（电气工程专业论文）基于plc的同步电动机励磁控制系统的开发及应用研究.pdf

华北电力人学工程硕士专业学位论文 1 $ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 m l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 、t17 9 716 9 摘要 同步电动机励磁控制装置是保证同步电动机可靠、稳定运行的重要环节。针对呼和 浩特炼铁厂机电车间空压机同步电动机原励磁控制系统，采用模拟插件控制方式，存在 工作不稳定，线路繁杂，故障率高，调试困难等问题，确定了在空压机电控系统改造项 目中，采用基于p l c 励磁控制装置的改造方案。 本文阐述了以s i e m e n ss 7 2 0 0 p l c ( 西门子小型p l c ) 为控制核心，由三相可控硅触 发控制板、相应检测元件和文本显示器组成的同步电动机励磁控制装置的硬件配置和软 件设计。该系统充分利用p l c 强大的控制功能，丰富的指令和硬件资源，实现了同步 电动机励磁系统控制功能。 关键词： 同步电动机，励磁，p l c ，控制环节 a b s t r a c t e x c i t a t i o nc o n t r o le q u i p m e n to fs y n c h r o n o u sm o t o ri sa l li m p o r t a n tu n i tt oe n s u r e r e l i a b l ea n ds t e a d yf u n b e c a u s et h eu s u a le x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs y n c h r o n o u sm o t o r w h i c ha d o p t e da n a l o gp l u gc o n t r o li t nh o h h o ti r o n w o r k s ，i sm a c u l a rw i t hu n s t a b l es t a t u s ， c o m p l i c a t e dc i r c u i t r y , h i g hm a l f u n c t i o na n dd i f f i c u l td e b u g g i n g , t h ee l e c t r i cs y s t e mr e f o r mo f a i r - p r e s s e ra d o p tt h em e t h o do fe x c i t a t i o nc o n t r o le q u i p m e n tb a s e do np l c t h i sp a p e rs h o w sh a r dc o n f i g u r ea n ds o f td e s i g no fe x c i t a t i o nc o n t r o le q u i p m e n tb a s e d o nc o n t r o lc e n t e rs i e m e n ss 7 - 2 0 0p l c w h i c hc o n s i s t so fm u l t i f u n c t i o n a l3p h a s e st h y r i s t o r t r i g g e r i n gc o n t r o lb o a r d ，i n s p e c te l e m e n ta n dt e x td i s p l a y t h ee x c i t a t i o nc o n t r o le q u i p m e n t u t i l i z e ss t r o n gc o n t r o lf u n c t i o n ，a b u n d a n ti n s t r u c t i o na n dh a r ds o u r c eo fp l cf h l l y i tr e a l i z e a n d p e r f e c t t h et o t a ld e s i g np r o j e c to fe x c i t a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n x ux i a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a ix i n k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o r , e x c i t a t i o n ，p l c ，c o n t r o la n 窀f； i ，1 一 _ ， 华北电力人学：f 程硕十专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的来源、目的和意义1 1 2 同步电动机励磁控制装置的作用1 1 3 国内同步电动机励磁装置现状2 1 3 1 模拟励磁控制系统。