置漢顯的人機(jī)界面、價(jià)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(lì)磁裝置（俗稱可控硅勵(lì)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(lì)磁裝置的功能
同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁裝置主要有三個(gè)方面的作用，一是完成同步機(jī)的異步啟動(dòng)并牽入同步運(yùn)行；二是在牽入同步以后勵(lì)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(lì)磁裝置在啟動(dòng)過程中的作用
在異步啟動(dòng)的過程中，勵(lì)磁裝置保證啟動(dòng)回路具有良好的異步驅(qū)動(dòng)特性，避免異步啟動(dòng)過程中所存在的脈振現(xiàn)象，滿足帶載起動(dòng)及再整步要求。達(dá)到亞同步速時(shí)，準(zhǔn)角度投勵(lì)，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生同步力矩，使電機(jī)盡早進(jìn)入同步。
2．2 勵(lì)磁裝置在運(yùn)行過程中的作用
同步運(yùn)行過程中的勵(lì)磁電流控制模式分為：
（1）恒勵(lì)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(lì)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(huì)受到各種各樣的擾動(dòng)，就會(huì)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(lì)磁裝置能檢測(cè)，同步機(jī)的失步，識(shí)別后判斷是報(bào)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(lì)磁裝置在正常運(yùn)行過程中，自身也會(huì)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(lì)磁電流超限等故障。當(dāng)出現(xiàn)上述故障，勵(lì)磁裝置識(shí)別后報(bào)警或跳閘，以保證勵(lì)磁裝置的安全運(yùn)行。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為了滿足同步機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行和故障監(jiān)控的要求，同時(shí)便于將機(jī)械設(shè)備的控制柜與勵(lì)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(dòng)化水平。本勵(lì)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(lì)時(shí)刻、后備投勵(lì)、強(qiáng)勵(lì)時(shí)間；運(yùn)行模式選擇。二是工作狀態(tài)顯示，如實(shí)驗(yàn)投勵(lì)、正常投勵(lì)、后備投勵(lì)；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(lì)磁超限。全部采用漢字顯示。
3．1 啟動(dòng)回路
（1）起動(dòng)時(shí)滅磁繼電器接點(diǎn)CJll、CJ22閉合，見同步電機(jī)起動(dòng)回路圖2，使同步電機(jī)在異步驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(duì)稱的。有效地消除了傳統(tǒng)勵(lì)磁屏在同步電機(jī)異步啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電流正負(fù)半周不對(duì)稱現(xiàn)象，避免了異步啟動(dòng)過程中所存在的脈振現(xiàn)象，具有良好的異步驅(qū)動(dòng)特性。
（2）在啟動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，減少電機(jī)受損傷程度。
（3）起動(dòng)前，人為按下ANl、AN2可以實(shí)驗(yàn)滅磁回路。
3．2 投勵(lì)控制
同步電動(dòng)機(jī)的投勵(lì)過程控制是一個(gè)非常重要的問題，主要表現(xiàn)為對(duì)投勵(lì)時(shí)間和投勵(lì)角度的選擇上。理想的投勵(lì)時(shí)間是指當(dāng)電機(jī)異步啟動(dòng)到亞同步速時(shí)，即轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速的95％-98％之間；準(zhǔn)角度投勵(lì)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(lì)。滿足兩者條件時(shí)，勵(lì)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(jì)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(shí)，輸出6路觸發(fā)信號(hào)，完成投勵(lì)，
有兩種投勵(lì)方式：
（1）按照"準(zhǔn)角強(qiáng)勵(lì)整步"的原則設(shè)計(jì)，并具有強(qiáng)勵(lì)磁整步的功能。所謂準(zhǔn)角度投勵(lì)，系指電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入臨界滑差，按準(zhǔn)角度投勵(lì)方式，這樣電機(jī)進(jìn)入同步時(shí)輕松、快速平滑無沖擊。投勵(lì)時(shí)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(lì)
若滑差投勵(lì)不成，即達(dá)不到設(shè)定的滑差值，可按預(yù)定的后備投勵(lì)時(shí)間和準(zhǔn)角度方式投勵(lì)。后備投勵(lì)時(shí)間的大小，通過面板按鍵菜單操作任意設(shè)定。
3. 3 勵(lì)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(dòng)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(lì)控制端。
18、1、2腳是三相同步信號(hào)，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(gè)三極管的基極連接。三極管驅(qū)動(dòng)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(lì)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(lì)磁電流控制模式分為：恒勵(lì)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(lì)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(lì)磁電流由霍爾元件LEM塊檢測(cè)勵(lì)磁電流得到。三個(gè)模擬信號(hào)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(lì)磁電流超限等。
