可编程序控制器在同步电动机励磁装置中的应用
[摘要] 介绍了以西门子S7-200PLC为核心的同步电动机励磁装置现场使用经验，并对系统的硬件和软件结构进行了分析。
[关键词] 通风机 同步电动机 励磁装置 PLC 软硬件设置
一.概述
协庄煤矿矿井主通风机电动机型号为TD1000-6/1160，额定电压6000V，额定转速为1000转/分；转子励磁装置采用西门子6RA70全数字控制模块组成电流环，控制及触发组件；以西门子S7-200可编程控器为控制核心，以较灵活的方式组合出各种检测、控制功能，并且与TD-200配合实现参数设置和故障显示功能。
二.系统硬件设置
同步电机主回路采用6000V串电抗器起动，具有可靠先进的微机保护装置；转子励磁装置主回路采用模块化可控硅及阻容吸收，励磁控制采用西门子6RA70直流全数字控制模块组成电流环控制及触发组件，用先进的数字技术确保系统在各种外界不利条件下均能稳定工作。控制核心为西门子S7-200型可编程控制器，其基本性能是输入24点、输出16点，实现同步电机的投全压、投励、强励、停机自动灭磁、带载失步再整步、失励停机、有冲击负载时自动补偿励磁及高压短时、失电时能做到失电失步自动再起动等功能，励磁装置增加了信号测量判别模块，无功补偿模块，满足同步机起动、运行和故障监控的要求。
显示电路采用西门子的TD200来完成，一是参数设置，如投励时刻、后备投励、强励时间、运行模式选择。二是工作状态显示，如实验投励、正常投励、后备投励、运行模式。三是故障显示，如失步、整步失败、晶闸管故障、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁超限。全部采用汉字显示。
三.系统软件设置
1.投励模块
①正常投励：智能监测转子滑差，在主机起动后，通过计算转子滑差的变化来开放相应的功能(如投全压、投励)，即转子频率为5Hz时，发出投全压指令；当转子频率为2.5Hz时，选择在“感应电压顺极性尾端过零点”的时刻投励，此时，转子感应电压及电流接近于零，转子感应电流方向与励磁装置输出电流方向一致，投励最为容易，有利于将电机迅速牵入同步，完成正常投励。
②后备投励：若正常投励不成功，在主机起车后，开始记时，若记时到后备投励设定时间9秒，同样选择在“感应电压顺极性尾端过零点”的时刻投励，完成后备投励。
2.励磁调节模块
①恒定励磁调节模式，将励磁给定信号和励磁电流反馈信号经模拟量输入模块送入PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发电路；
②恒定无功功率调节模式，将励磁给定信号和无功电流反馈信号经模拟量输入模块送入PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发电路。
3.晶闸管故障检测模块
如果励磁整流波头相互比较，宽度误差大于10%，报警；如果波头相互比较误差大于20%，或周期内缺一个波头，而且时间超过1min，停机并报警。总之，正常情况下，三相全控桥的整流波形在一个周期，有六个波头，而且，每个波头几乎相同。不符合此标准者，被认为故障，会引起带励失步，若不及时处理必将事故扩大。
4.失步检测模块
将失步信号整形后送入PLC，测量矩形的宽度和频率，与设定值比较，达到者被认为失步。当电机失步后，PLC立即封锁投励控制信号，同时灭磁继电器复位，使电机进入异步驱动阶段，然后电机转速自动上升，待进入临界滑差后，励磁装置自动投励，按准确强励对电机实施整步，使电机恢复到同步状态。如整步失败，PLC发出跳闸信号动作于跳闸回路。液晶显示屏显示“失步”或“整步失败”，按复位键复位。
5.故障连锁模块
通风机用同步机的的保护装置设置，在同步机起动至投全压、投励结束，除过流、速断保护外，其余保护不起作用。经PLC延时30秒后，励磁各保护方可投入。保护检测信号，如轴温、液压站油温、电机温度、高、低压柜过流、欠压，高、低压柜开关状态等等报警信号送人PLC，依据通风机的具体要求实现连锁。
6.系统故障监控
系统故障主要包括：同步机失步、可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流超限等。
①失步监测
失步保护采样信号，来自串接在转子励磁回路的分流器两端的不失真毫伏信号。此信号经放大、变换，光耦隔离后输入PLC，对其波形特征进行分析，判断电机是否失步。当发生带励失步时，首先应切断励磁，识别后判断是报警还是再整步运行。
②晶闸管故障监控
晶闸管励磁整流波形整型后经光耦送入PLC，如果波头相互比较，宽度误差较大，说明全控整流桥出现故障，如：脉冲丢失、三相丢波缺相、失控、管压降波形崎变等各种现象，造成励磁电流不稳定。
③灭磁晶闸管误导通
在实际运行当中，偶尔会出现灭磁晶闸管误导通，引起附加电阻加热，经过一段时间后，造成控制柜内的控制线烤焦、进而发生电气短路事故。
检测附加电阻RFl、RF2两端的电压信号，经过比较判断，将结果送入PLC，进行联锁和报警。
④励磁电流超限
在整流变压器的一次侧，A相和C相装有电流互感器，二次引线经变换识别电路后，将信号送入PLC，过流信号达到设定时间后，报警或跳闸。以防止励磁电流过大引起励磁绕组过热，损坏电机。
7.辅助控制环节
①停车后逆变控制
当同步机停车或故障跳闸时，PLC发出指令使三相全控整流桥晶闸管1KGZ-6KGZ的控制角变为140°，可控整流桥工作在逆变状态，不致因同步机停车时转子电感放电造成续流或颠覆而烧坏元件。
②强励
当电网电压下降到整定值，一般为80%时，PLC发出强励信号，可达到正常励磁电流的1.4倍，进行强励，以防止同步机失步，10s钟后，若电网电压不回升，PLC撤消强励信号，以防转子绕组过热。
强励时间为10-14s，具体时间人机界面设定。
四.结束语
(1)同步机励磁装置PLC控制器，与单片机控制器相比较，系统简单，成本小、功能强大，配置汉显的人机界面、适合于恶劣的工业环境。
(2)便于将机械设备的控制柜与励磁装置融为一体，减小体积、增强控制功能、提升原来系统的自动化水平。
运行两年多来，运行稳定可靠，显示、动作准确，特别是在电网稳定性差的网路中，该系统更显示出各项功能的优势。
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