2 1 3 2 数字式励磁控制系统4 1 4 问题的提出5 1 5 本文的主要工作5 第二章同步电动机起动与励磁控制装置的作用7 2 1 同步电动机的起动7 2 2 同步电动机励磁装置的工作原理8 2 3 同步电动机励磁装置的作用9 2 3 1 励磁装置在起动过程中的作用9 2 3 2 励磁装置在运行过程中的作用1 0 2 3 3 励磁装置的监控作用1 1 第三章k g l f 1 0 系列励磁装置的缺陷12 3 1k g l f 1 0 励磁装置使用情况1 2 3 2k g l f 1 0 型励磁装置的主要缺陷1 2 3 2 1 灭磁回路不合理1 2 3 2 2 无可靠的失步保护1 4 3 2 3 可靠性低，调试困难，维护量大1 6 第四章基于p l c 的励磁控制系统总体设计。17 4 1 主要硬件的选择1 7 4 1 1p l c 的选择1 7 4 1 2 可控硅触发控制板的选择1 9 4 1 3 人机界面的选择2 0 4 1 4 检测组件选择2 0 i 一 l f h e j 。， 华北电力大学一i ：程硕士专业学位论文 4 2 主要功能的实现2 0 4 2 1 灭磁环节2 l 4 2 2 检测环节2 2 4 2 3 滑差计算环节2 4 4 2 4 投励环节2 5 4 2 5 灭磁可控硅监控2 6 4 2 6 励磁电流调节2 6 4 2 7 失步判断2 6 4 2 8 温度、压力等模拟量处理2 7 4 2 9 其它环节2 7 4 3 软件设计2 7 4 3 1p l c 中p i d 算法及相关处理2 7 4 3 2 基于p l c 的励磁控制系统流程图3 l 第五章结论3 7 参考文献3 8 致谢。4 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 1 ，h 华北电力人学r t 程硕士专业学位论文 1 1 课题的来源、目的和意义 第一章绪论 本课题来源于呼和浩特市炼铁厂机电车间，对8 台空压机的原动机5 5 0 k w 同步 电动机的励磁控制系统进行技术改造。解决同步电机在运行中原控制系统中所出现 的三相电流不平衡，励磁电流、电压不稳定、整定参数偏移等一系列问题。用p l c $ 7 - 2 0 0 对其进行控制，便于以后的集中管理和集中控制，并且易于排除故障。 本课题由于采用功能强大的p l cs 7 2 0 0 ，使得我厂机电车间励磁控制更加完 善，保护更加可靠，减少由于故障停车的概率，对提高经济效益有重要意义。 1 2 同步电动机励磁控制装置的作用 电动机一般分为两大类：同步电动机和异步电动机。众所周知，无论在工业、 农业、生产部门中还是家电设备中，异步电动机作为原动机被广泛的运用。这是由 于它的结构简单，成本低廉，而且坚固耐用，维护方便；另外，异步电动机的效率 高，机械特性较软。但是由于异步电动机本身没有外加励磁，它要从系统中吸收感 性的无功功率来建立磁场，这使得异步电动机的励磁无功在企业总的无功需求量中 占很大比重，异步电动机的广泛应用会使系统的功率因数降低。如果系统的无功不 足，便造成系统电压下降。在这点上，同步电动机具有绝对的优越性。同步电动机 具有功率因数可以超前、运行稳定性好、运行效率高和转速不随负载而改变、转速 稳定、单机容量较大、可调节电网功率因数、支持电网电压和可向电网回馈无功等 特点，因此同步发电机的运用越来越广泛。特别在大型企业中，同步电动机一般拖 动球磨机、棒磨机、空压机、大型风机和泵类等负载，是企业生产中长期运行的重 要设备。 励磁装置是保证同步电动机稳定、可靠运行的重要环节，一旦励磁装置发生故 障导致停机将影响生产的连续运行，给企业造成经济损失。实践表明，励磁装置故 障是导致停机和同步电动机损坏的主要原因。所以，同步电动机励磁控制系统的控 制功能是否完善，运行是否稳定、可靠，对于同步电动机的安全运行非常重要。 同步电动机一般为异步启动方式，当电机转速达到贬同步，即同步转速的 9 5 一9 8 时，由励磁装置供给励磁，然后拉入同步。根据同步电动机的特点和运 行工艺要求，同步电动机励磁控制系统的主要功能有：检测同步电动机转子滑差， 适时进行投全压( 如果有降压启动) 和投励，牵入同步运行，运行中完成励磁调节 ( 恒励磁电流、恒无功及恒功率因数调节) ，灭磁保护，实时故障检测及处理，与 高压开关柜及系统运行工艺的联锁保护等，从而保证同步电动机安全运行。 华北电力大学_ t 程硕士专业学位论文 同步电动机损坏主要表现在：定子铁芯松动，定子绕组端部绑线崩断，绝缘损 坏，连接处开焊，进而引起短路，转子励磁绕组接头处产生裂纹、开焊，励磁绕组 过电压损坏绝缘，转子磁级的燕尾楔松动，起动绕组笼条变形、断裂，电刷滑环松 动，电机运行中噪声增大等。 励磁装置本身故障主要表现在：整流可控硅因过电压击穿，快速熔断器熔断， 灭磁电阻发热，以及表现在电动机启动时电机振动剧烈、电流冲击大、牵入同步困 难、运行不稳定等方面。 l - 3 国内同步电动机励磁装置现状 目前在国内工矿企业运行的同步电动机励磁控制装置按控制方式大致可分为 模拟控制方式和数字控制方式。 