16140651沈斌基于PLC的同步电机励磁装置的设计.docx
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16140651沈斌基于PLC的同步电机励磁装置的设计
中图分类号：
TP272学校代码：
13820
基于PLC的同步电机励磁装置的设计
******
学院：
电力学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气1601
学号：
********
校外导师：
胡兴龙工程师
2020年6月
设计说明
本设计主要是针对同步电机励磁绕组电流控制进行的设计。
该励磁装置可以有效的调节电力系统电压电流的稳定，调节无功功率的分配，提高电力系统运行稳定性，改善电力系统运行调节。
本装置基于PLC为核心进行总体控制，使用EM235为输入输出单元，将采集到的机端电压电流信息输入PLC进行计算处理，根据系统情况自动调节励磁电流，并对励磁电流的大小进行限制，当系统发生故障时根据相应的故障情况进行强行励磁或灭磁，维持系统稳定，保护系统不受损坏。
关键词：
PLC；同步电机；励磁装置设计
DESIGNDESCRIPTION
Thisdesignismainlyforthesynchronousmotorexcitationwindingcurrentcontroldesign.Theexcitationdevicecaneffectivelyregulatethevoltageandcurrentstabilityofpowersystem,regulatethedistributionofreactivepower,improvethestabilityofpowersystemoperation,andimprovetheoperationregulationofpowersystem.ThisdeviceisbasedonPLCforoverallcontrol,usingEM235asinputandoutputunit,inputthecollectedterminalvoltageandcurrentinformationtoPLCforcalculationandprocessing,automaticallyadjusttheexcitationcurrentaccordingtothesystemsituation,andlimitthemagnitudeoftheexcitationcurrent.Whenthesystemfails,carryoutforcedexcitationordeexcitationtomaintainthesystemstabilityprotectionsystemaccordingtothecorrespondingfailuresituationNotdamaged.
Keywords:
PLC;Synchronousmotor;Designofexcitationdevice
插图与附表清单
1绪论
1.1励磁装置的意义
励磁装置的存在是为了对同步发电机的励磁电流进行调节，当同步发电机处于稳定的运行条件下我们对励磁电流的调节可以维持机端电压的稳定，并且调节并联机组无功功率的分配也可以通过调节励磁电流来实现。
当系统发生故障，励磁调节装置可以通过调节励磁电流明显改善系统稳定性。
1.2励磁装置的作用
励磁装置大致有以下几个作用：
（1）维持系统的电压稳定；
（2）提高同步发电机的静态稳定性；（3）可以有效的分配并联机组之间的无功功率；（4）提高系统的暂态稳定性；（5）发电机故障或系统发生故障时，对发电机与电网进行隔离并进行快速灭磁，保护发电机安全不受反向电流损毁。
1.3励磁装置发展趋势
同步电机励磁装置的发展主要经历三个阶段。
第一阶段，模拟式励磁阶段是励磁装置的最初始阶，段励磁过程的全部单元均由相应的半导体器件互相配合完成，模拟励磁装置由于其体积庞大、功能模块繁多、不易于维护更改、可靠性差等原因如今已经基本淘汰。
第二个阶段为微机式励磁装置，这个阶段在模拟励磁装置的基础上将很多半导体模拟装置进行简化由微机代替，使励磁装置小型化、简单化。
第三个阶段为数字式励磁装置，这一阶段励磁装置已经进入智能化时代，依托计算机技术的发展励磁装置的体积更小、功能更加全面、励磁精度更高、可靠性更强、易于更改、人机交互更加完善。