3.4.1 失步監(jiān)測(cè)
失步保護(hù)采樣信號(hào)，來自串接在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路的分流器兩端的不失真毫伏信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大、變換，光耦隔離后輸入PLC，對(duì)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(lì)失步時(shí)，首先應(yīng)切斷勵(lì)磁，識(shí)別后判斷是報(bào)警還是再整步運(yùn)行。
3.4.2 晶閘管故障監(jiān)控
晶閘管勵(lì)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(lì)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(huì)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(shí)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(cè)附加電阻RFl、RF2兩端的電壓信號(hào)，經(jīng)過比較判斷，將結(jié)果送入PLC，進(jìn)行聯(lián)鎖和報(bào)警。
3.4.4 勵(lì)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(shí)別電路后，將信號(hào)送入PLC，過流信號(hào)達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，報(bào)警或跳閘。以防止勵(lì)磁電流過大引起勵(lì)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(shí)，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(shí)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(shí)，PLC發(fā)出強(qiáng)勵(lì)信號(hào)，可達(dá)到正常勵(lì)磁電流的1.4倍，進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，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(lì)信號(hào)，以防轉(zhuǎn)子繞組過熱。
強(qiáng)勵(lì)時(shí)間為10-14s，具體時(shí)間人機(jī)界面設(shè)定。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
同步機(jī)勵(lì)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(shí)處理程序。
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(chǔ)器，以便調(diào)用。
4.3 實(shí)時(shí)處理程序
4.3.1 投勵(lì)模塊
一是正常投勵(lì)：智能監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子滑差，在主機(jī)起動(dòng)后，通過計(jì)算轉(zhuǎn)子滑差的變化來開放相應(yīng)的功能（如投全壓、投勵(lì)），即轉(zhuǎn)子頻率為5Hz時(shí)，發(fā)出投全壓指令；當(dāng)轉(zhuǎn)子頻率為2.5Hz時(shí)，選擇在"感應(yīng)電壓順極性尾端過零點(diǎn)"的時(shí)刻投勵(lì)，此時(shí)，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(lì)磁裝置輸出電流方向一致，投勵(lì)最為容易，有利于將電機(jī)迅速牽人同步，完成正常投勵(lì)。
二是后備投勵(lì)：若正常投勵(lì)不成功，在主機(jī)起車后，開始記時(shí)，若記時(shí)到后備投勵(lì)設(shè)定時(shí)間，同樣選擇在"感應(yīng)電壓順極性尾端過零點(diǎn)"的時(shí)刻投勵(lì)，完成后備投勵(lì)。
4.3.2勵(lì)磁調(diào)節(jié)模塊
一是恒定勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式，將勵(lì)磁給定信號(hào)和勵(lì)磁電流反饋信號(hào)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(lì)磁給定信號(hào)和無功電流反饋信號(hào)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(cè)模塊
如果勵(lì)磁整流波頭相互比較，寬度誤差大于10％，報(bào)警；如果波頭相互比較誤差大于20％，或周期內(nèi)缺一個(gè)波頭，而且時(shí)間超過1 min，停機(jī)并報(bào)警?？傊Ｇ闆r下，三相全控橋的整流波形在一個(gè)周期，有六個(gè)波頭，而且，每個(gè)波頭幾乎相同。不符合此標(biāo)準(zhǔn)者，被認(rèn)為故障，會(huì)引起帶勵(lì)失步，若不及時(shí)處理必將事故擴(kuò)大。
4.3.4 失步檢測(cè)模塊
將失步信號(hào)整形后送人PLC，測(cè)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(lì)控制信號(hào)，同時(shí)滅磁繼電器復(fù)位，使電機(jī)進(jìn)入異步驅(qū)動(dòng)階段，然后電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升，待進(jìn)入臨界滑差后，勵(lì)磁裝置自動(dòng)投勵(lì)，按準(zhǔn)確強(qiáng)勵(lì)對(duì)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(hào)動(dòng)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(cè)信號(hào)，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(bào)警信號(hào)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(lì)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(gè)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(lì)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(dòng)化水平。