1 3 1 模拟励磁控制系统 其模拟励磁控制系统主要有以下几种： 1 ) 直流励磁机励磁系统 这种励磁系统用直流发电机作为励磁电源，而直流发电机则有同步发动机转子 直接带动，或者单独由交流异步电动机拖动，其原理图如图1 1 所示。这种励磁系 统使用历史最长，在制造、运行等方面已有较丰富的经验，工作比较可靠。但由于 这种系统结构庞大复杂，调节励磁的反应速度慢，且直流励磁机受制造容量限制， 维护困难，效率也低，因此目前已经基本被淘汰。 图1 1 直流励磁机励磁系统原理图 2 ) 硅整流励磁系统 随着电子器件的不断发展，同步电动机励磁系统逐渐采用硅整流励磁系统。这 种励磁系统采用硅整流器( u ) 把交流变为直流，取消了有旋转部件的直流励磁机， 因而大大提高了效率，降低了损耗，减小了维护工作量。但是，在实际调节控制上， 与直流励磁机励磁系统是一样的，即仍采用复杂、笨重的继电器解除系统。在手动 华北电力大学工程硕士专业学位论文 调节励磁电流时，也需要操纵笨重的自耦变压器。因此，它只是一种过渡性励磁系 统，其原理图如图1 2 所示。 图1 2 硅励磁系统原理图 3 ) 可控硅励磁调节系统 在可控硅元件产生后同步电动机的励磁系统有了突飞猛进的发展，图1 3 为可 控硅励磁系统的原理框图。励磁系统有整流器变压器( t ) 、可控硅整流桥( u ) ，灭 磁装置及自动励磁调节器( v a r ) 等组成。 可控硅励磁系统具有以下特点： 1 ) 励磁供电电源的主电路采用三相桥式整流电路，其输出和电机励磁绕组采 用固定接线，从而保持了同步发电机固有的起动特性。 2 ) 与同步电动机定子回路没有直接的电器联系，因此同步电动机可以根据电网 情况设计成为高压3 、6 、1 0 k v 或低压3 8 0 v ，且全压起动或降压起动不受限制。 3 ) 对于全压起动，在转子的转速达到亚同步速时，可自动地按照转子滑差为 5 一3 顺极性投入励磁，把同步电动机牵入同步运行。 4 ) 对于降压起动，当其转速达到同步转速的9 0 左右时，自动切除降压起动器， 并自动投入全电压使同步电动机继续加速至亚同步转速，并按转子滑差5 3 顺 极性投入励磁，使同步电动机拖入同步运行。 5 ) 交流电网电压波动时，具有电流负反馈环节从而自动保持基本恒定励磁。在 电网电压下降至某一百分比时，实现强行励磁，强励电压倍数为1 2 一1 8 倍容许强 励时l 日j 不超过1 0 s 。 6 ) 启动和停机时能自动灭磁。电动机异步运行( 起动或失步) 时，具有灭磁保 护，保证同步电动机转子绕组及可控硅元件不被感应过电压击穿。 7 ) 可方便调节励磁电压、电流，从而进行功率因数调整，其调节范围为额定值 的1 0 一1 7 。 8 ) 电动机正常或事故停机时，可控硅整流桥将变为逆变状态工作，从而使转子 顺利灭磁。 华北电力火学工程硕士专业学位论文 图1 3 励磁系统原理图 现在模拟控制方式励磁装置中，其代表产品为k g l f 型系列可控硅励磁控制装 置，该励磁装置在上世纪8 0 9 0 年代是国内同步电动机励磁控制系统的主要配套产 品。其控制部分采用分立模拟单元插件结构，分立单元插件有投励插件、触发插件、 脉冲移相插件、附加插件等，主回路一般采用可控硅三相全控桥整流方式。 由于模拟器件参数易受现场环境影响，尤其在恶劣工作环境下，长时间工作， 元器件参数发生变化，整定参数偏移，致使系统工作可靠性差，同步电动机起动困 难，运行不稳定，经常出现故障停机，直接影响企业正常生产。此外k g l f 系列励 磁装置调试困难，维护量大，维护成本高，缺少通讯功能，已经不能适应工厂自动 化生产的需要。目前呼和浩特炼铁厂该系列控制装置运行已近十年，设备老化，处 于事故高发期，是设备更新改造的对象之一。 1 3 2 数字式励磁控制系统 当前，以单片机为控制核心的数字式励磁装置成为主流产品，使同步电动机励 磁装置控制性能有了很大的提升。国内诸多专业制造商，对于励磁装置技术丌发的 特点各有侧重，各有特色，但其共同点是向数字化方向发展，数字式励磁控制装置 具有如下特点： 1 ) 硬件结构简单可靠。调节器由专用的高速可编程控制器或高速微处理器及 必要的输入输出电路构成，省掉了大量的逻辑控制继电器，而且易于采用冗余容错 硬件结构方式，其可靠性大大提高。 2 ) 通过软件实现各种调节控制功能。励磁调节计算、逻辑控制、励磁控制功 能等可由软件实现，还可以实现多种调节规律的选择切换。 3 ) 人机交互界面友好，维护方便。励磁系统的现场调节和人机接口国内外基 本都采用小键盘和l e d 或l c d 显示器和触摸屏。正常运行时显示励磁系统的一些 常规测量数据，如机组电压、无功功率、转子电压、电流、温度等参数。此外，对 励磁系统的各种故障进行监视，进行参数的设置。 4 ) 较强的通讯功能。为了方便地实现励磁系统与计算机监控系统的控制及数 据交换，可根据用户的要求设置串行通讯或网络通信接口。便于在远方了解励磁系 华北电力大学工程硕士专业学位论文 统的运行情况，还可对励磁系统的参数进行修改和设置，实现集中操作、集中管理。 随着微机技术的发展，可编程控制器p l c 得到进一步发展，其运算速度、数据 处理能力和控制功能都有极大提高和完善，有丰富的指令和内置的集成功能，运行 稳定，具有极高的可靠性和抗干扰能力，具有开放的通讯协议，可以完成复杂的控 制功能，是当代工业自动化的主要设备之一，在各行业得到广泛应用。