随着可编程控制器的发展，励磁装置由可编程控制器为基础进行开发成为可能，本次课题就基于可编程控制器进行励磁装置的设计。
2PLC简介
2.1功能介绍
早期的PLC只能进行简单的逻辑控制，随着时代的发展人们对工业生产和电气控制有了更加复杂的要求，PLC的功能不再是简单的逻辑控制更多新的功能被引入例如对时序的控制、模拟量的控制、以及多机通信等各类功能都被集成在PLC中。
随着PLC的快速发展和现代工业的需要PLC以其超强的扩展性、可靠性方面的优势被广泛的应用于各个工业控制领域。
2.2硬件构成
PLC是一种以微处理器为核心的可以进行自动化控制和逻辑运算的数字运算控制器，它由中央处理器、存储器（rom/ram）、输入输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口、以及电源组成的类似微型电脑的自动化控制装置硬件构成如图2-1所示[1]。
图2-1PLC的硬件构成
2.3发展历史
PLC最早起源于20世纪60年代，1969年，第一台可编程控制器（PDP-14）问世，在通用公司使用后发现其效果显著，相比传统继电器接触器其体积小、噪声小方便维护和调整以及可靠性大大提高的优势被展现，随后世界各国纷纷开始研发可编程控制器（PLC）。
1977年我国在工业领域逐步推广PLC的使用。
PLC的发展史大致可以分为五个时期，第一个时期为20世纪70年代初期，随着微处理器的出现人们很快将其加入可编程控制器，这一引入使可编程控制器增加了除逻辑控制以外的更多功能，如数学运算、数据传输处理、时序控制等。
第二个时期为20世纪70年代中末期，由于计算机技术的全面引入使PLC的功能发生了巨大改进，强大的运算能力、超小的体积、更低的功耗、更高的可靠性、更多的功能和更强的抗干扰能力奠定了其在现代工业中的地位。
第三个时期为20世纪80年代初，可编程控制器进入实用化发展阶段，受到世界各个国家的认可与使用。
第四个阶段为20世纪80年代至90年代中期，可编程控制器的发展进入爆炸式增长，这一时期PLC除了在处理模拟量能力、数学运算能力、和网络通信方面有大幅提升外，丰富多样的人机交互界面使PLC的使用更加方便。
第五个阶段为20世纪末期，这一时期PLC发展出大型机和超小型机，出现了各种特殊功能单元，使PLC与工业生产更加匹配。
2.4工作原理
PLC的工作原理可大致分为：
输入、输出、逻辑判断三个阶段如图2-2所示。
在PLC的运行过程中CPU不停检测输入的信号然后进行逻辑判断是否进行信号的输出，这样的过程周而复始按照一定的频率周期进行判断这就是PLC的基本工作原理。
图2-2PLC的工作原理
在输入阶段，PLC以一定的频率读取输入信号，并将输入信号进行存储，以供CPU进行逻辑处理。
在逻辑处理阶段，可编程逻辑控制器对用户程序进行加载并按照一点的规则进行处理然后输出运算结果，最后根据逻辑运算的结果对相应的指令进行执行。
在信号输出阶段，CPU按照逻辑处理阶段得到的结果通过I/O接口进行信号输出从而控制相应的设备。
3同步电机励磁调节系统
3.1同步电机励磁调节系统基本原理
我们知道电机是利用电磁感应原理进行发电或者作为动力转换装置，同步电机作为电力系统中不可缺少的重要设备，它利用电磁感应原理将机械能转换为电能，而同步电机要想完成这一过程就必须在电机中建立旋转的磁场，进行磁感线的切割从而达到机械能转换为电能的目的[2]。
在同步电机的转子中加入直流电，使转子绕组产生静止的磁场，转子绕组在外力的作用下旋转，产生旋转的磁场。
而转子中通入的直流电的大小将会影响到发电机的电动势大小，从而影响电机的运行性能。
所以同步电机的励磁装置就是专门用来调节励磁绕组电流的装置，而励磁装置主要用来和电机的转子绕组建立电压关系并调整其大小，在必要时刻需切除与转子绕组的联系，能够完成以上的基本操作的装置我们称为励磁装置。
自动调节励磁系统如图3-1所示。
图3-1同步发电机自动调节励磁系统
3.2直流励磁机系统
直流励磁系统常见于早期电力系统发电机组容量较小，电力系统刚刚开始发展时。
励磁电流由和同步电机按相同转速一同旋转的直流发电机提供，这在早期的电力系统中是最常见的励磁方式。
而直流励磁方式又分为两种，即自励式和他励式[3]。
在自励式直流励磁系统中，同步发电机励磁绕组与直流励磁机相连的机械轴体同轴同速旋转，同步电机的励磁电流由直流发电机直接提供，而除了由直流发电机提供的励磁电流外，自动励磁装置也同时向同步发电机的励磁绕组提供电能如图3-2所示。
