CN114244192A - 一种基于plc控制的多功能同步电机励磁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，励磁装置实现同步电机的转子励磁功能的具体包括以下步骤：步骤S1：在同步电机工作过程中，当出现了定子合成磁势的负序与正序之比(F‑/F+)>20％，同步电机首先选择强励，克服三相定子绕组不对称状态的干扰影响；步骤S2：灭磁电阻自动调整灭磁回路阻值；步骤S3：励磁直流电压的自适应功能：自动检测同步电机的转子励磁绕组的电阻R2，根据电阻R2，励磁装置的控制PLC自动整定励磁回路的PID参数至最优。本发明的灭磁回路的灭磁电阻，以在励磁装置柜内以电阻串联组的形式连接构成，可自动调整灭磁电阻阻值、也可人为干预，以使得励磁直流电源更稳定可靠。

Description

一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置

技术领域

本发明涉及电气自动化技术领域，具体为一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置。

背景技术

目前工程技术上的大型同步电机启动控制的有关转子回路以及同步电机励磁装置的励磁直流电源、灭磁电阻等几个环节的技术细节：

1.1同步电机的启动程序：

异步启动、亚同步顺极性投励、同步运行。

同步电机开始异步启动时，定子回路被接通三相交流电源，立即在定子绕组上产生交变旋转磁场，并在转子励磁绕组内感应出电势，转子绕组为单相绕组，也是励磁绕组；

同步电机励磁装置的PLC控制器，控制励磁装置的灭磁回路接通转子绕组，灭磁电阻与转子绕组串联，共同构成闭合回路，频率为sf₁的转子感应交流电流，在异步启动过程中产生异步转矩，同时转子回路的灭磁电阻，将感应电流以热量形式消耗掉(灭磁电阻实质是板状电阻，陶瓷片上单层缠绕着的电阻热丝)。启动开始瞬间转子绕组的异步感应电势e的峰值约为三相定子线电压U_A的10％，同步电机转差率s＝1，并立即下降，此后的异步启动过程一直伴随有e↓、s↓的衰减趋势。

励磁装置的取样检测电路始终在线检测转子绕组上的交流感应电势的交流波形及频率，励磁装置的控制PLC对检测到的感应交流波形的幅值和频率进行分析；

当同步电机处于正常的三相交流电流对称状态下，同步电机检测转子上获取的亚同步信号、转子上感应交流电势的波形和阈值图如图1-2、图3所示：

图1中的交流波头是励磁装置的转子取样检测电路，检测到的转子感应交流电势波头的正向部分，阈值波形是指经过励磁装置的控制器阈值函数组，计算过滤之后的转子感应交流电势脉冲矩形波；(阈值波、励磁装置的控制器阈值函数组也是本励磁装置的又一核心技术)图4中脉冲矩形波的幅值E,是转子感应交流电势e的幅值；脉冲矩形波的频率，空占比，是当(s≈0.05)时，转子上出现的感应交流电势的频率；

分析投励条件：①在同步电机转差率s≈0.05，相应的脉冲矩形波的频率约为2-3Hz时，即同步电机的亚同步时刻；②脉冲矩形波的幅值小于励磁直流电压U_f,即∣E∣<U_f(即阈值波的含义)；③当出现了转子感应交流电势脉冲矩形波的上升沿时刻；④三相定子绕阻的对称状态下合成磁势为圆形，或近似圆形，负序与正序分量之比约为F_-/F₊<20％(具体数值现场定)。①②③④同时具备的时刻即同步电机的投励时刻，此时本励磁装置的控制PLC适时发出投励控制信号，将励磁直流电源投入到转子回路，同时切断灭磁回路灭磁电阻。在转子上新投入的直流励磁电压产生的转子磁势，与定子交变旋转磁场组成的气隙磁场作用，将同步电机转子拉入与三相定子的旋转磁场速度同步状态，同步电机开始同步运行，启动过程结束；此后励磁装置始终一直在运行，保证励磁直流电压的正常供应给同步电机转子励磁；

