1、1、 概述KGLF-2C型同步電動機勵磁裝置，系我廠開發研制的全數字化產品。裝置控制核心由SEIMENS公司S7200-PLC和Pro-face GP37-24V觸摸屏與KGLF-2型微機勵磁控制器組成,主回路選用6只KP500A/1000V晶閘管風冷器件組成三相全控橋可控硅整流供電，采用全數字控制技術，運行參數由人機界面觸摸屏設定,微機智能完成的轉差率檢測、滅磁控制、運行顯示、實時投勵、脈沖形成、故障自診斷等功能，此勵磁裝置具有：良好自診斷功能，能夠進行運行參數及故障管理，可在線修改和顯示當前運行的各種參數，并可循環存儲故障信息，并且運行可靠、技術先進、結構簡單、功能齊全、性能穩定、調試方便

2、、維護簡單等優點。2、適用范圍 本勵磁裝置可適用于水泵、鼓風機、氣體壓縮機、球磨機、粉碎機、軋鋼機等負載類型的同步電動機勵磁系統。3、工作環境3.1海拔高度不超過2000米；3.2周圍介質溫度為-20+40；3.3周圍介質相對濕度不超過85%（相當于溫度205）；3.4環境沒有導電及易爆塵埃，沒有腐蝕氣體。4、引用標準4.1 GB10585-89 中小型同步電動機勵磁系統基本技術要求；4.2 GB12667-90 同步電動機半導體勵磁裝置總技術條件；4.3 GB3797-83 電控設備第二部分：裝有電子器件的電控設備；4.4 GB3859 半導體電力變流器；4.5 GB2681 電工成套裝置中

3、的導線顏色；4.6 GB2682 -81 電工成套裝置中的指示燈和按鈕的顏色；4.7 GB10233-88 電氣傳動控制設備基本試驗方法；5、勵磁裝置的型號及規格5.1型號說明5.2規格系列勵磁裝置額定功率柜體外型尺寸（高寬深mm）三相干式整流變壓器（/Y-11）（Y/Y-12） 300A/50V200080065035kVA 380V/75V 53A/268A 300A/75V200080065050kVA 380V/110V 76A/263A 300A/110V200080065070kVA 380V/160V 106A/254A 300A/140V200080065085kVA 380V

4、/200V 129A/246A 300A/170V2000800650105kVA 380V/245V 159A/248A 500A/50V220080080050kVA 380V/75V 76A/384A 500A/75V220080080075kVA 380V/110V 114A/395A 500A/110V2200800800100kVA 380V/160V 152A/362A 500A/140V2200800800130kVA 380V/200V 196A/374A 500A/170V2200800800160kVA 380V/245V 242A/376A 500A/220V22008

5、00800210kVA 380V/300V 318A/403A6、性能指標6.1勵磁輸出電壓可調范圍 勵磁輸出電壓可在額定值的10%125%范圍內平滑可調。6.2勵磁裝置輸出能力 勵磁系統在額定輸出電壓40%100%范圍內，能輸出額定電流并連續運行。6.3按轉差率投全壓、投勵磁 投全壓轉差率為10%，誤差不超過10%，投勵磁轉差率為5%，并保證順極性投勵。6.4恒流調節勵磁 當電網在額定電壓的80%110%變化時，恒流勵磁調節偏差不大于4%。6.5過流和欠流整定范圍 系統具有過流和欠流保護，過流保護可整定范圍為額定值的80%180%，欠流保護可整定范圍為額定值的20%60%。6.6起動超時保護

