KGLF2C型同步机励磁装置说明书.docx
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KGLF2C型同步机励磁装置说明书
1、概述
KGLF-2C型同步电动机励磁装置，系我厂开发研制的全数字化产品。
装置控制核心由SEIMENS公司S7200-PLC和Pro-faceGP37W2-BG41-24V触摸屏与KGLF-2型微机励磁控制器组成,主回路选用6只KP500A/1000V晶闸管风冷器件组成三相全控桥可控硅整流供电，采用全数字控制技术，运行参数由人机界面触摸屏设定,微机智能完成的转差率检测、灭磁控制、运行显示、实时投励、脉冲形成、故障自诊断等功能，此励磁装置具有：
良好自诊断功能，能够进行运行参数及故障管理，可在线修改和显示当前运行的各种参数，并可循环存储故障信息，并且运行可靠、技术先进、结构简单、功能齐全、性能稳定、调试方便、维护简单等优点。
2、适用范围
本励磁装置可适用于水泵、鼓风机、气体压缩机、球磨机、粉碎机、轧钢机等负载类型的同步电动机励磁系统。
3、工作环境
3.1海拔高度不超过2000米；
3.2周围介质温度为-20℃～+40℃；
3.3周围介质相对湿度不超过85%（相当于温度20±5℃）；
3.4环境没有导电及易爆尘埃，没有腐蚀气体。
4、引用标准
4.1GB10585-89中小型同步电动机励磁系统基本技术要求；
4.2GB12667-90同步电动机半导体励磁装置总技术条件；
4.3GB3797-83电控设备第二部分：
装有电子器件的电控设备；
4.4GB3859半导体电力变流器；
4.5GB2681电工成套装置中的导线颜色；
4.6GB2682-81电工成套装置中的指示灯和按钮的颜色；
4.7GB10233-88电气传动控制设备基本试验方法；
5、励磁装置的型号及规格
5.1型号说明
5.2规格系列
励磁装置额定功率
柜体外型尺寸
（高×宽×深mm）
三相干式整流变压器
（Δ/Y-11）（Y/Y-12）
300A/50V
2000×800×650
35kVA380V/75V53A/268A
300A/75V
2000×800×650
50kVA380V/110V76A/263A
300A/110V
2000×800×650
70kVA380V/160V106A/254A
300A/140V
2000×800×650
85kVA380V/200V129A/246A
300A/170V
2000×800×650
105kVA380V/245V159A/248A
500A/50V
2200×800×800
50kVA380V/75V76A/384A
500A/75V
2200×800×800
75kVA380V/110V114A/395A
500A/110V
2200×800×800
100kVA380V/160V152A/362A
500A/140V
2200×800×800
130kVA380V/200V196A/374A
500A/170V
2200×800×800
160kVA380V/245V242A/376A
500A/220V
2200×800×800
210kVA380V/300V318A/403A
6、性能指标
6.1励磁输出电压可调范围
励磁输出电压可在额定值的10%～125%范围内平滑可调。
6.2励磁装置输出能力
励磁系统在额定输出电压40%～100%范围内，能输出额定电流并连续运行。
6.3按转差率投全压、投励磁
投全压转差率为10%，误差不超过±10%，投励磁转差率为5%，并保证顺极性投励。
6.4恒流调节励磁
当电网在额定电压的80%～110%变化时，恒流励磁调节偏差不大于±4%。
