顯示電路采用西門子的TD200來完成，一是參數(shù)設置，如投勵時刻、后備投勵、強勵時間；運行模式選擇。二是工作狀態(tài)顯示，如實驗投勵、正常投勵、后備投勵；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。全部采用漢字顯示。
3．1 啟動回路
(1)起動時滅磁繼電器接點CJll、CJ22閉合，見同步電機起動回路圖2，使同步電機在異步驅(qū)動狀態(tài)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(tǒng)勵磁屏在同步電機異步啟動過程中轉(zhuǎn)子回路感應電流正負半周不對稱現(xiàn)象，避免了異步啟動過程中所存在的脈振現(xiàn)象，具有良好的異步驅(qū)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(tài)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，并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可以實驗滅磁回路。
3．2 投勵控制
同步電動機的投勵過程控制是一個非常重要的問題，主要表現(xiàn)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異步啟動到亞同步速時，即轉(zhuǎn)速達到同步速的95％-98％之間；準角度投勵是指在轉(zhuǎn)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(chǎn)生同步力矩，使電機盡早進入同步。
轉(zhuǎn)子兩端的電壓經(jīng)電阻R12、R11、二極管D7后，在穩(wěn)壓管Z7兩端得到了近似的矩形波，經(jīng)過光耦TPl送人PLC。經(jīng)過計算和判斷后，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(fā)信號，完成投勵，見圖
4。有兩種投勵方式：
(1)按照"準角強勵整步"的原則設計，并具有強勵磁整步的功能。所謂準角度投勵，系指電機轉(zhuǎn)速進入臨界滑差，按準角度投勵方式，這樣電機進入同步時輕松、快速平滑無沖擊。投勵時刻的滑差大小，通過面板按鍵菜單操作任意設定。
(2)后備投勵
若滑差投勵不成，即達不到設定的滑差值，可按預定的后備投勵時間和準角度方式投勵。后備投勵時間的大小，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(fā)電路選用TC787，經(jīng)三極管后，驅(qū)動6路脈沖變壓器，輸出為調(diào)制脈沖列，觸發(fā)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腳外接電容用于調(diào)節(jié)脈沖列的頻率；12、11、10、9、8、7輸出六相脈沖，分別與T1、T2、T3、T4、T5、T6六個三極管的基極連接。三極管驅(qū)動脈沖變壓器，其二次經(jīng)整流二極管輸出到晶閘管的門極和陰極，以滿足電氣隔離和觸發(fā)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：恒勵磁電流模式和恒無功功率模式。因此選用了模擬量模塊與S7-200配合使用，構成單閉環(huán)控制系統(tǒng)。勵磁給定值由外接電位器提供，無功電流由無功電流轉(zhuǎn)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(tǒng)故障監(jiān)控
系統(tǒng)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(jiān)測
失步保護采樣信號，來自串接在轉(zhuǎn)子勵磁回路的分流器兩端的不失真毫伏信號。此信號經(jīng)放大、變換，光耦隔離后輸入PLC，對其波形特征進行分析，判斷電機是否失步。當發(fā)生帶勵失步時，首先應切斷勵磁，識別后判斷是報警還是再整步運行。
3.4.2 晶閘管故障監(jiān)控
晶閘管勵磁整流波形整型后經(jīng)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(xiàn)故障，如：脈沖丟失、三相丟波缺相、失控、管壓降波形崎變等各種現(xiàn)象，造成勵磁電流不穩(wěn)定。
3.4.3 滅磁晶閘管誤導通
在實際運行當中，偶爾會出現(xiàn)滅磁晶閘管誤導通，引起附加電阻加熱，經(jīng)過一段時間后，造成控制柜內(nèi)的控制線烤焦、進而發(fā)生電氣短路事故。
檢測附加電阻RFl、RF2兩端的電壓信號，經(jīng)過比較判斷，將結果送入PLC，進行聯(lián)鎖和報警。
3.4.4 勵磁電流超限
在整流變壓器的一次側(cè)，A相和C相裝有電流互感器，二次引線經(jīng)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(huán)節(jié)
3.5.1 停車后逆變控制
當同步機停車或故障跳閘時，PLC發(fā)出指令使三相全控整流橋晶閘管1KGZ-6KGZ的控制角變?yōu)?40°，可控整流橋工作在逆變狀態(tài)，不致因同步機停車時轉(zhuǎn)子電感放電造成續(xù)流或顛覆而燒壞元件。
當電網(wǎng)電壓下降到整定值，一般為80％時，PLC發(fā)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鐘后，若電網(wǎng)電壓不回升，PLC撤消強勵信號，以防轉(zhuǎn)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(tǒng)軟件設計
同步機勵磁，PLC它的軟件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。如程序框圖6所示。
4.1 主程序
主要完成PLC的各種參數(shù)的初始化，子程序的調(diào)用、及系統(tǒng)的主要監(jiān)控環(huán)節(jié)。
4.2 顯示及設置程序
依據(jù)系統(tǒng)程序調(diào)用漢顯內(nèi)容的使能位，顯示有關內(nèi)容；將設置的內(nèi)容存放在指定的存儲器，以便調(diào)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(jiān)測轉(zhuǎn)子滑差，在主機起動后，通過計算轉(zhuǎn)子滑差的變化來開放相應的功能(如投全壓、投勵)，即轉(zhuǎn)子頻率為5Hz時，發(fā)出投全壓指令；當轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子感應電壓及電流接近于零，轉(zhuǎn)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，有利于將電機迅速牽人同步，完成正常投勵。
二是后備投勵：若正常投勵不成功，在主機起車后，開始記時，若記時到后備投勵設定時間，同樣選擇在"感應電壓順極性尾端過零點"的時刻投勵，完成后備投勵。
4.3.2勵磁調(diào)節(jié)模塊
一是恒定勵磁調(diào)節(jié)模式，將勵磁給定信號和勵磁電流反饋信號經(jīng)模擬量輸人模塊送人PLC進行數(shù)字PID運算，通過模擬量輸出端控制晶閘管移相觸發(fā)電路；
二是恒定無功功率調(diào)節(jié)模式，將勵磁給定信號和無功電流反饋信號經(jīng)模擬量輸入模塊送人PLC進行數(shù)字PID運算，通過模擬量輸出端控制晶閘管移相觸發(fā)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，寬度誤差大于10％，報警；如果波頭相互比較誤差大于20％，或周期內(nèi)缺一個波頭，而且時間超過1 min，停機并報警。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
將失步信號整形后送人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，同時滅磁繼電器復位，使電機進入異步驅(qū)動階段，然后電機轉(zhuǎn)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(tài)。如整步失敗，PLC發(fā)出跳閘信號動作于跳閘回路。液晶顯示屏顯示"失步"或"整步失敗"，按復位鍵復位。
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(jù)壓風機的具體要求實現(xiàn)連鎖。
5 結束語
上述系統(tǒng)已通過實驗驗證，各項指標達到預期目標，樣機進入工業(yè)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，研制周期短，整個系統(tǒng)成本小、功能強大，配置漢顯的人機界面、適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境。
(2)便于將機械設備的控制柜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(tǒng)的自動化水平。