6、 超過正常起動時間的上限值不投勵，勵磁系統自動跳閘停機。6.7失步保護 同步電動機一旦失步，勵磁繞組中的直流電流必然疊加著較大的交流分量，交流分量的峰值達到額定勵磁電流的50%并持續一定時間，系統確認失步，同步電動機聯鎖停機。6.7電機掉磁保護當電機運行時，如果勵磁裝置出現內部故障或接收不到高壓柜發送來的開車信號，若持續5秒鐘，故障繼電器就會動作，系統跳閘停機。7、主要特點7.1系統具有三種投勵磁方式:7.1.1當轉子的轉速達到電機額定轉速的95%時（國標），立即投勵磁，該為優先級投勵；7.1.2按轉子感應電壓的最小幅值投勵，同步電動機在起動后，隨著轉速的升高，轉子感應電壓的幅值會愈來愈低，當

7、此值降至相當于50周交流電壓810伏有效值時自動投勵，為次優先級投勵； 7.1.3當轉子轉速達到電機額定轉速的90%95%后，微機重復檢測轉差信號十次延時23s投勵，為次優先級投勵。7.2具有雙路滅磁功能 為了保證設備的安全性，系統設計為低電壓和高電壓雙路滅磁。同步電機在異步起動過程中,低電壓滅磁先滅磁，起動電阻的投入和切除由計算機來控制，由于電阻投入瞬間電壓較低，一般僅為額定勵磁電壓的0.10.2倍，從而同時也抑制了轉子感應的過電壓，保證轉子絕緣不受損壞，使電機具有良好的異步驅動特性。投勵后低電壓滅磁取消，高電壓滅磁依然存在，保證若轉子繞組一旦產生高壓，滅磁可及時開通，起到保護系統的作用。7

8、.3系統可選工作方式7.3.1 恒角給定方式；7.3.2恒壓PI控制方式；7.3.3電流跟蹤控制方式；7.3.4恒電流帶 Cos跟蹤補償控制方式； 為了使同步電動機投勵后能迅速、平滑、可靠地拖入同步，系統設有強勵整步控制。即在投勵開始時，勵磁電壓可強勵1.11.4倍，時間150S。強勵倍數和時間根據需要可任意設定。 7.4具有完備的故障自診斷、報警、保護和顯示功能 裝置送電后, 單片機首先檢查供電電源是否欠相,快熔是否熔斷, 如果有欠相或快熔損壞, 發出故障信號,系統不允許開車。 開車前將工作方式開關XK置于“調試”位置，可以很方便地檢查裝置整流、滅磁、投勵等環節工作是否正常，從而確保開車萬無

9、一失。 系統中的五路穩壓電源、六組脈沖、運行狀態、以及欠相、快熔熔斷、失磁、過流、失步、啟動超時等各類故障等都有發光二極管顯示，同時還有故障代碼顯示功能。還可以在觸摸屏上查詢故障類型以及發生故障時間，可查詢200個故障記錄。7.5具有直觀的起動過程監控和顯示。 起動過程中將轉差信號的頻率折算為數碼顯示，采用倒計數方式顯示, 操作人員可以直觀地監視同步電動機異步起動全過程。7.6具有200個故障循環記錄功能。7.7具有時時勵磁電流、勵磁電壓運行曲線錄波功能，記錄時間間隔為2s，記錄長度為2048條。7.8系統初始整定值（即系統運行參數的出廠設定值）已被備份在PLC程序中，當系統由于長時間停機PL

10、C中電池耗盡時，使得的參數值丟失，只需在觸摸屏上的“出廠參數恢復”畫面進行簡單設置，即可方便地恢復運行參數。8、同步電動機控制基本原理簡介 凸極式同步電動機電磁功率表達式為： PM= PM PM=m() 相應的電磁轉矩表達式為： M=M+M=m（）由此可見凸極式同步電動機的電磁功率PM（電磁轉矩M）由兩部分組成，一部分為基本分量PM（M），另一部分為附加分量PM（M）。凸極式同步電動機的附加分量與勵磁的狀態無關，而隱極式同步電動機Xq=Xd，附加分量P=0，M=0，因此后面的分析不考慮附加分量，因此同步電動機的電磁功率和轉矩的表達式簡化為 PM= m M=m 電動機空載時：機械負載轉矩M2=0