6.5过流和欠流整定范围
系统具有过流和欠流保护，过流保护可整定范围为额定值的80%～180%，欠流保护可整定范围为额定值的20%～60%。
6.6起动超时保护
超过正常起动时间的上限值不投励，励磁系统自动跳闸停机。
6.7失步保护
同步电动机一旦失步，励磁绕组中的直流电流必然叠加着较大的交流分量，交流分量的峰值达到额定励磁电流的50%并持续一定时间，系统确认失步，同步电动机联锁停机。
7、主要特点
7.1系统具有三种投励磁方式:
7.1.1当转子的转速达到电机额定转速的95%时（国标），立即投励磁，该为优先级投励；
7.1.2按转子感应电压的最小幅值投励，同步电动机在起动后，随着转速的升高，转子感应电压的幅值会愈来愈低，当此值降至相当于50周交流电压8～10伏有效值时自动投励，为次优先级投励；
7.1.3当转子转速达到电机额定转速的90%～95%后，微机重复检测转差信号十次延时2～3s投励，为次优先级投励。
7.2具有双路灭磁功能
为了保证设备的安全性，系统设计为低电压和高电压双路灭磁。
同步电机在异步起动过程中,低电压灭磁先灭磁，起动电阻的投入和切除由计算机来控制，由于电阻投入瞬间电压较低，一般仅为额定励磁电压的0.1～0.2倍，从而同时也抑制了转子感应的过电压，保证转子绝缘不受损坏，使电机具有良好的异步驱动特性。
投励后低电压灭磁取消，高电压灭磁依然存在，保证若转子绕组一旦产生高压，灭磁可及时开通，起到保护系统的作用。
7.3系统可选工作方式
7.3.1恒角给定方式；
7.3.2电压PI控制方式
7.3.3电流跟踪方式
为了使同步电动机投励后能迅速、平滑、可靠地拖入同步，系统设有强励整步控制。
即在投励开始时，励磁电压可强励1.1～1.4倍，时间1～50S。
强励倍数和时间根据需要可任意设定。
7.6具有完备的故障自诊断、报警、保护和显示功能
装置送电后,单片机首先检查供电电源是否欠相,快熔是否熔断,如果有欠相或快熔损坏,发出故障信号,系统不允许开车。
开车前将工作方式开关XK置于“调试”位置，可以很方便地检查装置整流、灭磁、投励等环节工作是否正常，从而确保开车万无一失。
系统中的五路稳压电源、六组脉冲、运行状态、以急欠相、快熔熔断、失磁、过磁、失步、启动超时等各类故障等都有发光二极管显示，同时还有故障代码显示功能。
还可以在触摸屏上查询故障类型以及发生故障时间，可查询200个故障记录。
7.7具有直观的起动过程监控和显示
起动过程中将转差信号的频率折算为数码显示，采用倒计数方式显示,操作人员可以直观地监视同步电动机异步起动全过程。
7.7具有200个故障循环记录功能
7.8具有时时励磁电流、励磁电压运行曲线录波功能
8、同步电动机控制基本原理简介
凸极式同步电动机电磁功率表达式为：
PM=P＇M＋PM=m
＋
（
－
）
相应的电磁转矩表达式为：
M=M＇+M＇＇=m
＋
（
－
）
由此可见凸极式同步电动机的电磁功率PM（电磁转矩M）由两部分组成，一部分为基本分量P＇M（M＇），另一部分为附加分量P＇＇M（M＇＇）。
凸极式同步电动机的附加分量与励磁的状态无关，而隐极式同步电动机Xq=Xd，附加分量P＇＇=0，M＇＇=0，因此后面的分析不考虑附加分量，因此同步电动机的电磁功率和转矩的表达式简化为
PM=m
M=m
电动机空载时：
机械负载转矩M2=0，空载损耗P0≈0，则空载转矩M0≈0
电磁转矩M=M2＋M0≈0则M=m
≈0
≈0θ≈0
θ≈0表明转子磁极轴线与定子等效磁极轴线几乎重合，此时电机过载能力最强，最不易失步。
电动机加负载时：
加载时两组磁极系统的轴线被拉开，
θ就有一定数值，负载愈大，θ愈大
当θmax=
时
=1时，Mmax=m