p l c 编程 软件面向工程技术人员，易于掌握。所以采用p l c 进行系统开发是不错的选择。 1 4 问题的提出 呼和浩特炼铁厂机电车间空压机室共有8 台空压机，是炼铁厂重要的动力设备。 其原动机均为5 5 0 k w 同步电动机，定子电压6 0 0 0 v ，定子电流6 3 2 a ；励磁电压 6 8 v ，励磁电流1 7 6 a ，为长期运行方式。励磁控制装置为k g l f 1 0 型，分立单元 模拟控制方式，插件式结构。该空压机系统按工艺要求，具有润滑油压力、冷却水 压力及排气温度检测报警保护，分别由相应仪表完成参数显示，润滑油压力、冷却 水压力过高或过低及排气温度过高都要求跳车，并发出报警信号，保护设备运行安 全。值班人员定时巡检，记录系统运行相关参数。 该系统存在的问题：励磁装置调试困难；触发脉冲对称度差，导致三相电流不 平衡；元器件老化，整定参数偏移，励磁控制不稳定；转子滑差检测不准确，过早 投励，造成电机起动时脉振剧烈；投励时有很大的冲击声，电机牵入同步困难；灭 磁可控硅投励后不能及时关断且时常误导通，造成外接灭磁电阻发热；励磁装置分 立插件故障率高，故障不易查找难于排除，维护困难，严重影响企业生产的顺利进 行。 基于以上原因，对该励磁控制系统进行技术改造，先期改造两套。要求提高同 步电动机励磁装置运行的可靠性；提高灭磁环节和投励环节性能，消除电机起动过 程中的脉振、投励时的冲击；解决运行中原控制系统经常出现三相电流不平衡，励 磁电流、电压不稳定等问题；完善系统保护功能；简化线路，便于维护；具有网络 通讯功能，便于以后集中控制和管理。 鉴于上述情况，确定以s 7 2 0 0p l c 为核心的控制方案，充分利用p l c 强大的 控制功能和数据处理能力，丰富的硬件资源和指令集，实现并完善励磁系统控制功 能，优化空压机运行工艺以达到系统更新改造的目的。 1 5 本文的主要工作 本文是在针对呼和浩特炼铁厂机电车间空压机励磁系统的改造项目背景下完 成的，第一章介绍同步电动机励磁装置的重要性和实践中经常遇见的故障现象。第 二章叙述了励磁装置的作用和工作原理；第三章分析了k g l f 系列可控硅励磁控制 装置的缺陷；第四章针对呼和浩特炼铁厂机电车间空压机同步电动机励磁控制系统 华北电力大学j r 程硕士专业学位论文 存在的问题，确定了基于p l c 的同步电动机励磁控制系统技术改造方案，叙述了改 造方案的总体设计，以及控制功能的实现。第五章对本文的工作进行总结。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章同步电动机起动与励磁控制装置的作用 2 1 同步电动机的起动 同步电动机只有在恒定的转速下才能产生恒定的同步电磁转矩。如果在电动机 起动时直接投入励磁，这时定子绕组产生的磁场以同步转速旋转，产生旋转磁场， 而转子仍处于静止状态，在气隙中产生静止的转子磁场。这说明电动机不产生起动 转矩，必须借助其它方法起动。在工程运用中，常用的起动方式有：辅助电动机起 动、变频起动、异步起动等。根据同步电动机的容量、负载性质和电网等情况的不 同，同步电动机由异步起动至转速达到亚同步转速的过程中，可以采取直接全压起 动或降压起动两种方式。 同步电动机的异步起动又称感应电机方式起动，是目前采用的最为广泛的一种 起动方法。在磁极表面上设有类似感应电动机笼型导条的短路绕组，称它为起动绕 组。在起动时，电压加在定子绕组，在气隙中产生旋转磁场，如同感应电机工作原 理一样。这个旋转的磁场将在转子上的起动绕组中感应电流，此电流和旋转磁场相 互作用产生转矩，所以同步电机按照感应电机原理转动起来。待转速上升到接近同 步转速时，将励磁绕组和直流电源接通，这时在转子上增加了一个频率很低的励磁 转矩，转子磁场与定子磁场间的相互吸引力便能把转子拉住，使它跟着定子旋转磁 场以同步转速旋转，即所谓牵入同步。所以同步电动的起动可以分为两个阶段： ( 1 ) 首先按感应电动机方式起动，使转子转速接近于同步转速； ( 2 ) 加直流励磁，使转子拉入同步； 同步电动机按感应电机方式起动时，励磁绕组绝对不能丌路。因为励磁绕组的 匝数一般较多，起动时转差较大，旋转磁场切割励磁绕组会在其中感应出危险的高 压电，从而使励磁绕组的绝缘击穿或引起人生安全事故等危险。同时，在励磁绕组 开路的情况下起动时，其牵入同步的转矩也较低，这对起动不利。如果将励磁绕组 直接短路则无过电压危险，且牵入同步转矩也较高，但在励磁绕组上感应出较大的 附电流，此电流产生的磁场与定子磁场相互作用，将产生较大的单轴转矩，使电动 机合成转矩在o 5n ( n 为电动机的同步转速) 附近气隙明显的凹陷，起动特性变差， 出现最小转矩瓦i n ，若起动时的负载转矩? 大于2 二i n ，这样就有可能使异步起动过 程中，只能在o 5 n 近旋转，而不能加速接近同步转速，使异步起动失败。由此可见， 为了消除合成起动转矩曲线出现的凹陷状，必须削弱励磁电流产生的单轴转矩，通 常在励磁回路中串接适当的电阻，此电阻的阻值一般为5 1 0 倍的励磁绕组。 