摘要：根據廠礦企業的實際需要，本系統綜合運用西門子PLCS7-300，WinCC組態、工控機、全數字直流調速等裝置進行組合，對發電機組進行串并聯，實現發電機組的自動化運行，以達到提供工廠所需各種直流電源的目的。同時，系統能對供電過程進行實時監控，減少系統的并聯環流量，提高發電機組工作的發電效率。現場試驗結果表明，系統并聯環流明顯較少且能實現自動運行。
　　
　　引言
　　
　　直流電機在現代工礦企業中有著廣泛的應用，并在不斷發展，與交流電機比較，直流電機具有良好的啟動性能和調速性能。隨著工業生產自動化程度的不斷提高，要求直流電機具有更高的動態特性，更大的過載能力，更寬的調速范圍，更低的轉動慣量，更高的可靠性，耐用性和主要經濟技術指標。而要使直流電機系統達到這些性能指標的必要條件是直流電機系統具有可靠，穩定的直流電源。在工程設計中，往往需要在輸出功率一定的情況下得到大電流、小電壓或小電流、大電壓的穩定直流電源。這就需要將2個或幾個大小相等的直流電源進行并聯或串聯，以得到所需要的直流電源。
　　
　　本系統中，要求直流發電機組能提供不同的電壓和電流，這就要求對直流發電機組進行串、并聯，而并聯不可避免會出現環流，那么在系統中，消除環流是本系統的重要工作之一。PLC控制的直流發電機組自動監控系統能達到發電機組在各種工作方式下的性能要求。系統可以根據實際的需要，自由選擇適當的工作方式，監控系統的運行參數，減少環流，使它控制在可行的范圍內，以滿足系統的各項性能要求。
　　
　　1、系統構成
　　
　　1．1系統框架
　　
　　根據實際要求，系統采用圖1所示的系統架構圖進行設計。控制系統主要由工控機，PLC，全數字直流調速裝置（CUD1），發電機組（同步機（G1，G2），直流發電機（GA、GB））4部份組成。其中，GA-G1-GB為1#發電機組，GA-G2-GB為2#發電機組。工控機通過以太網監控PLC的輸入／輸出數據，PLC控制直流調速裝置。直流調速裝置通過調節直流發電機的勵磁電流來控制直流發電機，以輸出所需要的電壓、電流，zui后得到實際所需的直流電源。發電機的輸出數據（電樞電流、電樞電壓）反饋至PLC進行誤差分析，有效地實現了閉環控制。
　　
　　1．2直流發電機組并聯環流分析
　　
　　兩臺參數一致的直流發電機并聯，當它們的輸出電壓相等時，并聯工作為*狀態，在這種情況下系統不會產生環流，并將穩定運行。但實際系統中發電機由于制造工藝、材料等客觀原因，造成發電機參數存在差異，往往使得兩同軸發電機在相同勵磁電流下的靜態輸出電流并不相等，而是存在差異。圖2中將兩直流發電機等效為兩直流電源，其感應電動勢分別為E1，E2，其內阻分別為R1，R2，其并聯輸出電流為Io，并聯輸出電壓為Uo。這里設定E1大于E2形成環流Is，并對電路進行分析。單個發電機的輸出電流由負載分量和環流分量組成，將負載分量定義為Io。
　　
　　對電路進行分析，可得以下關系：根據基爾霍夫電壓、電流定律，得：
　　
　　式中：E為感應電動勢；Ce為電動勢常數；n為轉速；φ為磁通；Kf為比例常數；If為勵磁電流。
　　
　　根據式（2）～式（4）可得：
　　
　　即只要使勵磁電流If1=If2即可保證環流為零。實際系統中，R1≠R2。式（5）中Ce，Kf1，Kf2，n，Uo是相對一定的，在既定的系統中是不可調的。故需要根據實際的需要來調節勵磁電流If1，If2的大小，以使環流為零，或使得環流在系統所允許的范圍內。
　　
　　2、系統設計
　　
　　使用STEP7對西門子PLCS7-300進行組態和編程，使用WinCC組態人機界面，對系統進行在線監控。
　　
　　2．1系統調節方式
　　
　　整個系統運行，首先需要經過同步機的并網，用同步機拖動直流電機進行發電，根據需要輸出的電壓、電流要求，選擇不同的運行方式。本系統共有單機或串聯、先串聯后并聯、先并聯后串聯、三并聯、四并聯5種工作方式，通過對這5種方式的調控，輸出系統所需要的電壓、電流。并網后，當發電機組在不同試驗步驟中要求運行在五種工作方式中的一種時，需對五種工作方式的發電機組進行調節。基本的調節方式有單機調節和兩并聯調節。其中，單機調節適用于所有工作方式，兩并聯調節適用于所有有相應機組并聯的方式。
