勵磁系統(tǒng)是同步電機(jī)中最核心、最主要的且成部分之一。長期以來同步電機(jī)勵磁柜技長性能不完善，導(dǎo)致同步電機(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為核心的同步電機(jī)勵磁柜軟硬件設(shè)計(jì)得到了市場的認(rèn)可和應(yīng)用。該同步電機(jī)勵磁柜的軟硬件設(shè)計(jì)步驟和方法如下：

一 同步電機(jī)勵磁柜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了滿足同步電機(jī)起動、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)的自動化水平。本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。

顯示電路采用西門子的TD200來完成，一是參數(shù)設(shè)置，如投勵時(shí)刻、后備投勵、強(qiáng)勵時(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、正常投勵、后備投勵；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、勵磁超限。全部采用漢字顯示。

1.1 啟動回路

（1）起動時(shí)滅磁繼電器接點(diǎn)CJll、CJ22閉合，使同步電機(jī)在異步驅(qū)動狀態(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)半周是對稱的。有效地消除了傳統(tǒng)勵磁屏在同步電機(jī)異步啟動過程中轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電流正負(fù)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(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）起動前，人為按下ANl、AN2可以實(shí)驗(yàn)滅磁回路。

1.2  投勵控制

同步電機(jī)的投勵過程控制是一個(gè)非常重要的問題，主要表現(xiàn)為對投勵時(shí)間和投勵角度的選擇上。理想的投勵時(shí)間是指當(dāng)電機(jī)異步啟動到亞同步速時(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。滿足兩者條件時(shí)，勵磁繞組產(chǎn)生同步力矩，使電機(jī)盡早進(jìn)入同步。

在檢測電路中，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，完成投勵，常見有兩種投勵方式： 

（1）按照"準(zhǔn)角強(qiáng)勵整步"的原則設(shè)計(jì)，并具有強(qiáng)勵磁整步的功能。

所謂準(zhǔn)角度投勵，系指電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入臨界滑差，按準(zhǔn)角度投勵方式，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 

若滑差投勵不成，即達(dá)不到設(shè)定的滑差值，可按預(yù)定的后備投勵時(shí)間和準(zhǔn)角度方式投勵。后備投勵時(shí)間的大小，通過面板按鍵菜單操作任意設(shè)定。

1.3   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。

為了滿足同步機(jī)各種工況的要求，運(yùn)行過程中的勵磁電流控制模式分為：恒勵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，勵磁電流由霍爾元件LEM塊檢測勵磁電流得到。三個(gè)模擬信號送入 PLC的模擬輸入端。

1.4  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、勵磁電流超限等。

1.4.1 失步監(jiān)測

失步保護(hù)采樣信號，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。此信號經(jīng)放大、變換，光耦隔離后輸入PLC，對其波形特征進(jìn)行分析，判斷電機(jī)是否失步。當(dāng)發(fā)生帶勵失步時(shí)，首先應(yīng)切斷勵磁，識別后判斷是報(bào)警還是再整步運(yùn)行。

1.4.2 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。

1.4.3 滅磁晶閘管誤導(dǎo)通

在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，偶爾會出現(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。

檢測附加電阻RFl、RF2兩端的電壓信號，經(jīng)過比較判斷，將結(jié)果送入PLC，進(jìn)行聯(lián)鎖和報(bào)警。

1.4.4 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(dá)到設(shè)定時(shí)間后，報(bào)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(jī)。

1.4.5 輔助控制環(huán)節(jié)

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。

②勵磁控制

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)勵信號，可達(dá)到正常勵磁電流的1.4倍，進(jìn)行強(qiáng)勵，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)勵信號，以防轉(zhuǎn)子繞組過熱。

強(qiáng)勵時(shí)間為10-14s，具體時(shí)間人機(jī)界面設(shè)定。

二  同步電機(jī)勵磁柜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

同步電機(jī)勵磁，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。

2.1  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)。

2.2  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器，以便調(diào)用。

2.3  實(shí)時(shí)處理程序

2.3.1  投勵模塊

（1）一是正常投勵：智能監(jiān)測轉(zhuǎn)子滑差，在主機(jī)起動后，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），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，此時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓及電流接近于零，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流方向與勵磁裝置輸出電流方向一致，投勵最為容易，有利于將電機(jī)迅速牽人同步，完成正常投勵。

（2）二是后備投勵：若正常投勵不成功，在主機(jī)起車后，開始記時(shí)，若記時(shí)到后備投勵設(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，完成后備投勵。

2.3.2勵磁調(diào)節(jié)模塊

 （1）一是恒定勵磁調(diào)節(jié)模式，將勵磁給定信號和勵磁電流反饋信號經(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；

（2）二是恒定無功功率調(diào)節(jié)模式，將勵磁給定信號和無功電流反饋信號經(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。

2.3.3  晶閘管故障檢測模塊

如果勵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。總之，正常情況下，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，會引起帶勵失步，若不及時(shí)處理必將事故擴(kuò)大。

2.3.4  失步檢測模塊

將失步信號整形后送人PLC，測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立即封鎖投勵控制信號，同時(shí)滅磁繼電器復(fù)位，使電機(jī)進(jìn)入異步驅(qū)動階段，然后電機(jī)轉(zhuǎn)速自動上升，待進(jìn)入臨界滑差后，勵磁裝置自動投勵，按準(zhǔn)確強(qiáng)勵對電機(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)出跳閘信號動作于跳閘回路。液晶顯示屏顯示"失步"或"整步失敗"，按復(fù)位鍵復(fù)位。

2.3.5  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)檢測信號，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)警信號送人PLC，依據(jù)壓風(fēng)機(jī)的具體要求實(shí)現(xiàn)連鎖。