用逻辑式表示励磁直流电压U_f的投励控制与投励①、②、③、④四个条件的“与”相互关系：U_f＝①∩②∩③∩④；

1.2同步电机的失步以及再整步：

同步电机在同步状态下正常运行时，如果遭遇负载突变、以及由于三相定子绕阻不对称造成的电机旋转磁场突发不对称状态，使得运行中的同步电机的矩角特性突变；转子磁势与三相定子旋转磁势之间的功率角θ，由正常的(0°<θ<∣45°∣)，跌入到(∣45°∣<θ<∣90°∣)区间，严重时甚至在(∣90°∣<θ<∣180°∣)区间，同时励磁电流I_f需要随失步而上升，如果此时不采取强励，那么同步电机的正常励磁运行会变为欠励运行，或同步电机运行速度跌入亚同步状态；同时，励磁装置的取样电路，在线检测到了转子绕组上，励磁直流电压中呈现在异步运行时才出现的感应交流电势e的波头；失步现象严重时，电机出现转差率上升(s＞0.05)、交流感应电势上升(E＞U_f)，异步状态运行，此时的感应交流异步电势e及其频率无衰减趋势，同步电机由同步运行变到异步的这一过程，即被称其为“失步现象”。

励磁装置的控制PLC根据转子回路的感应交流异步电势e信号的再次呈现、励磁装置的励磁电流的突变，来判断失步以及失步的严重程度，并适时控制励磁装置立即进入强励输出状态，在此状态的励磁电压U_f’比正常的励磁电压U_f提高ΔU_f＝20％U_f,可以抑制转子上的感应交流异步电势e，强制性地将同步电机再次重新拉入同步运行，也同时使得转子上的感应交流异步电势e再次衰减或变为零；

当失步状态严重(s＞0.05)，励磁装置的控制PLC进行适时控制，将灭磁回路再次接通，灭磁电阻串联在转子励磁绕组，获取异步转矩，提高电机异步转速n₁，降低s，并迅速灭掉转子上的感应交流异步电势e；励磁装置再次重复“亚同步顺极性投励、同步运行”的控制程序和过程；

同步电机的这个”同步—异步—再同步”的过程，被称其为“失步再整步”。

1.3调整过励以及弱励：

根据工程上的生产需要，正常运行时，当同步电机需要调整功率因数时，可以调节励磁装置的励磁直流电压，使得同步电机的转子回路励磁电压，在基准励磁值强励、基准、欠励浮动，控制同步电机工作在

或

功率因数滞后，或

功率因数超前状态。

励磁装置的控制方式有“本柜—集中”两种方式，方便地在励磁装置本柜进行切换，本柜方式即在励磁装置柜面进行，集中方式由上位系统控制，发出数字、模拟信号，实现远程对励磁装置的控制。

以上是一般的同步电机励磁装置应具有的技术特征，一般励磁装置存在问题是：

(1)考虑同步电机的整体状况不足，电机定子回路的三相不对称状况不足，传统的励磁装置仅仅保持与同步电机定子绕组三相电源高压柜的继电联锁：仅仅当有电机故障，引起定子的三相电源电压或电流保护动作时，定子绕组三相电源高压柜才有开关动作信号给励磁装置；

(2)灭磁电阻，一般励磁装置的灭磁电阻是配置固定不变，实际上，在同步电机的启动过程中的灭磁、电机失步再整步时的灭磁作用不同，希望灭磁电阻值是可以调整的；

(3)对励磁装置输出的直流励磁电源的调节控制手段不够，往往是开环控制的，实际上，应根据同步电机的转子回路电阻值，做具体的直流励磁电源的PID闭环控制。

为此，我们推出一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，包括定子主电枢绕组、灭磁回路、双闭环负反馈调节系统，所述定子主电枢绕组的三相电压，经设在同步电机三相输入电源高压柜的综保装置取三相电流信号，此三个信号送来至励磁控制柜，以供分析；

所述灭磁回路的灭磁电阻以电阻串联组的形式连接构成，调整灭磁电阻阻值，根据当前需要重新选择电阻串联组阻值；

所述双闭环负反馈调节系统包括内环和外环，内环是由主电枢电流环PI调节器构成的电流环；外环是由电机速度环PI调节器构成的速度环；

所述励磁装置实现同步电机的转子励磁功能的具体包括以下步骤：

步骤S1：在同步电机工作过程中，当出现了定子合成磁势的负序与正序之比(F-/F+)>20％，同步电机首先选择强励，克服三相定子绕组不对称状态的干扰影响；

步骤S2：灭磁电阻自动调整灭磁回路阻值；

步骤S3：励磁直流电压的自适应功能：自动检测同步电机的转子励磁绕组的电阻R2，根据电阻R2，励磁装置的控制PLC自动整定励磁回路的PID参数至最优。

设同步电机三相定子电流信号为：

i_A＝I_Asin(ωt) (1)

i_B＝I_Bsin(ωt-α) (2)

i_C＝I_Csin(ωt+β) (3)