电磁转矩最大。
负载超极限：
当α到达θmax以后，如负载再加大，此时两组磁极轴线进一步拉开，当θ＞θmax时，PM及M不但不增加，反而出现M＜M2＋M0的现象，电动机便减速，以致θ更增大，减速愈甚，结果导致转子不能与定子等效旋转磁极同步运行，电动机处于失步状态，被迫停转。
这种电磁现象在物理模型中表现为表征磁拉力的弹簧被拉断，引起失步停转。
所以为了保证同步电动机能十分安全而稳定运行，在额定工作下，一般使θ＝30°左右。
因为同步电动机的最大电磁转矩M与E0成正比，E0又与励磁电流IL成正比，因此加大励磁电流IL可以增大电磁转矩。
如果电动机负载突然增加的同时增加其励磁，就能提高电动机的电磁力矩，增加系统的稳定性，从而避免失步。
9.1同步电动机恒定励磁拖动冲击负载的分析
同步电动机恒定励磁拖动冲击负载运行，根据轻载，满载和超载，用磁势向量图所对应的电流向量来表示
A—轻载B—满载C—超载
从图A、B、C可见，当施加于同步电动机的定子电压UB和励磁电流IL一定，这样合成磁势fH（IH）就确定了。
如果同步电动机负载增加时，其定子有功电流Iy就增加（Iy3＞Iy2＞Iy1），因为转子励磁电流IL不变，当负载增加时，励磁电流IL只沿着“轨迹图”M-N移动向量，而绝对值不变（即IL1=IL2=IL3），故同步电动机和定子回路无功电流IW从容性变成了感性，（IW1＞IW2均为容性，IW3则为感性）。
因此同步电动机定子电流IB1和IB2分别超前定子电压UB的角度为Φ1和Φ2，所有电动机的功率因数cosΦ1和cosΦ2超前（Φ1＞Φ2），而定子电流IB3落后UB的角度为Φ3，所以功率因数cosΦ3滞后。
从上分析可知，恒定励磁拖动冲击负载时，随着负载的增加，功率因数角Φ愈来愈小，最后从超前变至滞后；功率角θ越来越大，当θ＞90°时，同步电动机无法维持静态平衡，因此要失步。
结论：
9.1.1恒定励磁电流的同步电动机静态过载能力为：
=
=
=
=2
9.1.2负载变化时，为避免失步，应保证功率因数cosφ
超前运行。
9.1.3适用于稳定负载，如：
球磨机、鼓风机、压缩机等。
9.2恒无功调节励磁电流
恒无功调节励磁电流向量图如右：
对于冲击负载，为了使电动机稳定运行不失步，同时避免电网受到过大的电流冲击，可采用恒无功调节励磁电流。
上图绘出了同步电动机空载运行及突加负载运行时各电量参数变化的关系，施加于同步电动机定子电压UB一定，转子励磁电流为IL1，对应定子电流IB1分解为一部分有功电流Iy1（空载损耗），一部分容性电流IW1。
此时定子电流IB1超前定子电压UB为φ1角，功率因数cosφ1超前，此时同步电动机输出无功电流IW1。
当同步电动机负载突加时，有功电流Iy1增加至Iy2，通过无功闭环控制使IL1增加至IL2，保持同步电动机定子电流轨迹按“恒无功线”M`—N`变化，使同步电动机输出的无功电流IW2=IW1不变。
此时同步电动机定子电流IB2与UB夹角为Φ2，功率因数Φ2仍超前。
卸载后，励磁电流IL2回到IL1，系统又回到空载状态下运行。
9.3恒功率因数调节
恒功率因数调节励磁电流的向量图如下：
设同步电动机在某一负载下运行，其定子电流为IB1，有功电流Iy1，无功电流IW1，励磁电流IL1，功率因数cosφ1≈0.9（超前）。
当负载变化时，通过功率因数调节器闭环控制，使定子电流IB沿着“恒功率因数”轨迹线M＇＇—N＇＇变化。
即励磁电流IL1→IL2，功率角θ1→θ2，定子电流由IB1增大至IB2，无功电流由IW1增大至IW2，从而维持功率因数角φ1=φ2从而确保功率因数不变，即cosφ1=cosφ2。
恒功率因数调节控制除了避免同步电动机不会因突加冲击负载而失步外，还可以向电网提供足够数量的无功电流。