华北电力人学工程硕士专业学位论文 2 2 同步电动机励磁装置的工作原理 同步电动机励磁系统一般由整流变压器、可控硅三相整流桥、灭磁回路、可控 硅触发控制单元及检测单元组成。整流桥多采用三相半控桥和三相全控桥形式。励 磁系统组成框图如图2 1 图2 1 励磁控制系统梃图 、 同步电动机的定子合闸，降压或全压起动后，同步电动机进入异步运行状态，通过灭磁 环节将励磁绕组经灭磁电阻短接，一方面降低励磁绕组在异步运行中产生的感应电势， 避免励磁绕组和整流可控硅受到过电压的击伤；另一方面，励磁绕组串接合适的电阻可 以减小起动过程中单轴转矩的影响，改善异步驱动特性。在此期间，触发电路脉冲被封锁， 整流桥不工作。当转速上升到一定值时( 同步转速的9 0 ) ，通过投全压环节，短接电动 机一次串联电抗器，全压运行；当电动机的转速达到亚同步转速时( 同步转速的9 5 ) 通过投励环节的作用，触发电路开启，输出脉冲送至晶闸管门极，整流桥输出直流电压，施 加于电动机的励磁绕组，同步电动机被牵入同步运行，起动完毕。 运行过程中通过励磁电流反馈和调节器的作用，使电动机励磁绕组电流保持恒定。当 电网电压下降到额定电压的8 0 以下时，控制单元给出强励磁信号，使电动机励磁电流( 或 电压) 增大到额定励磁电流的1 4 倍，避免电机失步。一般强励时问设为1 0 秒，一旦电 压恢复，强励切除，系统又恢复到原来的稳定状态。由于某些因素造成系统故障，如欠励 磁、失步、灭磁可控硅误导通、熔断器熔断等，励磁装置实时对系统故障监测及处理， 保证系统安全运行。 一s 华北电力大学_ 程硕十专业学位论文 同步电动机在正常停车或故障跳闸，定子回路断电后，励磁控制装置使触发电路延时 封锁脉冲。在此延迟时间内，三相全控桥进入逆变状态，使贮藏于励磁绕组中的大部分能 量回馈电网，保证电机绝缘和可控硅等器件不受过电压影响。 2 3 同步电动机励磁装置的作用 归结起来，同步电动机的励磁装置主要有三个方面的作用：一是完成同步机的异步 起动并牵入同步运行；二是在牵入同步以后进行励磁调节；三是监控系统故障，与高压 开关柜的联锁保护，确保同步机安全运行。 2 3 1 励磁装置在起动过程中的作用 在同步电动机异步起动的过程中，主要是灭磁环节和滑差检测及投励环节发挥 作用。 性能良好功能完善的励磁装置，保证电机在异步起动时具有良好的异步驱动特 性，避免异步起动过程中所存在的脉振现象，满足带载起动及再整步要求。同时应 避免转子励磁绕组感应过高的电压对元器件绝缘的影响。在异步驱动期间，励磁装 置实时检测转子滑差信号，适时发出投全压和投励信号，并保证投励时刻励磁电流 与绕组感应电流方向一致，顺极性投励，这样在励磁绕组中迅速建立起稳定的磁场 使同步电动机平滑、顺利地牵入同步。 励磁装置灭磁环节中灭磁电阻的选择对电机的起动性能有很大影响。同步电动 机转子上装设有起动绕组和励磁绕组。电机异步起动时，除起动绕组的起动力矩外， 励磁绕组和灭磁电阻构成回路，有电流通过，产生“单轴转矩”，也就是所说的“单 轴效应”。它对同步电动机的起动特性有不利的影响。同步电动机起动特性曲线如图 2 2 。 n 1 0 o 8 0 6 0 4 o 2 图2 - 2 同步电动机启动特性 图2 2 中曲线1 励磁绕组不串接电阻“单轴效应”最为显著，转速在半同步以上 时异步驱动转矩产生较大凹陷；曲线2 、3 为励磁绕组中分别串接五倍和十倍励磁 华北电力大学t 程硕十专业学位论文 绕组阻值的电阻，电机驱动特性趋于改善。灭磁电阻阻值若选择太小，在负载较重 时电机可能达不到亚同步转速；阻值选择太大，有可能造成过高的感应电势。根据 工程经验，灭磁电阻阻值一般选取为仁l o 倍左右的励磁绕组直流电阻阻值，电流 选取在1 5 的额定励磁电流值。 因此合理选择灭磁电阻可以减小单轴转矩的影响，改善同步电动机的异步驱动 特性。 2 3 2 励磁装置在运行过程中的作用 电机在运行过程中主要是对励磁的调节，电动机在同步运行过程中根据负荷情 况选择不同的励磁控制方式，励磁调节模式一般分为： 1 ) 恒励磁电流模式：同步电动机在此模式下运行，自动维持设定的励磁电流 不变，这种运行方式对励磁绕组和整流系统构成的小环是闭环的。恒励磁电流模式 适合于负载恒定工况，如通风机、水泵等。一般选取功率因数为超前0 9 5 。 2 ) 恒无功功率模式：适用于电机负荷变化较大的负载，避免对电网的无功冲 击。同步电动机向电网提供恒定的无功功率以补偿电网的功率因数，但同步电机的 功率因数是随着负载的变化而变化。 3 ) 恒功率因数方式：同步电动机在此模式下时，根据负荷及系统参数改变及 时调整触发脉冲的角度口，进而调整可控硅整流桥输出的励磁电流来保证设定的功 率因数不变。我们可以通过同步电机的v 形曲线如图2 3 ，可以看出，在一定负载 下，调节励磁电流大小可以改变电机功率因数，在过励时同步电机向电网回馈无功， 起到补偿无功功率的作用，这也正是同步电动机的优点所在。图2 3 中i 为电机定 子电流，i f 为电机励磁电流，曲线最低点功率因数等于1 。 