根据对称分量分析法，得：

式(1)、(2)以及(3)中的α，β，ωt为同步电机三相定子电流的检测所获的相位相角，I_A、I_B、I_C为同步电机三相定子电流的检测所获的幅值；

式(4)、(5)、(6)中的θ₊、θ_-、θ₀为用对称分量法，分析正序、负序、零序电流分量的空间分布相角；其中I₊、I_-、I₀分别为分析前的各相正序、负序、零序电流分量的有效值；

以A相为例，分析后的A相正序、负序、零序分量为：

式(7)、(8)、(9)是对称分量法分析后的A相电流，其它B和C相的分析类似，不再详列；

又三相定子绕组的交流合成旋转磁场的正、负序旋转磁场为：

f₊＝F₊cos(ωt+θ₊-x) (10)

f₀＝0 (11)

f_-＝F_-cos(ωt+θ_-+x) (12)

正负序合成磁场：

f＝f₊+f_- (13)

以上式子中的f₊，f_-，f分别为同步电机定子电机三相绕组的正、负序磁动势以及合成磁势；f₊，f_-是两个旋转磁势，其旋转速度大小相同，方向相反，但幅值不等；

分别为正序、负序磁势以及合成旋转磁场的矢量表示；

设零序磁势

为零；

式(15)、(16)中，N为线圈匝数，K_N1为基波绕组因数，p为极对数，I₊、I-分别为正、负序电流分量有效值。以上这些式的分析，对本专利核心技术特征表述而言只需要取正、负序磁势分量幅值F₊、F_-；

至此，根据从同步电机三相定子电源高压柜的综保装置检测出的三相定子电流的各相相位角、各相电流幅值参数，结合电机的额定铭牌参数，经过计算式(1)-(9)和式(15)、(16)的计算分析，获得定子交流合成旋转磁场的正序和负序磁势的幅值。

所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：在同步电机正常运行过程中，出现了定子合成磁势的不对称状况，励磁装置的控制PLC立即发出强励信号；

S12：励磁直流电源进入强励输出状态，将励磁电压提高ΔUf＝20％Uf，始终能够使得同步电机根据工程需要，维持并保持在现有同步运行状态，或者维持正常的异步启动；

S13：当出现严重不对称状态(F-/F+)>>20％；再次发出严重不对称状态信号，并报警，准备同步电机停机，以防止同步电机出现三相定子交流旋转磁场的过量负序分量引起的机械脉动，电机的电流出现瞬间激烈震荡。

所述步骤S2的具体步骤为：

S21：在同步电机启动之前，励磁装置的控制PLC，先进行同步电机转子绕组电阻的阻值自动检测程序；

S22：启动励磁装置测试，投入励磁直流电源的经济模式U’_f，瞬间检测出当前在线的转子回路直流电流I’_f，并由此得出此同步电机的转子电阻阻值，

检测完毕后关闭励磁电源。

所述步骤S3的具体步骤为：

S31：采用直流电源控制器的控制程序菜单的“电流环参数自整定”功能：做同步电机的“转子绕组回路参数自整定”；

S32：自动整定同步电机转子回路的闭环负反馈系统的PID调节的放大倍数P、积分增益I、机电时间常数TM，以使得励磁直流电源更稳定可靠。

本发明实质是一种电气成套装置柜，属于电气自动化技术领域。控制同步电机的启动过程，更好地实现同步电机的转子励磁功能，本励磁装置可以制作电气成套为同步电机励磁控制柜，以作为一种新型电气标准产品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明定子绕组合成磁势的正、负序分量分析，计算，控制过程可以由励磁装置的PLC仿真程序和控制程序实现；励磁装置的灭磁回路的灭磁电阻，以在励磁装置柜内以电阻串联组的形式连接构成，可自动调整灭磁电阻阻值、也可人为干预；自动整定同步电机转子回路的闭环负反馈系统的PID调节的放大倍数P、积分增益I、机电时间常数TM，以使得励磁直流电源更稳定可靠。