9、励磁装置工作原理
9.1主回路部分
9.1.1主回路的组成和功能
装置主回路完成整流和灭磁两大功能，系统采用三相全控桥可控硅整流电路，向同步电动机转子绕组提供直流励磁电流。
灭磁回路由可控硅7、8KGZ与二极管GZ反并联组成，实际上组成为一个大功率电子开关，完成同步电动机在异步起动过程中串入起动电阻，起动结束后自动切除，保证同步电动机在异步起动期间，转子励磁绕组既不开路也不短路，从而避免励磁绕组承受过电压和过电流。
9.1.2励磁回路三相全控桥可控硅1～6KGZ的选择
（1）可控硅1～6KGZ电流容量的选择
可控硅整流器允许等效发热电流，即有效电流（导通角180°）
I=1.57IKGZ式中IKGZ——可控硅正向平均电流
（2）实际线路中可控硅整流器的等效发热电流
I＇=
IL=0.578IL
考虑强励1.4倍
I＇＇=1.4×0.578IL=0.81IL
（3）根据等效发热原则，可控硅1～6KGZ的正向平均电流
IKGZ≥
=
=0.515IL
式中Id—转子最大负载时的励磁电流
9.1.3可控硅整流器1～6KGZ的正反向峰值电压的选择
UKGZ≥
=
=
=9.4UL
式中：
K1—可控硅串联时均压系数取0.9
K2—可控硅正反向峰值电压的安全系数取1.7
9.1.4励磁装置主回路三相整流变压器的选配
三相整流变压器采用△/Y-11或Y/Y-12接线方式，一次侧线电压为AC380V。
整流变压器视在功率：
P=P1=P2=
U2I2×10-3[kVA]
整流变压器二次线电压：
U2=
＝
≈（1.3～1.5）UL
整流变压器二次线电流：
I2=
=IL
=
×IL≈0.816IL
KC=1.2～1.4强励倍数
0.8—电网电压波动系数
UL——满载时励磁电压
IL——满载时励磁电流
αK≤25°～30°最小控制角（即α限制）
αN——满载时控制角，一般在60°左右
说明：
⑴当电网下降为额定值的80%时，励磁系统保证顶值电压倍数不小于1.4。
⑵强励电流允许1.4倍，时间不得超过50s。
此时整流变压器仅作过载运行。
10.励磁装置控制部分：
系统控制部分包括S7200PLC、Pro-face触摸屏、KGLF-2型微机励磁控制器三部分组成。
PLC主要完成继电回路逻辑控制工作方式切换、运行时PI调节以及对外通讯等工作，Pro-face触摸屏主要完成系统参数设置和运行时故障、工作时间、设定运行参数信息查询，触摸屏具有励磁电流和励磁电压录波曲线信息查看。
KGLF-2型励磁控制器里由主机MC87C51和副机AT89C51单片机组成。
励磁控制器主要完成频率测量及投励、脉冲形成、故障检测及处理。
10.1.1转子感应电压频率的测量
同步电动机起动时,转子感应电压的频率随着转速的上升逐渐下降,同步电动机一旦起动,单片机就立即检测转子感应半个周波的时间,从20ms开始,数码管记“9”,中间每增加20ms,数码减1,到200ms时数码管显示“0”。
同步电动机在异步起动过程中，当转子转速达到同步转速的90％时，转子感应电压的频率5Ｈz，周期0.2s，半周时间为100ms，计算机一旦检测到该值，立即投全压。
投全压后，电动机的转速将继续上升，当转速增加到同步转速的95％时，转子感应电压的频率为2.5Ｈz，周期为0.4s，半周时间为200ms，计算机检测到此值，迅速进入整流程序,输出脉冲,装置投入励磁,同时接通投励工作指示,关掉低压灭磁并开放失磁保护和失步保护等。
10.1.2脉冲形成
同步信号Ta、W3提供正偏移，及励磁调节器的输出信号Uk,三者通过运算放大器综合处理后作为单片机外部中断请求INT0的输入信号，当INT0从1变0时,单片机接受中断,立即发出第一组脉冲去触发1#可控硅，同时给6#可控硅补一个脉冲。