11、，空載損耗P00，則空載轉矩M00 電磁轉矩M= M2M00 則M=m0 0 00表明轉子磁極軸線與定子等效磁極軸線幾乎重合，此時電機過載能力最強，最不易失步。 電動機加負載時： 加載時兩組磁極系統的軸線被拉開， 就有一定數值，負載愈大，愈大 當max=時=1時，Mmax= m 電磁轉矩最大。 負載超極限： 當到達max以后，如負載再加大，此時兩組磁極軸線進一步拉開，當max時，PM及M不但不增加，反而出現MM2M0的現象，電動機便減速，以致更增大，減速愈甚，結果導致轉子不能與定子等效旋轉磁極同步運行，電動機處于失步狀態，被迫停轉。這種電磁現象在物理模型中表現為表征磁拉力的彈簧被拉斷，引起失步

12、停轉。所以為了保證同步電動機能十分安全而穩定運行，在額定工作下，一般使30左右。 因為同步電動機的最大電磁轉矩M與E0成正比，E0又與勵磁電流IL成正比，因此加大勵磁電流IL可以增大電磁轉矩。如果電動機負載突然增加的同時增加其勵磁，就能提高電動機的電磁力矩，增加系統的穩定性，從而避免失步。9.1同步電動機恒定勵磁拖動沖擊負載的分析 同步電動機恒定勵磁拖動沖擊負載運行，根據輕載，滿載和超載，用磁勢向量圖所對應的電流向量來表示A輕載 B滿載 C超載 從圖A、B、C可見，當施加于同步電動機的定子電壓UB和勵磁電流IL一定，這樣合成磁勢fH（IH）就確定了。如果同步電動機負載增加時，其定子有功電流Iy

13、就增加（Iy3Iy2Iy1），因為轉子勵磁電流IL不變，當負載增加時，勵磁電流IL只沿著“軌跡圖”M-N移動向量，而絕對值不變（即IL1= IL2= IL3），故同步電動機和定子回路無功電流IW從容性變成了感性，（IW1 IW2均為容性，IW3則為感性）。因此同步電動機定子電流IB1和IB2分別超前定子電壓UB的角度為1和2，所有電動機的功率因數cos1和cos2超前（12），而定子電流I B 3落后UB的角度為3，所以功率因數cos3滯后。 從上分析可知，恒定勵磁拖動沖擊負載時，隨著負載的增加，功率因數角愈來愈小，最后從超前變至滯后；功率角越來越大，當90時，同步電動機無法維持靜態平衡，因此

14、要失步。結論：9.1.1恒定勵磁電流的同步電動機靜態過載能力為： =29.1.2負載變化時，為避免失步，應保證功率因數cos 超前運行。9.1.3適用于穩定負載，如：球磨機、鼓風機、壓縮機等。9.2恒無功調節勵磁電流恒無功調節勵磁電流向量圖如右： 對于沖擊負載，為了使電動機穩定運行不失步，同時避免電網受到過大的電流沖擊，可采用恒無功調節勵磁電流。上圖繪出了同步電動機空載運行及突加負載運行時各電量參數變化的關系，施加于同步電動機定子電壓UB一定，轉子勵磁電流為IL1，對應定子電流IB1分解為一部分有功電流Iy1（空載損耗），一部分容性電流IW1。此時定子電流IB1超前定子電壓UB為1角，功率因數

15、cos1超前，此時同步電動機輸出無功電流IW1。當同步電動機負載突加時，有功電流Iy1增加至Iy2，通過無功閉環控制使IL1增加至IL2，保持同步電動機定子電流軌跡按“恒無功線”MN變化，使同步電動機輸出的無功電流I W2 =IW1不變。此時同步電動機定子電流IB2 與UB 夾角為2 ，功率因數2 仍超前。卸載后，勵磁電流IL2 回到IL1 ，系統又回到空載狀態下運行。9.3恒功率因數調節 恒功率因數調節勵磁電流的向量圖如下： 設同步電動機在某一負載下運行，其定子電流為IB1 ，有功電流Iy1，無功電流IW1，勵磁電流IL1，功率因數cos1 0.9（超前）。當負載變化時，通過功率因數調節器閉