附图说明

图1为励磁装置的同步电机转子绕组、灭磁电阻电路图结构示意图；

图2为图1的同步电机检测转子上获取的亚同步信号、转子上感应交流电势的波形图；

图3为本发明阈值脉冲的顺极性示意图；

图4为本发明不对称状态转子感应交流电势的波形示意图；

图5为本发明励磁直流电源投励电压、电流图结构示意图；

图6为本发明励磁装置PLC连接示意图；

图7为本发明合成旋转磁场的椭圆形磁势结构示意图；

图8为本发明灭磁采样电路结构示意图；

图9为本发明励磁直流电源双闭环负反馈调节系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置。

一、本励磁装置具有随三相定子绕组的不对称状态调整励磁电压的功能：

大型三相同步电机的运行状态主要是由定子绕组的三相电源和励磁装置来决定，同步电机定子绕组的三相电流的不对称状态，也基本上影响着同步电机的启动顺利、运行平稳理想与否。因此，同步电机励磁装置除了要对对同步电机转子回路的交流感应电势及时进行处理，及时启动以及及时合断灭磁回路，及时投励以及调整励磁电压；还必须同时获取、并正确分析同步电机三相定子绕组的在线不对称状态；

1.1、三相定子绕组的不对称状态计算和分析：

同步电机的三相定子绕组，若某相的绕组有匝间短路、或三相定子绕组间有相间短路现象，此时电机的定子绕组处于三相不对称工作状态，造成同步电机失步，或在转子绕组上呈现交流感应电势，由同步运转状态跌入异步状态，严重时损坏电机以及电机的定子高压柜和同步电机励磁装置的灭磁电阻回路、直流电源整流电路；

一般情况下，交流电机定子三相轻微不对称是常态，不严重或不足以影响电机运行时，往往被忽略。定子三相绕组的绝对对称状态是不存在的。

1.2、根据不对称状态调整励磁电压：

同步电机定子绕组的三相电流的不对称状态程度，影响着同步电机的启动顺利、运行平稳与否。

如2.1节所叙，本专利励磁装置可以在线分析并仿真计算出三相定子电流的不对称状态，例如启动时的转子绕组上的受不对称影响的异步亚同步信号，与正常对称状态下的信号波形不同，其不对称波形和阈值图形如图4所示：

图4中的交流波头与波头之间明显不均匀一致，由于三相定子绕组对的不对称状态，干扰、影响励磁装置的转子取样检测以及对转子感应交流电势的阈值波的分析判断，可能会误导励磁装置的正常的“异步启动、亚同步顺极性投励、同步运行”的控制。因此，同步电机的启动与运行控制必须考虑三相定子绕组不对称状态的影响；

在同步电机工作过程中，当出现了定子合成磁势的负序与正序之比(F-/F+)>20％(具体数值现场定)，同步电机应首先选择强励，克服三相定子绕组不对称状态的干扰影响；

在同步电机正常运行过程中，出现了定子合成磁势的不对称状况，励磁装置的控制PLC立即发出强励信号；

励磁直流电源进入强励输出状态，将励磁电压提高ΔUf＝20％Uf，始终能够使得同步电机根据工程需要，维持并保持在现有同步运行状态，或者维持正常的异步启动；

当出现严重不对称状态(F-/F+)>>20％；再次发出严重不对称状态信号，并报警，准备同步电机停机，以防止同步电机出现三相定子交流旋转磁场的过量负序分量引起的机械脉动，电机的电流出现瞬间激烈震荡。

以上表叙的技术：定子绕组合成磁势的正、负序分量分析，计算，控制过程可以由励磁装置的PLC仿真程序和控制程序实现。

如图6中所示：定子主电枢绕组的三相电压，经设在同步电机三相输入电源高压柜的综保装置取三相电流信号，此三个信号送来至本励磁控制柜，以供分析。本专利首先利用对称分量分析法，根据检测的三相电流，进行在线分析：

设同步电机三相定子电流信号为：

i_A＝I_Asin(ωt) (1)

i_B＝I_Bsin(ωt-α) (2)

i_C＝I_Csin(ωt+β) (3)

根据对称分量分析法，得：

式(1)、(2)以及(3)中的α，β，ωt为同步电机三相定子电流的检测所获的相位相角，I_A、I_B、I_C为同步电机三相定子电流的检测所获的幅值；

式(4)、(5)、(6)中的θ₊、θ-、θ₀为用对称分量法，分析正序、负序、零序电流分量的空间分布相角；其中I₊、I-、I₀分别为分析前的各相正序、负序、零序电流分量的有效值；

