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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的核心。一旦出現(xiàn)問題會損壞同步機，制約著運行的連續(xù)性、穩(wěn)定性，對生產(chǎn)有著較大的影響。

隨著科技的不斷發(fā)展，可編程控制器（PLC）技術的發(fā)展也越來越快，新一代的勵磁控制系統(tǒng)被展現(xiàn)出來，相比之前的系統(tǒng)，主要有以下幾個優(yōu)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(huán)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(diào)節(jié)；保障同步機的運作過程安全，有良好的監(jiān)控系統(tǒng)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(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。達到亞同步速時，準角度投勵，勵磁繞組產(chǎn)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(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)負載不斷變化，同步機向電網(wǎng)提供恒定的無功功率以補償電網(wǎng)的功率因數(shù)，但同步機的功率因數(shù)是隨著負載的變化而變化。

2.3 勵磁裝置的監(jiān)控作用

在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)中斷與設備損壞這類嚴重的事故時有發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(shù)設置上，系統(tǒng)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(tài)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(qū)動狀態(tài)時，滅磁晶閘管7KGZ、8KGZ在較低的電壓下便可開通，保證感應電流在正負半周是對稱的。有效地消除了傳統(tǒng)勵磁屏在同步電機異步啟動過程中轉(zhuǎn)子回路感應電流正負半周不對稱現(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(tài)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(zhuǎn)速與亞同步速度相差95%-98%之內(nèi)；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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)的菜單進行設定。

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。

3.4 系統(tǒng)故障監(jiān)控

系統(tǒng)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(jiān)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(zhuǎn)子勵磁回路的分流器兩端的不失真毫伏信號。這個信息經(jīng)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(fā)生這類情況時，需先斷掉勵磁，進行分析后再決定繼續(xù)運行還是報警。

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 滅磁晶閘管誤導通

在日常使用時，通常會出現(xiàn)控制柜內(nèi)的線路燒焦的現(xiàn)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(jīng)過比較判斷，將結果送入PLC，進行聯(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(tǒng)已通過實驗驗證，各項指標達到預期目標，樣機進入工業(yè)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(yōu)點大大的體現(xiàn)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(tǒng)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。