16、環控制，使定子電流IB 沿著“恒功率因數”軌跡線MN變化。即勵磁電流IL1 IL2 ，功率角1 2 ，定子電流由IB1 增大至IB2 ，無功電流由IW1增大至I W2 ，從而維持功率因數角1 = 2 從而確保功率因數不變，即cos1 = cos2。恒功率因數調節控制除了避免同步電動機不會因突加沖擊負載而失步外，還可以向電網提供足夠數量的無功電流。9、勵磁裝置工作原理9.1主回路部分9.1.1主回路的組成和功能 裝置主回路完成整流和滅磁兩大功能，系統采用三相全控橋可控硅整流電路，向同步電動機轉子繞組提供直流勵磁電流。滅磁回路由可控硅7、8KGZ與二極管GZ反并聯組成，實際上組成為一個大功率電子開

17、關，完成同步電動機在異步起動過程中串入起動電阻，起動結束后自動切除，保證同步電動機在異步起動期間，轉子勵磁繞組既不開路也不短路，從而避免勵磁繞組承受過電壓和過電流。9.1.2勵磁回路三相全控橋可控硅16KGZ的選擇 （1）可控硅16KGZ電流容量的選擇 可控硅整流器允許等效發熱電流，即有效電流（導通角180） I=1.57IKGZ 式中IKGZ可控硅正向平均電流 （2）實際線路中可控硅整流器的等效發熱電流 I=IL=0.578 IL 考慮強勵1.4倍 I=1.40.578 IL=0.81IL (3)根據等效發熱原則，可控硅16KGZ的正向平均電流 IKGZ=0.515IL 式中Id轉子最大負載

18、時的勵磁電流9.1.3可控硅整流器16KGZ的正反向峰值電壓的選擇 UKGZ=9.4 UL 式中：K1可控硅串聯時均壓系數取0.9 K2可控硅正反向峰值電壓的安全系數取1.79.1.4勵磁裝置主回路三相整流變壓器的選配 三相整流變壓器采用/Y-11或Y/Y-12接線方式，一次側線電壓為AC380V。 整流變壓器視在功率： P=P1= P2=U2I210-3 kVA 整流變壓器二次線電壓： U2=（1.31.5）UL 整流變壓器二次線電流： I2=IL=IL 0.816IL KC=1.21.4 強勵倍數 0.8電網電壓波動系數 UL滿載時勵磁電壓 IL滿載時勵磁電流 K2530 最小控制角（即限

19、制） N滿載時控制角，一般在60左右說明：當電網下降為額定值的80%時，勵磁系統保證頂值電壓倍數不小于1.4。 強勵電流允許1.4倍，時間不得超過50s。此時整流變壓器僅作過載運行。10. 勵磁裝置控制部分：系統控制部分包括S7200PLC、Pro-face觸摸屏、KGLF-2型微機勵磁控制器三部分組成。 PLC主要完成繼電回路邏輯控制工作方式切換、運行時PI調節以及對外通訊等工作，Pro-face觸摸屏主要完成系統參數設置和運行時故障、工作時間、設定運行參數信息查詢，Pro-face觸摸屏具有勵磁電流和勵磁電壓錄波曲線信息查看。KGLF-2型勵磁控制器里由主機MC87C51和副機AT89C5