以A相为例，分析后的A相正序、负序、零序分量为：

式(7)、(8)、(9)是对称分量法分析后的A相电流，其它B和C相的分析类似，不再详列；

又三相定子绕组的交流合成旋转磁场的正、负序旋转磁场为(忽略谐波，以基波为主)：

f₊＝F₊cos(ωt+θ₊-x) (10)

f₀＝0(11)

f_-＝F_-cos(ωt+θ_-+x) (12)

正负序合成磁场：

f＝f₊+f_- (13)

以上式子中的f₊，f_-，f分别为同步电机定子电机三相绕组的正、负序磁动势以及合成磁势；f₊，f_-是两个旋转磁势，其旋转速度大小相同，方向相反，但幅值不等。

分别为正序、负序磁势以及合成旋转磁场的矢量表示；

设零序磁势

为零；

式(15)、(16)中，N为线圈匝数，K_N1为基波绕组因数，p为极对数，I₊、I-分别为正、负序电流分量有效值。以上这些式的分析，对本专利核心技术特征表述而言只需要取正、负序磁势分量幅值F₊、F_-。

至此，根据从同步电机三相定子电源高压柜的综保装置检测出的三相定子电流的各相相位角、各相电流幅值参数，结合电机的额定铭牌参数，经过计算式(1)-(9)和式(15)、(16)的计算分析，我们可以获得定子交流合成旋转磁场的正序和负序磁势的幅值。

分析图7的椭圆，即三相交流旋转磁场

不对称状态的三相合成磁势的旋转轨迹：设：正序幅值F₊；负序幅值F_-；

其中，a＝F₊+F_-，为椭圆长轴；

b＝F₊-F_-，为椭圆短轴；

x，y为椭圆轨迹某点坐标，椭圆方程；

式(17)-(20)为正、负旋转磁势以及合成旋转磁场的矢量关系；负序分量为零，三相合成旋转磁势暂为理想的对称状态；

当F_-/F₊在一定的允许范围内时，例如(F_-/F₊)<20％(具体数值现场定)时,可以理解为椭圆的长轴、短轴的幅值较为接近，a，b差别在允许范围。实际上，在一般的电气设备和系统中，工程正常运行允许内的三相不对称状态是常态，即绝对三相平衡是没有的。分析一下三相不对称的合成磁场：如F-为零，则合成磁场为圆，三相定子绕组电流是绝对平衡的，没有负序分量存在，磁场幅值为常数，电机转速也为常数；

当同步电机定子绕组出现不对称状态的严重故障，即表现为如定子旋转磁场的正序分量F₊等于负序分量F_-或者近似，则三相定子合成磁场旋转由圆形趋向椭圆；严重时，负序分量远大于正序分量，合成磁势以负序为主又表现为负序的脉动，此时电机的电流出现瞬间激烈震荡、过载。

除了由于同步电机三相定子绕组的匝间短路、相间短路，或者三相交流电源的三相不对称，引起三相定子旋转磁场的负序分量，产生定子绕组的不对称状态；还有三相的零点N的零序分量也产生不对称状态；

以上所有关于不对称状态的理论分析，是本专利的第一技术特征的依据：同步电机的三相定子绕组，若某相绕组有匝间短路、或者故障大时出现三相间有相间短路现象，此时电机的定子绕组立即处于三相不对称工作状态。

二、本励磁装置具有灭磁电阻可自动调整灭磁回路阻值：

2.1、灭磁电阻的作用：

与同步电机转子励磁绕组构成启动闭合回路，将转子感应的单相交流感应电势，在转子回路里产生电流，获得电磁转矩，使得同步电机能够获得异步启动转速；

将异步启动时转子上感应的电势，以热能功耗形式尽快消耗在转子启动闭合回路，即：单相交流感应电势随着异步启动过程而迅速减小衰减，为亚同步顺极性投励做准备。启动结束进入同步运行后，灭磁电阻被切除，以励磁直流电源取代灭磁电阻与转子励磁绕组构成回路；

