PLC在同步電動機勵磁裝置中應用

摘 要：文章介紹了以微型PLC為核心的同步電動機勵磁裝置的總體方案，并對系統的硬件和軟件結構進行了分析，從而使樣機的技術指標達到預期目的。

關鍵詞：同步電動機；勵磁裝置；PLC軟硬件設計

1 引言

同步電動機勵磁裝置技術出現的眾多問題長久以來一直困擾著相關的工作人員，作為同步電動機中最重要的組成部分，是整個系統的核心。一旦出現問題會損壞同步機，制約著運行的連續性、穩定性，對生產有著較大的影響。

隨著科技的不斷發展，可編程控制器（PLC）技術的發展也越來越快，新一代的勵磁控制系統被展現出來，相比之前的系統，主要有以下幾個優點：核心為輕微PLC、接線簡單、有較多的功能進行控制、價格大眾化、可配置漢顯的人機界面、在惡劣的環境下也能正常使用、克服了之前同步機配置的老式晶閘管勵磁裝置（俗稱可控硅勵磁裝置）不完善等等問題。人性化的特點深得用戶的喜愛。

2 同步機勵磁裝置的功能

同步電動機的勵磁裝置的特點有以下幾個：能使同步機的異步啟動并牽入啟動運行；勵磁電流主要靠牽入的同時同步調節；保障同步機的運作過程安全，有良好的監控系統檢查故障。

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動特性，避免異步啟動過程中所存在的脈振現象，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。實際選取功率因數為超前0.95-1之間任意值。（2）恒無功功率模式：適用于電網負載不斷變化，同步機向電網提供恒定的無功功率以補償電網的功率因數，但同步機的功率因數是隨著負載的變化而變化。

2.3 勵磁裝置的監控作用

在生產過程中，生產中斷與設備損壞這類嚴重的事故時有發生，那是因為在運行的過程中，同步電機收到外部因素的干擾，使得電機失步造成嚴重影響。要想保證設備運行過程中的安全性與運行過程中不出現問題，勵磁裝置的檢測起到重要作用，它能識別問題后決定進行報警還是再次運行。

為了保證勵磁裝置的運行，裝置自身有識別出現問題時是否報警或者跳閘，因為勵磁裝置自身也會受到外部因素的干擾，出現各種故障。例如：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。

3 系統硬件設計

這個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電路TC787。

充分滿足了同步機啟動以及運行與各種故障的應對措施要求，將機械設備的控制柜與勵磁裝置相結合，縮小了體積、控制功能更加完善、系統本身的自動化水平得到大大提高。

西門子TD200是勵磁裝置的顯示電路，有以下幾個特點：在參數設置上，系統運行模式選擇多樣；投勵時刻、后備投勵、強勵時間。在工作狀態顯示上，有實驗投勵、正常投勵、后備投勵；運行模式。在故障顯示上完全采用漢字顯示，比如失步、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，使同步電機在異步驅動狀態時，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。有效地消除了傳統勵磁屏在同步電機異步啟動過程中轉子回路感應電流正負半周不對稱現象，避免了異步啟動過程中所存在的脈振現象，具有良好的異步驅動特性。

（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

目前很重要的一個難題就是對同步電動機的投勵過程的控制，而在其中投勵的時間與角度的選擇是重中之重。最合理的投勵時間是轉速與亞同步速度相差95%-98%之內；而要使投勵角度最合理需從負半周到正半周的零點準確投勵，要趕在轉子感應電流在零點時刻，做到以上的兩點，電動機的勵磁繞組會有同步力矩更快的達到同步的效果。

有兩種投勵方式：

（1） 以“準角強勵整步”為標準，并增加了強勵磁同步的性能。電機轉速達到了臨界滑差，這就是準角度投勵，按照上述的辦法進行投勵，這樣電機達到同步時會很便捷、簡易沒有阻礙。要改變投勵滑差，能在主面板的菜單內進行設置。

（2）后備投勵。如果上述的方法達不到我們的要求，就能使用后備投勵時間的方法進行投勵。要改變后備投勵時間的大小，也可通過主面板內的菜單進行設定。

3.3 勵磁電流控制

三相晶閘管移相觸發電路選用TC787，經三極管后，驅動6路脈沖變壓器，輸出為調制脈沖列，觸發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腳外接電容用于調節脈沖列的頻率；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。三極管驅動脈沖變壓器，其二次經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。

3.4 系統故障監控

系統故障主要包括：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 失步監測

判斷電機失步的辦法是，在失步保護采集的信息中，來自串接在轉子勵磁回路的分流器兩端的不失真毫伏信號。這個信息經過改變，變大并進行光耦隔離后輸入PLC，將所顯示的波狀形的信息進行分析。得到的結果就能進行判斷，發生這類情況時，需先斷掉勵磁，進行分析后再決定繼續運行還是報警。

3.4.2 晶閘管故障監控

晶閘管勵磁整流波形整型后經光耦送入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象，造成勵磁電流不穩定。

3.4.3 滅磁晶閘管誤導通

在日常使用時，通常會出現控制柜內的線路燒焦的現象，進而短路，那都是滅磁晶閘管誤導通，使得另外的電阻溫度太高導致的。

檢測附加電阻RFl、RF2兩端的電壓信號，經過比較判斷，將結果送入PLC，進行聯鎖和報警。

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。

4 結束語

上述系統已通過實驗驗證，各項指標達到預期目標，樣機進入工業實驗階段。

與之前的單片機控制器而言，同步機勵磁裝置PLC控制器的優點大大的體現出來，制作的時間短，性能豐富多樣、且成本低，全程采用漢化系統的主界面，在惡劣的情況下也能照常使用。 能與機械設備的控制主體相結合，大幅度的縮小了體積、控制的性能也更加完善、自動化技術有很大的提高。