　　
　　（1）單機調節。單機調節是比較實際輸出電壓和給定電壓的差值是否大于系統標準，若大于則進行判別，確定增加還是減少相應的勵磁電流，使直流電機輸出的電樞電壓及其設定的電樞電壓差值保持在一定范圍內，具體調節流程如圖3所示。
　　
　　系統啟動后，對給定電壓和實際輸出判斷，當實際輸出大于給定電壓ua（ua為系統設定的誤差允許值）時，再進行進一步判斷實際輸出是否大于給定電壓ub（ub為判定是用微調方式還是粗調方式的臨界電壓），如大于ub則對勵磁電流進行粗調，如小于、等于ub，則進行細調。
　　
　　（2）并聯調節。并聯調節中，同一直流電機組中的直流發電機A，B并聯，雖然電機型號一樣，但由于制造工藝和材料的差異，輸出電壓會有所不同，進而形成環流。如果A機的輸出電樞電壓大于B機的輸出電壓，則A機電動勢大于B機，需要減少A機勵磁電流，增大B機的勵磁電流，反之，需要增加A機勵磁電流，減少B機勵磁電流，具體調節流程如圖4所示。
　　
　　系統啟動后，*行單機調節，然后分別將兩發電機的輸出電流與并聯輸出電流的1／2進行比較，zui后確定相應發電機的勵磁電流調節，以達到系統的要求。
　　
　　2．2系統工作方式
　　
　　直流發電機組運行為了輸出需要的電壓、電流，有單機或串聯，先串聯后并聯，先并聯后串聯，三并聯，四并聯5種工作方式。這5中工作方式的調節方式都是基于單機調節和并聯調節的。由于在先并聯后串聯，先串聯后并聯兩種工作方式中，其調節方式實際上就是單機調節和2并聯調節的2種特殊情況，這里不在作具體分析。在此重點分析三并聯和四并聯兩種工作方式。
　　
　　（1）三并聯工作方式。使用1#A、B，2#A，三并聯形成環流如圖5所示。　　
　　三并聯調節方式要進行2個調節步驟：1#A，B并聯調節；三并聯時，各機1#A（I1）、1#B（I2）、2#A（I3）需單獨將自身電樞電流與總電流的1／3進行比較，來確定增、減勵磁電流使電樞電流平衡，具體調節流程如圖6所示。系統啟動后，*行單機調節，再進行1#機組的并聯調節，然后分別將3個發電機的輸出電流與并聯輸出電流的1／3進行比較，確定相應發電機的勵磁電流的調節。　　
　　（2）四并聯方式。四并聯方式（使用1#A、B，2#A、B），其連接和環流形成示意圖如圖7所示。　　
　　四并聯調節電樞電流平衡，要進行2個調節步驟：
　　
　　（1）1#A，B；2#A，B并聯調節；
　　
　　（2）各機組1#A（I1），1#B（I2），2#A（I3），2#B（I4）需將自身電樞電流與總電流的1／4進行比較，來確定增、減勵磁電流使電樞電流平衡，具體調節流程如圖8所示。　　
　　3、人機界面設計
　　
　　本設計中，利用WinCC完成系統的人機界面設置。WinCC操作界面由5部分組成：系統主界面，工作方式界面，1#機組操縱界面，2#機組操縱界面，報警界面。
　　
　　（1）系統主界面。系統主界面主要由系統工作方式、發電機組的選擇以及報警界面的選擇組成。其框架圖如圖9所示。　　
　　（2）工作方式界面。工作方式界面由2個發電機組的工作方式設定組成。能夠對2個發電機組的工作方式進行設定以滿足系統的實際需要，其框架圖如圖10所示。　　
　　（3）機組操縱界面。這里以機組1#為例，其界面截圖如圖11所示。　　
　　通過機組操縱界面可以對同步電機的驅動電壓、輸出電流大小和頻率，兩直流發電機的輸出電流、電壓，兩直流發電機的勵磁電流、電壓進行監控。同時通過操縱界面還可以對直流發電機組電壓進行設定，和對同步電機和兩直流發電機的勵磁電壓、電流進行調節。
　　
　　（4）狀態與報警界面。系統的報警界面由各電動機的故障報警、熔斷器狀況、運行狀況、串并聯保護、斷路器狀態和控制方法選擇組成，其界面截圖如圖12所示。　　
　　4、結語
　　
　　經試驗調試后，PLC控制的直流發電機組自動監控系統被投入工廠運行。實際生產證明其能提供所需的穩定直流電源。系統運行結果表明，系統環流控制精度高，運行穩定，故障率低。系統控制操作簡單，系統能對發電機組運行狀態進行及時地監控和數據采集，發電機組的功率比得到提高，節能效果明顯。