20、1單片機組成。勵磁控制器主要完成頻率測量及投勵、脈沖形成、故障檢測及處理。10.1.1轉子感應電壓頻率的測量 同步電動機起動時, 轉子感應電壓的頻率隨著轉速的上升逐漸下降,同步電動機一旦起動, 單片機就立即檢測轉子感應半個周波的時間, 從20ms開始, 數碼管記“9”,中間每增加20ms, 數碼減1, 到200ms時數碼管顯示“0”。同步電動機在異步起動過程中，當轉子轉速達到同步轉速的90時，轉子感應電壓的頻率5z，周期0.2s，半周時間為100ms，計算機一旦檢測到該值，立即投全壓。投全壓后，電動機的轉速將繼續上升，當轉速增加到同步轉速的95時，轉子感應電壓的頻率為2.5z，周期為0.4s，

21、半周時間為200ms ，計算機檢測到此值，迅速進入整流程序, 輸出脈沖, 裝置投入勵磁, 同時接通投勵工作指示, 關掉低壓滅磁并開放失磁保護和失步保護等。10.1.2脈沖形成同步信號Ta、W3 提供正偏移，及勵磁調節器的輸出信號Uk,三者通過運算放大器綜合處理后作為單片機外部中斷請求INT0的輸入信號，當INT0從1變0時, 單片機接受中斷, 立即發出第一組脈沖去觸發1# 可控硅，同時給6#可控硅補一個脈沖。以后每間隔60發下一組脈沖, 觸發相應的可控硅,直至一個周期六組脈沖發完, 再等待下一次中斷。改變Uk的大小就改變了中斷申請的時刻, 達到控制a角的目的。 為了提高整流電壓波形的對稱度，系

22、統還不斷監測電網的頻率，隨時對60定時進行修正，確保整流電壓波形對稱，這樣產生的脈沖精度高, 無需外部調整, 且穩定可靠。10.1.3故障保護 系統具有進線電源空開跳閘、電源掉相、快熔熔斷、欠磁、失步、過流、起動超時等保護。這些故障主要由輔機監控檢測，一旦確認故障發生，輔機立即通知主控計算機，主機接收此信號后迅速作出相應的故障處理，發出故障顯示和聲響信號，接通高壓油斷路器分閘回路，同步電動機緊急停車。同時系統推逆變運行，將勵磁繞組儲存的能量回饋電網，延時56s后封鎖脈沖。故障發生后由輔機記憶故障原因，并顯示故障代碼，以便查詢處理。數字代碼顯示方式故障原因控制狀態匚常亮/待機09動態倒計數/到0

23、后投勵1閃亮電源掉相報警停車2閃亮快熔熔斷報警停車3閃亮欠磁報警停車4閃亮失步報警停車5閃亮勵磁過流報警停車6閃亮整步失敗報警停車7閃亮起動超時報警停車8常亮失控報警停車電動機異步起動時轉速和轉差率對應數碼管顯示值數碼管值周期T (S)半波檢測時間 ( ms)轉差頻率f2(Hz)轉差率S電機轉速 ne%90.15010.000 0.2000 80.0 80.21005.000 0.1000 90.0 70.31503.333 0.0667 93.3 60.42002.500 0.0500 95.0 50.5250 2.000 0.0400 96.0 40.63001.667 0.0333 96

24、.7 30.73501.429 0.0286 97.1 20.84001.250 0.0250 97.5 10.94501.111 0.0222 97.8 015001.000 0.0200 98.0 轉差率S=（電機信號頻率 f2 (Hz) /工頻f1(50Hz)轉差率S=（電機額定轉速ne -電機運行轉速n)/電機額定轉速ne電機運行轉速n=電機額定轉速ne - 轉差率S*電機額定轉速ne10.1.4電動機異步起動時轉速和轉差率對應數碼管顯示表11.觸摸屏人機界面及參數設置 Pro-face GP2301-24V工業級觸摸屏作為一種新型的人機界面，具有功能強大、性能穩定、簡單易用、全中文顯