直流发电机的电流可以根据具体需求进行人工手动调节，励磁装置提供的电流由装置预设值进行自动调节。
图3-2自励直流励磁系统
而在他励直流励磁机系统中，在自励系统的基础之上又引入一组直流发电机，这组直流发电机与同步电机和励磁机一样同轴旋转被称为副励磁机[4]。
副励磁机组上装设有可以手动调节的磁场电阻，这样除了主励磁机和自动励磁装置地电流外副励磁机又额外提供了可控的他励电流，这样的励磁系统称为他励励磁系统如图3-3所示。
图3-3他励直流励磁系统
3.3交流励磁机系统
随着电力行业的发展，电力企业对发电机的容量有了越来越大的需求，此时励磁机组也需要相应提高励磁电流，传统直流励磁已经无法满足电力行业对励磁电流的需求，交流励磁机系统就是在这样的背景下应运而生的。
交流励磁机系统主要是为大容量发电机而设计，励磁单元将交流励磁机发出的交流电经过整流元件整流后进行励磁的交流励磁系统。
交流励磁又分为硅整流和旋转硅整流，下面将分别进行介绍。
硅整流系统和直流励磁相比较，交流励磁系统就是将直流励磁机换成交流励磁机并加入整流装置，并且副励磁机使用永磁电机。
在硅整流励磁系统中同步发电机、主励磁机、副励磁机和直流励磁相同均为同轴旋转，副励磁机为永磁机，可以直接发出交流电经整流二极管整流后通过滑环为主励磁机的转子供电，主励磁机转子得电后，主励磁机发出交流电经整流二极管整流后通过滑环为同步发电机励磁绕组供电，励磁绕组得电后同步发电机发电[5]。
自动励磁调节装置测得机端电压电流后进行自动调节副励磁机电流进而控制主励磁机进而控制整个硅整流励磁系统如图3-4所示。
图3-4硅整流励磁系统
旋转硅整流励磁系统常用于励磁电流高于8000A到10000A时，因为硅整流励磁系统中整流后的励磁电流需要经过滑环的传导才能够进入励磁绕组，而滑环的主要材质为碳刷，由于碳刷的材质无法满足大电流时的正常运行，这时就必须使用旋转硅励磁系统即无刷励磁系统。
旋转硅励磁其实就是在硅整理励磁的基础上，将硅整理励磁系统中主励磁机换为无刷励磁机如图3-5所示。
图3-5旋转二极管整流励磁系统
3.4励磁系统中的整流电路
交流励磁机系统中必须使交流电转换为直流电才能供给励磁绕组，而这就需要使用半导体整流元件来进行交直流的转换。
整流电路是交流励磁系统中不可或缺的重要组成部分，整流电路采用著名的三项桥式整流方法。
整流电路分为可控和不可控，下面将分别介绍其基本原理[6]。
最简单的整流电路为三相桥式不可控整流电路如图3-6所示，电路结构简单采用6个二极管两两串联再并联后分别再中间位置接三相电源A、B、C三相。
当交流电其中一相电压为正时，根据二极管的正向导通反向截至特性，当交流电压为正时导通为负时截至，三相电因每一相相位相差120º，所以三相中阳极电压最高的那一相才能导通，在三相电中各相分别到达阳极电压最高，这样就达到了自然换向的目的，交流电就变为了电压恒为正的直流电从而为励磁绕组供电。
图3-6三相桥式不可控整流电路
三相桥式全控整流电路就是在不可控整流电路的基础上，将不可控整流电路中的6个二极管改换为6个晶闸管如图3-7所示，利用晶闸管的工作特性在特定的时间给与脉冲信号，就可输出不同的整流电压波形[7]。
图3-7三相桥式全控整流电路
4系统的硬件设计
4.1总体硬件设计
本次硬件设计大致可分为五个部分如图4-1所示，第一个部分由电压互感器电流互感器采集机端电压和励磁电流，第二个部分由PLC的模拟量输入输出模块EM235进行模拟量的输入和输出，第三个部分由PLC根据输入的机端电压和励磁电流进行PID调节控制励磁电流的稳定并根据程序设计进行相应的动作[8]。
第四个部分为三相晶闸管触发版，由PLC经EM235输出控制三相晶闸管触发板从而控制整流后的励磁电流大小。
第五个部分为人机交互利用文本显示器TD200进行系统参数的显示和简单的控制。
图4-1励磁系统硬件设计框图
PLC的外部接线图如图4-2所示，PLC上接电压模拟量输入和电流模拟量输入模拟量数据经PLC处理后由模拟量输入输出模块EM235进行模拟量输出控制三项晶闸管触发板从而控制励磁电流的大小改变同步电机的运行状态。
图4-2PLC的外部接线图
4.2PLC的选择
本次设计是基于PLC来进行的，PLC作为本次设计的核心装置，综合励磁控制的功能特点及PLC的功能模块，经过各PLC间的比较最终决定选用SIMENSPLCS7-200（CPU226）作为本次设计的核心装置。