o 图2 - 3 同步电动机v 形曲线 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 3 3 励磁装置的监控作用 励磁装置在运行过程中，可能会发生欠励、失步、灭磁晶闸管误导通、快速熔断器 熔断、励磁电流超限等故障，励磁装置可对这些故障实时监控，并发出报警或跳闸信号， 以保证励磁装置和电动机的安全运行。 励磁控制装置还应对设备的重要工艺参数进行监测显示，例如励磁电流、电压、润 滑油压力及温度、冷却水的压力等等。系统的故障和报警信息显示可指导现场操作人员 迅速判断故障原因并及时正确处理，方便维护，尽可能减少故障停机造成的损失。 当前，励磁控制装置还应具有开放的通讯协议，设备的运行信息以通讯的方式传至 集控室，由操作人员集中监控，满足工厂自动化的需要。 华北电力大学：【程硕十专业学位论文 第三章k g l f 1 0 系列励磁装置的缺陷 3 1k g l f 1 0 励磁装置使用情况 k g l f 型可控硅励磁装置在上世纪8 0 年代得到大量应用，该装置由灭磁、投全压、 投励、电压负反馈、逆变、触发脉冲、给定( 移相) 和无功补偿等模拟插件组成。通常 所带动的负载多数为大型风机、空压机、球磨机等，现场使用环境都比较恶劣，粉尘、 震动、高温、腐蚀等，造成插件接触不良、模拟元器件参数改变，导致励磁装置故障率 高，同步电动机时常损坏，给企业造成很大经济损失。 在内蒙地区同步电动机集中应用的厂矿，如东胜选矿厂球磨车间、氧气厂制氧车间、 钢铁厂烧结车间，以及呼和浩特炼铁厂机电车间空压机室等，仍然使用k g l f 系列可控 硅励磁控制装置。这些企业中同步电动机负载多为大型风机、压缩机、球磨机、空压机 等重要的生产设备。在运行现场故障处理过程中，我们发现故障停机的主要原因：滑差 测量不准确，灭磁回路不合理，电机振动剧烈，起动难度大；由于模拟元件容易受到环 境温度的影响，工作不稳定，发生失步：灭磁电阻误导通，发热等故障。同步电机损坏 的主要原因：转子励磁绕组接头处产生裂纹，丌焊；短路环开焊；局部过热考焦绝缘子； 转子线圈绝缘损坏；电刷滑环松动；定子铁芯松动，运行中噪声比较大等一系列故障现 象。 按照点击的正常使用寿命( 线圈) 应该在1 0 年左右的时间，根据所损坏的点击统 计，大多数电机的使用年限还不到6 年，有的运行2 3 年；有的电机刚修好，投入运行 5 个多月再次严重的损坏，本人在长期的现场事故调查中发现，导致电机大量损坏的主 要原因不在于电机本身，其根本的原因在于我们励磁装置出现问题。 3 2k g l f 1 0 型励磁装置的主要缺陷 3 2 1 灭磁回路不合理 同步电动机可控硅励磁装置主回路一般有三相半控桥和三相全控桥两种方式， 灭磁回路形式通常选用如下两种，见图3 1 和图3 2 ，这两种灭磁回路形式都存在 缺陷，起动过程中电机会产生剧烈震动，对电机造成损伤。 电机在起动过程中，电机转子励磁绕组内将感应一交变电势，对于半控桥励磁 回路，在图中可看剑，其正半波通过二极管z q 形成回路，产生+ i f ；而其负半波则 通过k q 及r f 回路，产生i f 。由于电路的不对称，形成+ i f 与i f 电流不对称，定子 电流也因此而强烈脉动，电机将遭受脉振转矩强烈震动。直到电机起动结束后震动 才消失，电机起动过程所受强烈脉振是电机损伤的重要原因之一。电机起动过程中 转子励磁绕组电压电流变化波形如图3 3 所示： 1 2 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 u f 图3 1 半控桥式励磁装置主回路 图3 2 全控桥式励磁装置主回路 图3 3 电机启动时半控桥励磁绕组波形 t t 对于全控桥励磁回路，随着电机转速的增加，滑差逐渐减小，转子线圈内感应 电势也逐步减小，当转速达到5 0 以上时，励磁回路感应电流负半波通路不畅，将 处于时通时断，似通非通状态；又由于感应电流负半波通路由两只可控硅k q l 、k q 2 串联，导致正负感应半波回路压降不同，这样也造成“f 与i f 电流不对称，因此同样 一1 3 - 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 形成脉振转矩，造成电机产生强烈震动，进而损坏电机。定子电流也会随着电机震 动而剧烈波动。图3 4 为定子电流脉振波形。 图3 4 电机起动过程中定子电流波形 电机起动过程投励时往往听到一声沉闷的冲击声，同时定子电流表指针抖动剧 烈，电机也剧烈震动，这是由于采用分立插件模拟控制方式的可控硅励磁装置工作 稳定性差，滑差检测不准确，投励时所选择的投励时刻不正确，导致电机受到冲击、 震动。 由于可控硅励磁装置本身存在的上述缺陷，使电机在每次起动过程中均遭受强 烈脉振，在投励时遭受冲击损伤，而且每次起动都使电机产生疲劳效应，并逐步累 积，发展成电机的内部故障。 上述电机起动过程中所出现的脉振，投励时受的冲击，是由于励磁装置灭磁回 路及投励环节设计不合理所造成，通过改善灭磁回路及选择合理投励时刻，起动过 程中的脉振和投励冲击现象完全可以消除。 3 2 2 无可靠的失步保护 k g l f 1 0 励磁装置没有可靠的失步保护，电机失步时通常电机定子电流增大且 波动剧烈，该励磁装置主要是利用定子侧过负荷及过电流保护来兼作失步保护。