以后每间隔60°发下一组脉冲,触发相应的可控硅,直至一个周期六组脉冲发完,再等待下一次中断。
改变Uk的大小就改变了中断申请的时刻,达到控制角的目的。
为了提高整流电压波形的对称度，系统还不断监测电网的频率，随时对60°定时进行修正，确保整流电压波形对称，这样产生的脉冲精度高,无需外部调整,且稳定可靠。
10.1.3故障保护
系统具有进线电源空开跳闸、电源掉相、快熔熔断、欠磁、失步、过流、起动超时等保护。
这些故障主要由辅机监控检测，一旦确认故障发生，辅机立即通知主控计算机，主机接收此信号后迅速作出相应的故障处理，发出故障显示和声响信号，接通高压油断路器分闸回路，同步电动机紧急停车。
同时系统推β逆变运行，将励磁绕组储存的能量回馈电网，延时5～6s后封锁脉冲。
故障发生后由辅机记忆故障原因，并显示故障代码，以便查询处理。
数字代码
显示方式
故障原因
控制状态
匚
常亮
/
待机
0→9
动态倒计数
/
到0后投励
1
闪亮
电源掉相
报警停车
2
闪亮
快熔熔断
报警停车
3
闪亮
欠磁
报警停车
4
闪亮
失步
报警停车
5
闪亮
励磁过流
报警停车
6
闪亮
整步失败
报警停车
7
闪亮
起动超时
报警停车
8
常亮
失控
报警停车
10.1.4电动机异步起动时转速和转差率对应数码管显示表
同步电动机异步起动时转速和转差率对应数码管显示值
数码管值
周期T（S）
半波检测时间（ms）
转差频率f2（Hz）
转差率S
电机转速ne%
9
0.04
20
25.00
0.5000
50.0
8
0.08
40
12.50
0.2500
75.0
7
0.12
60
8.33
0.1667
83.3
6
0.16
80
6.25
0.1250
87.5
5
0.2
100
5.00
0.1000
90.0
4
0.24
120
4.17
0.0833
91.7
3
0.28
140
3.57
0.0714
92.9
2
0.32
160
3.13
0.0625
93.8
1
0.36
180
2.78
0.0556
94.4
0
0.4
200
2.50
0.0500
95.0
转差率S=（电机信号频率f2（Hz）/工频f1（50Hz）
转差率S=（电机额定转速ne-电机运行转速n）/电机额定转速ne
电机运行转速n=电机额定转速ne-转差率S*电机额定转速ne
11.触摸屏人机界面及参数设置
Pro-faceGP37W2-BG41-24V工业级触摸屏作为一种新型的人机界面，具有功能强大、性能稳定、简单易用、全中文显示等优点。
该触摸屏屏幕尺寸为5.7吋，4灰度级颜色，320×240分辨率。
它符合工业环境的电磁兼容要求CISPR（EN55011）Group1，A级电磁辐射符合EN50081-2和USFCCCLASSA工业标准。
抗干扰符合EN50082-2工业标准。
通过该触摸屏可以对KGLF-2C型全数字励磁装置的运行参数、工作方式、故障事件和累计工作时间进行监视或调节。
1.当励磁装置通电后，触摸屏首先自动显示主画面（如图1）：
图1 图2
2.随后手指点击触摸屏屏幕左下角的“功能选择”按钮，屏幕左边将弹出选择菜单（如图2）：
分别点击不同的按钮可进入不同显控窗口。
3.点击“主画面”按钮，屏幕将显示主画面窗口（如图3）。
在这个窗口下可显示设备运行的基本参数。
窗口上部为设备运行时整流电流的曲线图，根据事先设定可记录一定时间内的曲线。
窗口的中部为工作方式指示，通过文字反映装置当前的工作运行方式。
窗口的下部为运行参数指示，通过直观的数字显示运行时的实际电压、电流。
图3图4