在同步电机失步再整步的过程中，及时再投入灭磁电阻，与转子绕组构成的灭磁回路，再进行“亚同步顺极性投励，同步运行”的过程。

异步启动时，同步电机的机械特性在启动转矩TL一定、临界转差率sm一定时，转子绕组单相回路串入ΔR2电阻可以增大启动转矩，减小定子启动电流。但是启动电阻不是越大越好，单相回路获得的异步转矩又分为正向的同步转矩和负向的阻转矩，我们希望获得必须的启动同步转矩又希望转差率s应尽快减小，转速尽快提升。同步电机灭磁电阻阻值的确定一般为同步电机转子回路(3-5)R2，近似于一般常规的三相异步交流绕线电机转子绕组串电阻启动的理论计算结果。又：在同步电机的失步再整步过程中，也需要短暂时间内，有合适阻值的灭磁电阻投入到转子回路；

灭磁电阻技术指标：功率kW、阻值Ω。阻值大，减小转子绕组回路的交流感应电流；阻值小，不利于减小异步转矩中的阻矩对亚同步趋势的影响。灭磁电阻应与转子绕组阻值相匹配；既能承受转子绕组的交流感应电势的消耗又能获得适当的正向转矩，而不被感应磁势能量烧断掉。因此，合理选择灭磁电阻，并使之与当前的同步电机转子绕组的阻值相匹配，是励磁装置的基本任务之一。

灭磁采样电路如图8所示，在同步电机启动之前，励磁装置的控制PLC，先进行同步电机转子绕组电阻的阻值自动检测程序：启动励磁装置测试，投入励磁直流电源的经济模式U’f(经济模式的直流电流为正常电流的10％)，瞬间检测出当前在线的转子回路直流电流I’_f，并由此得出此同步电机的转子电阻阻值，

检测完毕后关闭励磁电源；以此确定在即将的异步启动过程，此时所用的励磁装置的灭磁电阻阻值应选择为R2+ΔR2＝5R2，转子绕组电阻阻值R2一般在欧姆数量级，阻值较小，灭磁电阻的功率值参照励磁电流。同步电机铭牌的转子绕组阻值也有可能与实际检测值有误；

综合以上，励磁装置的灭磁回路的灭磁电阻，以在励磁装置柜内以电阻串联组的形式连接构成，可自动调整灭磁电阻阻值、也可人为干预，根据当前需要重新选择电阻串联组阻值，例如，在励磁装置柜内，可通过励磁装置的控制PLC任意选配灭磁电阻阻值ΔR2”＝4-6R2(图1中的R3-R8)；

以上的转子绕组阻值检测、计算、选择过程可以由励磁装置的PLC仿真程序和控制程序实现。

三、本励磁装置具有励磁直流电压的自适应功能：

使用前，自动检测同步电机的转子励磁绕组的电阻R2，根据电阻R2，励磁装置的控制PLC自动整定励磁回路的PID参数至最优，能够无扰动、平稳地供给转子回路最佳的直流电源，如图5所示。

同步电机的异步启动、亚同步顺极性时刻，投励时，转子绕组上有残余交流感应电势，在投励瞬间还有励磁电源投入的反电势，都将给投励过程震荡和干扰；失步时，转子绕组上也有不稳定交直流电势混合。因此，应始终保持励磁直流电压的稳定。

图9为双闭环负反馈调节系统，内环是由主电枢电流环PI调节器构成的电流环；外环是由电机速度环PI调节器构成的速度环：在此处的励磁装置示意图里，我们将励磁电压Uf替代速度环，电压环Uf的启动震荡过程，以及电压环Uf曲线与电流环If的曲线相对应，表示了投励的整个启动过程的最佳状态。(1)电流曲线阶跃至最大值并始终恒定、平稳。(2)电流环响应曲线好。(3)最佳的励磁直流电源投励过程。

自动检测同步电机的转子励磁绕组的电阻R2，根据电阻R2，励磁装置的控制PLC自动整定励磁回路的PID参数至最优。采用直流电源控制器的控制程序菜单的“电流环参数自整定”功能：做同步电机的“转子绕组回路参数自整定”；自动整定同步电机转子回路的闭环负反馈系统的PID调节的放大倍数P、积分增益I、机电时间常数TM，以使得励磁直流电源更稳定可靠。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，包括定子主电枢绕组、灭磁回路、双闭环负反馈调节系统，其特征在于：所述定子主电枢绕组的三相电压，经设在同步电机三相输入电源高压柜的综保装置取三相电流信号，此三个信号送来至励磁控制柜，以供分析；