而 电机“过负荷”与电机“失步”是完全不同的两个概念。实践表明，用过负荷继电器兼 作失步保护，当电机失步时它不能可靠动作，有的虽能动作，但动作时延大大加长， 实际上起不到保护电机作用。 同步电机的失步事故可分为三类：即欠励失步、过励失步和断电失步。下图3 5 给出了同步电动机运行时的功角关系。 欠励失步是由于励磁系统的种种原因，使同步电动机的励磁绕组失去直流励磁 或严重欠励磁，转子磁场滞后旋转磁场很大角度，使同步电动机失去静态稳定，滑 出同步。 电动机发生欠励失步时，丢转不明显，定子电流过流不大，电机无明显异常声 音，g l 型过流继电器往往拒动或动作时间大大加长，因此欠励失步一般不能被值 1 4 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 班人员及时发现，导致电机发热，绝缘损伤。欠励失步主要会引起电机转子绕组， 尤其是起动绕组( 阻尼条) 过热、变形、开焊，甚至波及到定子绕组端部而且可能 造成励磁装置的损坏。 a b 图3 - 5 同步电动机功角关系 电机欠励失步时在转子回路还会产生高电压，造成励磁装置主回路组件损坏， 引起灭磁电阻发热，严重时甚至造成整台励磁装置烧坏。 图3 - 6 给出了同步电动机失步时转子回路电流的几种典型波形。 b e 二： j 雠眦a ! 塑塑壁塞鸳t k ：e ：逊趑丛雠幽堕曼墅塞笔宅 卜扒一 ( d ) l a t 步掇荡 图3 - 6 同步电动机励磁绕组几种典型电流波形 过励失步，是由于励磁装置故障或调节不当等原因造成励磁电流增大，转子磁 场超自订旋转磁场很大角度。电机在过励失步时，励磁电流及定子电流都很大并且产 生强烈脉振，有时甚至产生电磁共振和机械共振。过励失步大多引起电机产生疲劳 效应，并逐步积累和发展造成电机损坏。 断电失步是由于供电系统自动重合闸装置或备用电源自动装置动作，及人工切 换电源，使交流电机供电电源输送渠道短暂中断而导致。它对电机的危害是非同期 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 冲击。这种冲击的大小，与系统容量，线路阻抗，电源中断时间、负载性质，特别 是与电源重新恢复瞬间的电气分离角有关。 3 2 3 可靠性低，调试困难，维护量大 我们在处理k g l f 系列可控硅励磁装置各种故障时感到，其可靠性很低。例如， 灭磁环节不完善，经常出现灭磁可控硅k q 误导通，灭磁电阻发热；由于插件接触 不良，造成脉冲丢失，三相电流整流波形缺波。由于电位器、电容等元器件受温度 等环境因数的影响，整定值会发生偏移，导致励磁电流、电压不稳定，甚至造成电 机失励等故障。因此，电机运行的可靠性、安全性得不到保障。 k g l f 1 0 系列励磁装置采用分立插件式模拟控制方式，运行前的调试工作相当 繁琐，需要对每一个功能插件进行调整，如脉冲插件、电源插件、移相插件、投励 插件，附加插件等，需要用到多种试验设备如调压器、示波器、滑线变阻器等，需 要调整脉冲对称度，调整投励及全压插件的充放电时间对应投励时的滑差等，不仅 调试困难而且调整精度并不高。 综上所述，k g l f 1 0 系列同步机励磁控制装置，控制性能较差，功能不够完善 而且励磁装置已经在现场运行多年，处于事故多发期。要提高同步电动机运行的可 靠性，必须对原励磁装置进行技术改造，消除电机起动过程中的脉振、投励的冲击， 增强可靠的的失步保护，解决运行中原控制插件经常出现接插件接触不良、缺相、 丢波、三相不平衡、励磁电流电压不稳定、灭磁性能差，调试困难等问题。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第四章基于p l c 的励磁控制系统总体设计 针对呼和浩特炼铁厂机电车间空压站5 5 0 k w 同步电动机励磁控制系统改造项 目，在制定改造方案时，充分考虑工厂的实际应用情况，依据运行工艺，便于对生 产工艺进行集中控制，做到改造方案成熟、功能完善、运行可靠、维护简便。 根据励磁装置运行原理和空压机系统工艺，基于以下因素对系统进行设计。 1 ) 电机起动过程平滑、快速，完全消除采用老式励磁屏在电机异步暂态过程 中所存在的脉振，满足带载起动及再整步的要求。 2 ) 投励按照“准角强励整步”的原则设计，并具有强励磁整步的功能，电机拉入 同步的过程平滑、快速、可靠。设置后备时间投励环节，提高电机起动成功率。 3 ) 具有可靠的失步保护，发生失步时快速动作，避免电机受损伤。 4 ) 具有独立可靠的灭磁环节，灭磁可控硅分级整定。 5 ) 具有通讯功能，满足工厂自动化需要。 6 ) 设置人机界面，进行参数设置、显示，便于调试、维护。 7 ) 使用成熟可靠的可控硅触发控制板。 8 ) 将空压机系统相关压力温度等模拟信号集中处理，便于将空压机系统工艺控 制与励磁控制融为一体，减小体积、增强控制功能、提高控制灵活性，提升系统的 自动化水平。 9 ) 尽量降低维护成本费用。 