1 引 言
勵磁系統是同步電動機中最核心、最主要的且成部分之一。長期以來同步電動機勵磁裝置技長性能不完善，導致同步機損壞，成為影響生產的安全、連續及穩定運行的制約環節。
隨著可編程控制器（PLC）技術的發展，以微型PLC為核心、功能更加完善的勵磁控制系統的出現成為可能。該系統接線簡單、控制功能豐富、可配置漢顯的人機界面、價格適中、適合於惡劣的工業環境。採用PLC技術，首先克服同步機所配老式晶閘管勵磁裝置（俗稱可控硅勵磁裝置）技術性能不完善；充分發揮PLC的作用，使控制系統更為人性化。
2 同步機勵磁裝置的功能
同步電動機的勵磁裝置主要有三個方面的作用，一是完成同步機的非同步啟動並牽入同步運行；二是在牽入同步以後勵磁電流的調節控制；三是監控系統故障，確保同步機安全運行。
2．1 勵磁裝置在啟動過程中的作用
在非同步啟動的過程中，勵磁裝置保證啟動迴路具有良好的非同步驅動特性，避免非同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，准角度投勵，勵磁繞組產生同步力矩，使電機儘早進入同步。
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）恆勵磁電流模式：適合於負載恆定工況，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）恆無功功率模式：適用於電網負載不斷變化，同步機向電網提供恆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
同步電機在正常運行過程中，不可避免地會受到各種各樣的擾動，就會引起電機失步，造成生產中斷和設備損壞的嚴重事故。勵磁裝置能檢測，同步機的失步，識別後判斷是報警還是再整步運行，既保障設備的安全性，又保持運行連續性。
同樣，勵磁裝置在正常運行過程中，自身也會受到各種干擾，造成可控整流器缺相或失控、滅磁晶閘管誤導通、熔斷器故障、勵磁電流超限等故障。當出現上述故障，勵磁裝置識別後報警或跳閘，以保證勵磁裝置的安全運行。
3 系統硬體設計
為了滿足同步機起動、運行和故障監控的要求，同時便於將機械設備的控制櫃與勵磁裝置融為一體，減小體積、增強控制功能、提升原來系統的自動化水平。本勵磁裝置主控制器採用西門子微型可編程序控制器S7-200，並使用成熟的晶閘管的觸發電路TC787。
顯示電路採用西門子的TD200來完成，一是參數設置，如投勵時刻、後備投勵、強勵時間；運行模式選擇。二是工作狀態顯示，如實驗投勵、正常投勵、後備投勵；運行模式。三是故障顯示，如失步、整步失敗、晶閘管故障、滅磁晶閘管誤導通、熔斷器故障、勵磁超限。全部採用漢字顯示。
3．1 啟動迴路
（1）起動時滅磁繼電器接點CJll、CJ22閉合，見同步電機起動迴路圖2，使同步電機在非同步驅動狀態時，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非同步啟動過程中轉子迴路感應電流正負半周不對稱現象，避免了非同步啟動過程中所存在的脈振現象，具有良好的非同步驅動特性。
（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，並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可以實驗滅磁迴路。
3．2 投勵控制
同步電動機的投勵過程式控制制是一個非常重要的問題，主要表現為對投勵時間和投勵角度的選擇上。理想的投勵時間是指當電機非同步啟動到亞同步速時，即轉速達到同步速的95％-98％之間；准角度投勵是指在轉子感應電流的過零點，即從負半周到正半周的零點準確投勵。滿足兩者條件時，勵磁繞組產生同步力矩，使電機儘早進入同步。
轉子兩端的電壓經電阻R12、R11、二極體D7后，在穩壓管Z7兩端得到了近似的矩形波，經過光耦TPl送人PLC。經過計算和判斷後，PLC輸出點PLCDO控制光耦TP3，控制TC787的5腳，當其為低電位時，輸出6路觸發信號，完成投勵，
有兩種投勵方式：
（1）按照"准角強勵整步"的原則設計，並具有強勵磁整步的功能。所謂准角度投勵，系指電機轉速進入臨界滑差，按准角度投勵方式，這樣電機進入同步時輕鬆、快速平滑無衝擊。投勵時刻的滑差大小，通過面板按鍵菜單操作任意設定
2）後備投勵
若滑差投勵不成，即達不到設定的滑差值，可按預定的後備投勵時間和准角度方式投勵。後備投勵時間的大小，通過面板按鍵菜單操作任意設定。
3. 3 勵磁電流控制
三相晶閘管移相觸發電路選用TC787，經三極體后，驅動6路脈衝變壓器，輸出為調製脈衝列，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腳外接電容用於調節脈衝列的頻率；12、11、10、9、8、7輸出六相脈衝，分別與T1、T2、T3、T4、T5、T6六個三極體的基極連接。三極體驅動脈衝變壓器，其二次經整流二極體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。