25、示等優點。 該觸摸屏屏幕尺寸為5.7吋，4灰度級顏色，320240分辨率。它符合工業環境的電磁兼容要求CISPR（EN55011）Group1，A級電磁輻射符合EN50081-2和US FCC CLASS A工業標準。抗干擾符合EN50082-2工業標準。 通過該觸摸屏可以對KGLF-2C型全數字勵磁裝置的運行參數、工作方式、故障事件和累計工作時間進行監視或調節。1.當勵磁裝置通電后，觸摸屏首先自動顯示主畫面(如圖1)： 圖1 圖2 2.隨后手指點擊觸摸屏屏幕左下角的“功能選擇”按鈕，屏幕左邊將彈出選擇菜單（如圖2）： 分別點擊不同的按鈕可進入不同顯控窗口。3.點擊“主畫面”按鈕，屏幕將顯示主

26、畫面窗口（如圖3）。 在這個窗口下可顯示設備運行的基本參數。窗口上部為設備運行時整流電流的曲線圖，根據事先設定可記錄一定時間內的曲線。窗口的中部為工作方式指示，通過文字反映裝置當前的工作運行方式。窗口的下部為運行參數指示，通過直觀的數字顯示運行時的實際電壓、電流。 圖3 圖44.點擊“功能選擇”菜單中的“設定”按鈕，將進入工作方式選擇及運行參數設定窗口（如圖4）。5.在工作方式選擇及運行參數設定窗口中有兩個醒目的按鈕，分別為“工作方式選擇”和“運行參數設定”。因為點擊這兩個按鈕將進入調試人員使用的窗口，所以點擊任一個按鈕將進入密碼輸入窗口（如圖5）。 圖5 圖66.進入密碼輸入界面后就可以用窗

27、口下方的數字鍵盤輸入密碼，密碼在窗口上方的文本框中一以*號的形式顯示，然后按“ENT”按鈕確認。如密碼正確，將進入設定窗口。因“工作方式選擇”和“運行參數設定”的級別不同，進入不同窗口使用不同的密碼（密碼在出廠前已設定好，進入工作方式設定的密碼為“1111”，進入運行參數設定的密碼為“2222”），出廠參數設定的密碼為“3333”）。輸入正確密碼后，將分別進入不同的窗口（如圖4，圖5，圖6）。 圖7 圖87.圖6為工作方式選擇窗口，在該窗口中有兩組選擇開關，點擊后可分別選擇“恒角”、“閉環控制”、“恒壓”、“cos補償”、恒流跟蹤”方式。同時在主畫面窗口對應切換成不同的工作方式。8.圖710為

28、運行參數設定窗口，在這三個窗口中可對 “PI采樣時間”、“P”、“I”、“起動強勵值”、“起動強勵時間”、“低電壓強勵值”、“低電壓強勵時間”、“上限幅”、“下限幅”、“過流值”、“欠磁值”、“延時”、等運行所需參數進行設定。（如圖710所示）。 圖9 圖10 圖11 圖129.點擊“功能選擇”主菜單中的“給定”按鈕，可進入運行給定參數設置窗口。注意，設置了不同的工作方式后，進入的給定選擇窗口也不一樣。對應的窗口中設置的參數也不同。圖1114分別是“恒流跟蹤”，“恒角控制”，“恒壓PI控制”，“cos補償控制”四種工作方式下對應的給定設置畫面。 圖13 圖14在不同的給定窗口中可以對設備運行時的輸出電流、輸出電壓或功率因數等參數進行調整。如“恒流跟蹤”控制方式的對應給定窗口（圖11）上部左側為設定值，右側為實際運行值。下部分別有粗調和精調按鈕，粗調按鈕可快速調整設定值，粗調分辨率為10，精調按鈕可精確調整設定值，精調分辨率為。10.點擊“恒流跟蹤”畫面左上角的“穩定系數”按鈕，可進入穩定系數設定畫面（如圖15）。“cos補償控制”的給定設置畫面（圖14）的右上角有“補償設定”按鈕，點擊即可進入對應的補償設定畫面（圖16 圖15 圖1611.在“主畫面”的下方中