所述灭磁回路的灭磁电阻以电阻串联组的形式连接构成，调整灭磁电阻阻值，根据当前需要重新选择电阻串联组阻值；

所述双闭环负反馈调节系统包括内环和外环，内环是由主电枢电流环PI调节器构成的电流环；外环是由电机速度环PI调节器构成的速度环；

所述励磁装置实现同步电机的转子励磁功能的具体包括以下步骤：

步骤S1：在同步电机工作过程中，当出现了定子合成磁势的负序与正序之比(F-/F+)>20％，同步电机首先选择强励，克服三相定子绕组不对称状态的干扰影响；

步骤S2：灭磁电阻自动调整灭磁回路阻值；

步骤S3：励磁直流电压的自适应功能：自动检测同步电机的转子励磁绕组的电阻R2，根据电阻R2，励磁装置的控制PLC自动整定励磁回路的PID参数至最优。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，其特征在于：设同步电机三相定子电流信号为：

i_A＝I_Asin(ωt) (1)

i_B＝I_Bsin(ωt-α) (2)

i_C＝I_Csin(ωt+β) (3)

根据对称分量分析法，得：

式(1)、(2)以及(3)中的α，β，ωt为同步电机三相定子电流的检测所获的相位相角，I_A、I_B、I_C为同步电机三相定子电流的检测所获的幅值；

式(4)、(5)、(6)中的θ₊、θ_-、θ₀为用对称分量法，分析正序、负序、零序电流分量的空间分布相角；其中I₊、I_-、I₀分别为分析前的各相正序、负序、零序电流分量的有效值；

以A相为例，分析后的A相正序、负序、零序分量为：

式(7)、(8)、(9)是对称分量法分析后的A相电流，其它B和C相的分析类似，不再详列；

又三相定子绕组的交流合成旋转磁场的正、负序旋转磁场为：

f₊＝F₊cos(ωt+θ₊-x) (10)

f₀＝0 (11)

f_-＝F_-cos(ωt+θ_-+x) (12)

正负序合成磁场：

f＝f₊+f_- (13)

以上式子中的f₊，f_-，f分别为同步电机定子电机三相绕组的正、负序磁动势以及合成磁势；f₊，f_-是两个旋转磁势，其旋转速度大小相同，方向相反，但幅值不等；

分别为正序、负序磁势以及合成旋转磁场的矢量表示；

设零序磁势

为零；

式(15)、(16)中，N为线圈匝数，K_N1为基波绕组因数，p为极对数，I₊、I-分别为正、负序电流分量有效值。以上这些式的分析，对本专利核心技术特征表述而言只需要取正、负序磁势分量幅值F₊、F_-；

至此，根据从同步电机三相定子电源高压柜的综保装置检测出的三相定子电流的各相相位角、各相电流幅值参数，结合电机的额定铭牌参数，经过计算式(1)-(9)和式(15)、(16)的计算分析，获得定子交流合成旋转磁场的正序和负序磁势的幅值。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：在同步电机正常运行过程中，出现了定子合成磁势的不对称状况，励磁装置的控制PLC立即发出强励信号；

S12：励磁直流电源进入强励输出状态，将励磁电压提高ΔUf＝20％Uf，始终能够使得同步电机根据工程需要，维持并保持在现有同步运行状态，或者维持正常的异步启动；

S13：当出现严重不对称状态(F-/F+)>>20％；再次发出严重不对称状态信号，并报警，准备同步电机停机，以防止同步电机出现三相定子交流旋转磁场的过量负序分量引起的机械脉动，电机的电流出现瞬间激烈震荡。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，其特征在于：所述步骤S2的具体步骤为：

S21：在同步电机启动之前，励磁装置的控制PLC，先进行同步电机转子绕组电阻的阻值自动检测程序；

S22：启动励磁装置测试，投入励磁直流电源的经济模式U’_f，瞬间检测出当前在线的转子回路直流电流I’_f，并由此得出此同步电机的转子电阻阻值，

检测完毕后关闭励磁电源。

5.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的多功能同步电机励磁装置，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤为：

S31：采用直流电源控制器的控制程序菜单的“电流环参数自整定”功能：做同步电机的“转子绕组回路参数自整定”；

S32：自动整定同步电机转子回路的闭环负反馈系统的PID调节的放大倍数P、积分增益I、机电时间常数TM，以使得励磁直流电源更稳定可靠。

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