选择S7-200系列PLC是因为其具有以下优点：
（1）性能强大；
（2）拥有模块化的设计；
（3）响应时间短非常适合励磁装置的使用；
（4）体积小便于安装；
（5）强大的通信系统；
（6）大容量的存储器可以写入理想的程序；
（7）有与PLC配套的开发工具和软件（STEP7-MICRO/WIN工程软件）；
（8）文本显示器可以直观的进行人机交互。
利用STEP7工程软件可以实现PID调节对于自动励磁控制装置来说可以代替比较单元，并且S7-200系列PLC可以方便的接入EM235模块，这个模块的主要功能是进行模拟量的输入以及输出，配合这一模块可以方便的将采集到的机端电压等信息输入PLC进行使用。
4.3显示器的选择
人机交互界面选择TD200文本显示器，因为其连接简单操作方便，而且无需外接电源，直接使用专用线缆连接PLC的PPI接口即可。
TD200文本显示器的文本显示区域为LCD屏幕可以显示上下两行信息，显示器本身拥有九个按键其中五个为功能查看选择按键另外四个为自定义按键用户可以根据需求自行决定其功能，利用文本显示器可以方便的修改和查看系统参数。
4.4检测组件的选择
检测组件主要是为了测量机端电压和励磁电流，这里使用电压互感器和电流互感器，为的是将机端电压和励磁电流按比例减小为可供PLC使用的小电流。
互感器经过这些年的发展已经拥有了相当高的精度完全可以满足使用要求。
4.5移相触发单元的选择
移相出发单元可以选择三相晶闸管触发板，这是一种以工业级单片机为核心处理器的晶闸管触发装置，其拥有非常高的稳定性，可以应用在三相桥式全控整流电路，三相桥式半控整流电路，而且拥有三相不平衡自动调整功能，可以提高用电效率节约电能，而且拥有网络通信能力可进行远程控制和监测。
5PLC励磁装置功能设计
5.1励磁电流自动调节
励磁电流的自动调节利用SIMENSPLCS7-200配套的工程软件STEP7中的PID调节指令来实现，只要在软件给定的回路表中赋值就能实现PID运算[9]。
PID调节是一种比例、积分、微分调节，PID调节是由输入信号和给定值来确定输出信号的。
在模拟系统中可以表示为：
式中
————比例放大系数
————积分系数
————微分系数
用离散表达式为：
通过调节上式中参数并结合工程软件STEP7即可实现励磁电流的自动调节。
5.2励磁电流限制
发电机的励磁电流需要进行限制不能过高也不能过低，当发电机工作在欠励磁运行时，发电机的定子电流的相位将会超前机端电压，并从系统中吸收无功功率，发出有功功率。
发电机处于这种状态时的最小励磁电流应进行限制，最小值应设置在发电机的临界失步运行状态的允许值内。
如果发现励磁电流达到最小限制励磁电流时应采取措施适当的提高励磁电流的输出。
相应的还需要设置励磁电流的最大允许值，设置最大励磁电流限制的目的是为了防止励磁电流在很长的一段时间内超出正常值大小，对系统产生损耗对发电机产生危险而设置的保护措施。
当发电机的机端电压下降到额定值80%~85%时励磁装置应当立即进行强行励磁动作提升励磁电流到正常运行时励磁电流的1.6~2倍。
当励磁装置进行强行励磁时由于励磁电流会立刻上升到很大的值，发电机组无法长时间承受强励，时间过长会导致机组温度过高产生安全隐患。
所以为了机组安全应设置最大励磁电流限制，当励磁电流长时间处在一个很高的值，为保护机组安全最大励磁限制功能生效降低励磁电流到安全值。
5.3同步发电机的强行励磁
当电力系统发生故障时发电机的机端电压将会急剧下降，这是如果立刻提高励磁电流到最大允许值使发电机的机端电压迅速升高，这将会稳定电网电压，并且有助于继电保护的灵敏度，当故障排出后可以很快的恢复电网电压的稳定。
这种措施对电力系统的稳定运行拥有重大意义，这一措施就是发电机的强行励磁。
强行励磁一般需满足两个基本要求即励磁顶值电压高，强行励磁响应速度快。
通常我们用两个指标来衡量强励能力，即强行励磁倍数和励磁电压响应比，强励倍数是指当发电机进行强行励磁时，强行励磁所能达到的最大励磁电压UEMAX与机组额定励磁电压UEN之比，我们称之为强励倍数KI。
通过上式可以得知当KI越大那么再强行励磁时的效果就越好，受制与材料和技术的限制强励倍数一般为1.2~2倍。
励磁电压响应比是用来反应励磁电压上升速度的，我们用在强励开始时0.1秒内测得的励磁电压上升的数值与发电机额定励磁电压的比值来表示。
一般来说励磁电压响应比为2，在快速的励磁系统中为6~7。
5.4同步发电机的灭磁