4.点击“功能选择”菜单中的“设定”按钮，将进入工作方式选择及运行参数设定窗口（如图4）。
5.在工作方式选择及运行参数设定窗口中有两个醒目的按钮，分别为“工作方式选择”和“运行参数设定”。
因为点击这两个按钮将进入调试人员使用的窗口，所以点击任一个按钮将进入密码输入窗口（如图5）。
图5图6
6.进入密码输入界面后就可以用窗口下方的数字键盘输入密码，密码在窗口上方的文本框中一以*号的形式显示，然后按“ENT”按钮确认。
如密码正确，将进入设定窗口。
因“工作方式选择”和“运行参数设定”的级别不同，进入不同窗口使用不同的密码（密码在出厂前已设定好，进入工作方式设定的密码为“1111”，进入运行参数设定的密码为“2222”）。
输入正确密码后，将分别进入不同的窗口（如图6，图7）。
图7图8
7.图6为工作方式选择窗口，在该窗口中有两组选择开关，点击后可分别选择“恒角”、“闭环控制”、“恒压”、“恒流跟踪”方式。
同时在主画面窗口对应切换成不同的工作方式。
8.图7—11均为运行参数设定窗口，在这三个窗口中可对“PI采样时间”、“P”、“I”、“起动强励值”、“起动强励时间”、“低电压强励值”、“低电压强励时间”、“上限幅”、“下限幅”、“过流值”、“欠磁值”、“延时”、“定子欠压强励点”等运行所需参数进行设定。
（如图7—11所示）。
图9图10
图11图12
9.点击“功能选择”主菜单中的“给定”按钮，可进入运行给定参数设置窗口（如图12）。
注意，设置了不同的工作方式后，进入的给定选择窗口也不一样。
对应的窗口中设置的参数也不同。
在不同的给定窗口中可以对设备运行时的电流或者电压进行调整。
窗口上部左侧为设定值，右侧为实际运行值。
下部分别有粗调和精调按钮，粗调按钮可快速调整设定值，粗调分辨率为10，精调按钮可精确调整设定值，精调分辨率为１。
10.在“主画面”的下方中部有一个“运行参数报表”的按钮（如图3），点击可进入运行参数报表画面（如图13）。
此报表中可详细查询运行中的励磁电压及励磁电流的精确值。
11.点击功能选择菜单中的“故障”按钮，可进入故障报警记录显示窗口（如图14）：
图13图14
当柜发生故障时，在该窗口中将显示各种故障。
显亮的是故障发生的年、月、日、时间和故障类型，灰暗的是显示已解除的故障，白色为故障未解除。
通过窗口右侧的按钮可查寻故障的历史记录，并可掉电保持。
12.点击功能选择主菜单中的“时间”按钮，将进入系统时间和累计工作时间显示窗口。
在该窗口里可以观察到设备的累计工作时间和除摸屏的当前系统时间（如图17）。
13.当系统由于长时间停电而使得PLC电池电量耗尽时，PLC中保存的系统运行参数就会丢失，重新启动系统时，只需进入出厂设定画面进行简单的设置，即可恢复原来的运行参数设置，方便快捷。
（如图15，16。
进入出厂参数设置画面的密码为“3333”。
）
图15图16
14.点击功能选择菜单中的“产品”按钮，将进入产品介绍窗口。
在该窗口中可以了解到我厂的主要产品、本励磁装置的简要操作说明及我厂的联系方式（如图18）。
15.设备调试或运行时，每个窗口都有一个“返回”按钮，点击该按钮，窗口将退回上一级，直到主画面。
也可以点击左下角的“功能选择”按钮，弹出选择菜单直接选择需进入的窗口按钮，点击进入。
图17图18
12.网络通讯
本励磁装置采用S7200-PLC外挂标准的通讯接口EM277单元，选用PROFIBUS---DP通讯协议。
通讯接口如下：
1．主站地址：
S7-300为主站。
2．从站地址：
从1#号同步机到X#号同步机，EM277通讯地址分别为10+X#。
3．EM277偏移量：
从1#号同步机到X#号同步机，EM277通讯偏移量均为580。
4
升级会员 