為了滿足同步機各種工況的要求，運行過程中的勵磁電流控制模式分為：恆勵磁電流模式和恆無功功率模式。因此選用了模擬量模塊與S7-200配合使用，構成單閉環控制系統。勵磁給定值由外接電位器提供，無功電流由無功電流轉換器提供，勵磁電流由霍爾元件LEM塊檢測勵磁電流得到。三個模擬信號送入PLC的模擬輸入端。
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
失步保護採樣信號，來自串接在轉子勵磁迴路的分流器兩端的不失真毫伏信號。此信號經放大、變換，光耦隔離后輸入PLC，對其波形特徵進行分析，判斷電機是否失步。當發生帶勵失步時，首先應切斷勵磁，識別後判斷是報警還是再整步運行。
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：脈衝丟失、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
在實際運行當中，偶爾會出現滅磁晶閘管誤導通，引起附加電阻加熱，經過一段時間后，造成控制櫃內的控制線烤焦、進而發生電氣短路事故。
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。
3.5 輔助控制環節
3.5.1 停車后逆變控制
當同步機停車或故障跳閘時，PLC發出指令使三相全控整流橋晶閘管1KGZ-6KGZ的控制角變為140°，可控整流橋工作在逆變狀態，不致因同步機停車時轉子電感放電造成續流或顛覆而燒壞元件。
當電網電壓下降到整定值，一般為80％時，PLC發出強勵信號，可達到正常勵磁電流的1.4倍，進行強勵，以防止同步機失步，10s鍾后，若電網電壓不回升，PLC撤消強勵信號，以防轉子繞組過熱。
強勵時間為10-14s，具體時間人機界面設定。
4 系統軟體設計
同步機勵磁，PLC它的軟體主要由三大部分組成：主控程序、顯示及設置程序、實時處理程序。
4.1 主程序
主要完成PLC的各種參數的初始化，子程序的調用、及系統的主要監控環節。
4.2 顯示及設置程序
依據系統程序調用漢顯內容的使能位，顯示有關內容；將設置的內容存放在指定的存儲器，以便調用。
4.3 實時處理程序
4.3.1 投勵模塊
一是正常投勵：智能監測轉子滑差，在主機起動后，通過計算轉子滑差的變化來開放相應的功能（如投全壓、投勵），即轉子頻率為5Hz時，發出投全壓指令；當轉子頻率為2.5Hz時，選擇在"感應電壓順極性尾端過零點"的時刻投勵，此時，轉子感應電壓及電流接近於零，轉子感應電流方向與勵磁裝置輸出電流方向一致，投勵最為容易，有利於將電機迅速牽人同步，完成正常投勵。
二是後備投勵：若正常投勵不成功，在主機起車后，開始記時，若記時到後備投勵設定時間，同樣選擇在"感應電壓順極性尾端過零點"的時刻投勵，完成後備投勵。
4.3.2勵磁調節模塊
一是恆定勵磁調節模式，將勵磁給定信號和勵磁電流反饋信號經模擬量輸人模塊送人PLC進行數字PID運算，通過模擬量輸出端控制晶閘管移相觸發電路；
二是恆定無功功率調節模式，將勵磁給定信號和無功電流反饋信號經模擬量輸入模塊送人PLC進行數字PID運算，通過模擬量輸出端控制晶閘管移相觸發電路
4.3.3 晶閘管故障檢測模塊
如果勵磁整流波頭相互比較，寬度誤差大於10％，報警；如果波頭相互比較誤差大於20％，或周期內缺一個波頭，而且時間超過1 min，停機並報警。總之，正常情況下，三相全控橋的整流波形在一個周期，有六個波頭，而且，每個波頭幾乎相同。不符合此標準者，被認為故障，會引起帶勵失步，若不及時處理必將事故擴大。
4.3.4 失步檢測模塊
將失步信號整形後送人PLC，測量矩形的寬度和頻率，與設定值比較，達到者被認為失步。當電機失步后，PLC立即封鎖投勵控制信號，同時滅磁繼電器複位，使電機進入非同步驅動階段，然後電機轉速自動上升，待進入臨界滑差后，勵磁裝置自動投勵，按準確強勵對電機實施整步，使電機恢復到同步狀態。如整步失敗，PLC發出跳閘信號動作於跳閘迴路。液晶顯示屏顯示"失步"或"整步失敗"，按複位鍵複位。
4.3.5 故障連鎖模塊
同步機的負載以壓風機為例來說，把壓風機的保護檢測信號，如軸溫、一排溫度、二排溫度、一排壓力、二排壓力、冷卻水壓等等報警信號送人PLC，依據壓風機的具體要求實現連鎖。
5 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。
（1）同步機勵磁裝置PLC控制器，與單片機控制器相比較，研製周期短，整個系統成本小、功能強大，配置漢顯的人機界面、適合於惡劣的工業環境。
（2）便於將機械設備的控制櫃與勵磁裝置融為一體，減小體積、增強控制功能、提升原來系統的自動化水平。