当同步发电机在运行过程中发生内部或外部故障需要将发电机迅速从电网切除时，由于发电机自身存在非常大的感应电动势，并且电动势将继续供给电流到故障部位，这时巨大的电动势将产生很大的电流，这将使发电设备烧毁对发电机组产生严重破坏。
所以在将发电机切除的同时需要将发电机中的剩余电动势进行化解，这就是发电机的灭磁。
我们选择利用放电电阻进行灭磁，在电动机上并联一个非线性电阻当电机需要灭磁时将发电机切除的同时将电阻接入，其优点是电路简单方便维护操控简单，其基本原理就是将磁场能量转换为热能，将电动势消耗在电阻上。
6系统软件设计
6.1控制流程
首先对系统进行初始化，在PLC开始运行时对其主要部件和内部程序进行初始化，当初始化完成说明PLC励磁调节器已经准备完成可以投入使用，初始化完成后当收到开机指令后系统开机，首先进行电压电流信号的测量，并对模拟量进行处理，接下来进行限制判断，这一步是为了对最小励磁电流和最大励磁电流进行限制对励磁电流的大小进行判断进而采取相应的措施，然后进行PID调节根据输入信号的大小进行输出，从而控制三相晶闸管控制板进行移相触发从而控制励磁电流的大小，当系统发生故障时根据机端电压的大小判断强励或灭磁，对相应的故障进行处理如图6-1所示。
图6-1系统程序流程图
6.2PLC梯形图
模拟量的初始化和处理如图6-2所示，主要采集机端电压和励磁电流两种信号，因为PLC无法直接识别模拟量，所以需要对信号进行处理将整数转换为双整数，然后将双整数转换为实数，就可以在PLC中进行数据处理。
图6-2初始化及模拟量处理梯形图
限制判断主要是对如图6-3所示采集到的励磁电流大小进行判断，当励磁电流过大时，图中实数判断常开闭合后进行加法运算进而使后续的PID调节输出值变小，当励磁电流过小时，原理与过大时相反使用实数大小判断并进行减法运算，使后续的PID调节增大输出提高励磁电流，PID控制梯形图如图6-4所示。
图6-3限制判断及处理梯形图
图6-4PID控制梯形图
PID控制主要利用工程软件STEP7中内置的PID向导进行参数的调节[10]。
如图6-5所示利用该向导可以对给定值范围、比例增益、采样时间、积分时间、微分时间以及输出类型等多种参数进行调节，可以在实际的使用中进行实时参数调节。
图6-5PID指令向导图形界面
当系统发生故障时需要进行强行励磁和灭磁，这里强行励磁和灭磁主要是对机端电压大小进行判断当机端电压突然增大或减小，根据电压大小进行相应动作，当电压过小则进行强行励磁首先判断电压大小，若条件符合则切断PID控制并使用加法运算提升输出电压并经过数据转换后进行模拟量输出。
当机端电压过大时，首先切断PID控制并断开机组与电网的连接，同时接入灭磁回路进行灭磁如图6-6所示。
图6-6强行励磁和灭磁梯形图
7结论
励磁装置是电力系统中至关重要的部分，如何控制好励磁电流将影响电力系统的稳定运行，本次设计基于PLC顺利达到目标，励磁装置在实际的运行过程中，可以达到良好的励磁调节作用，并且可以稳定可靠的运行，为同步电机的励磁提供了基于PLC进行开发的方向，励磁装置可以正常运行，并实现各种功能。
利用PLC的丰富指令和PID控制得以实现励磁电流和机端电压的自动调节控制，并对励磁电流进行限制以及故障情况下的强行励磁和灭磁进行实现。
在当前PLC越来越强大的情况下，使用PLC进行励磁控制是一个很好的方向，基于PLC的强大性能丰富的操作指令和简单易学的图形化编程方式，都使基于PLC的励磁装置拥有无限的想象空间，基于PLC的通信能力还可以进行远程监控及配置。
本次设计还存在很多的不足，但励磁装置的基本功能均已实现，随着自动控制和电力电子技术的不断发展基于PLC的励磁装置还存在很大改进的空间，将来一定会有更好的发展和完善。
参考文献
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电子工业出版社,2009.172-175.
致谢
这次毕业设计，在这里非常感谢老师在设计中给我的建议、支持和帮助，非常感谢老师在我写论文期间对我的引导和启发。
在整个论文的选题、理论研究、需求分析、总体设计、详细设计的过程中，自始至终得到了老师的悉心指导和深切关怀。
感谢导师对我论文不厌其烦的精心修改，多次耐心地审阅了论文全稿，提出了许多宝贵的意见。
还有一直在身边支持我的同学，在我遇到
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