4 1 主要硬件的选择 4 1 1p l c 的选择 p l c 可编程控制器：p l c 英文全称p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，即可编程逻 辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采 用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与 算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或 生产过程。目前，随着微处理器的发展，p l c 的性能和控制功能也在不断的提高和 完善，它适用于各行各业，各种场合中的检测、监控及其控制的自动化。根据成本 预算，在本控制系统中选择s i m e n sp l cs 7 2 0 0 系列，它有几个方面的优点： l 、极高的可靠性2 、极其丰富的指令功能3 、易于掌握4 、便捷的操作 5 、丰富的内存集成功能6 、实时性特性7 、强劲的通讯功能8 、丰富的扩展模 块 s 7 2 0 0 系统配置如下： 华北电力人学上程硕士专业学位论文 主机 模块i模块i i模块i i i 电源 - - - - )e m 2 3 5e m 2 3 1 e m 2 2 5 c p u z 2 4 a 1 4 - a 0 1 a 1 4 d 1 4 d 0 4 d c 2 4 vd c 2 4 vd c 2 4 v 图4 1p l cs 7 2 0 0 系统模块配置 1 、本系统选用c p u 2 2 4 d c d c d c 型s 7 2 0 0 p l c 为控制核心，其特点如下： 1 ) 集成的2 4 v 电源 可直接连接到传感器和变送器执行器，c p u 2 2 4 输出2 8 0 m a ，可用作负载电源。 2 ) 高速脉冲输出 具有2 路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达2 0 k h z ，用于控制步进电机或伺 服电机，实现定位任务。 3 ) 通信口 c p u 2 2 4 具有1 个r s 4 8 5 通信口。支持p p i 、m p i 通信协议，有自由口通信能 力。 4 ) 模拟电位器 c p u 2 2 4 有2 个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器( s m b 2 8 ，s m b 2 9 ) 中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制 参数。 5 ) 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 6 ) 数字量输入输出点 c p u2 2 4 具有1 4 个输入点和1 0 个输出点；主机的输入点为2 4 v 直流双向光电 耦合输入电路，输出有继电器和直流( m o s 型) 两种类型。 7 ) 高速计数器 c p u 2 2 4p l c 有6 个高速计数脉冲输入端( 1 0 0 - - 一1 0 5 ) ，最快的响应速度为 3 0 k h z ，用于捕捉比c p u 扫描周期更快的脉冲信号。c p u 2 2 4p l c 有2 个高速脉冲 输出端( q o 0 ，q o 1 ) ，输出频率可达2 0 k h z ，可用于p t o ( 高速脉冲束) 和p w m ( 宽度可变脉冲输出) 高速脉冲输出。 8 ) 扩展模块丰富 s 7 2 0 0 的扩展单元包括：数字量扩展单元，模拟量扩展单元，热电偶、热电阻 扩展模块，p r o f i b u s d p 通信模块等。用户选用具有不同功能的扩展模块，可以 满足不同的控制需要，节约投资费用，提高系统控制能力。 9 ) 可实现p i d 调节功能，通过p i d 设置向导可以方便的实现p i d 调节功能。 1 0 ) s 7 2 0 0p l c 编程软件可运行于w i n d o w s 操作系统，编程软件面向用户， 编程简便，便于程序调试，非常适合现场技术人员。 1 r 华北电力大学上程硕士专业学位论文 2 、扩展模块e m 2 3 5 其特点为： 1 ) 模块输入和输出电压 最大的输入电压3 2 vd c ，最大的输入电流3 2 m a ，在本系统中输入电压为2 4 v d c 。 2 ) 模拟量的输入输出 4 路模拟量的输入和1 路模拟量的输出，在本系统中输入为0 - 2 0 m a 的电流信 号，内置1 2 位a d 和d a 转换器，其转换时间小于2 5 0 p s ，数字格式为0 - - - 3 2 0 0 0 ； 输出为电流信号0 2 0 m a 。 3 ) 模块的工作温度 该模块的典型的工作温度为2 5 摄氏度，其电流输出的精度为满量程的正负5 ； 最坏的工作温度为5 5 摄氏度，其电流的输出精度为满量程的正负2 ，输出时间为 2 m s 。 3 、温度模块e m 2 3 1 其特点为： 1 1 模块输入 最大输入电压3 0 v d c ，最大的输入电流3 2 m a ，本系统提供的输入电压时2 4 v d c 。 2 ) 模拟量的输入输 _ ，j 4 路模拟量的输入，在本系统输入信号是4 - 2 0 m a ，模块内置1 2 位的a d 转换 器，其转换时间小于2 5 0 9 s ，其数字格式为6 4 0 0