目前大多数同步电机都采用异步起动的方法，当转速上升到亚同步转速（ n = 95% n 0）时，再给励磁绕组通以直流励磁电流，使转子建立磁场，依靠定子、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩将转子牵入同步。可见，同步电机励磁系统的性能直接影响到电机起动和运行的可靠性与稳定性。
选矿厂原球磨同步电机励磁装置采用的是三相全控整流桥模拟控制电路，运用电压负反馈， 6块触发脉冲板分别对可控硅进行触发，但缺点较多：励磁系统和触发脉冲环节性能不稳定，模拟控制线路复杂，调节精度低，稳定性较差。系统参数修改不方便，无法进行精确量化调试，输出波形质量差，影响产品质量和生产效率。模拟电路元件精度低，特性差，存在温度、时间漂移，易损坏，维修、备件费用较大。
2励磁系统改造方案
2 1概述
选矿厂球磨同步电机励磁系统改造的结构原理框图所示。球磨同步电机的直流励磁给定采用全数字直流调速装置（西门子6RA70整流器）。
6RA70整流器作为同步电机的直流励磁电源，其自动投入是通过滑差检测环节检测同步电机转子滑差的变化，并将检测信号反馈至S7 300PLC，最后通过PLC发出命令，控制6RA70实现对同步电机的直流励磁电源自动控制。
2 2硬件、软件选型
1）硬件设备选型根据球磨同步电机励磁电压/电流（ 140 V /270 A ）的具体参数要求，选用型号为D420 /400 M req GeGF6V 62（输出400 V /400 A ）的S IMOREG DC M aster 6RA70整流器作为励磁驱动装置。
PLC选用西门子中小控制规模的S7 300PLC（ CPU 315 2DP）作为DP主站负责32台球磨机的自动化控制，通过DP总线对6RA70的电枢输出（即同步电机的励磁投入）进行控制，同时采集6RA70的反馈信息送至上位机PC，并在HM I中实时监控。
2）软件选型STEP7 （ V5 3）：用于由SIMAT IC S7 300 /400 PLC控制的自动化系统的硬件与软件的管理，可实现PLC的硬件配置、参数设置、通信组态、编程测试、运行监控及诊断维护等功能；W inCC（ V6 0 ）：西门子视窗控制中心，用于人机界面（HM I）的开发设计软件；DriveM on iter：西门子传动控制软件，用于对6RA70进行参数设置与监控。
3数字化改造分析
对球磨同步电机励磁系统各组成单元的工作原理分别进行介绍。
1）变压器：将定子电源6 kV高压母线降为400 V作为整流器的电源，同时还可将同步电机的无功补偿回馈到电网一次侧，从而提高6 kV母线的功率因素。
2）自动灭磁环节：由于同步机在定子降压或全压异步起动时，转子绕组将产生很大的感应电动势，因此必须设计转子灭磁电路，用以保证在正常起动转矩的同时达到转子自动灭磁的效果。
3）滑差检测环节：如所示，同步电机在异步起动过程中，转子回路的感应电压是一个频率由50 Hz向0 H z衰减的正弦波，某一时段转子电压的频率（ f 2）对应着该时段电机的滑差率（ S ）。
当同步电机起动至亚同步转速（同步转速的95% ）时，可得此时转差率S = 0 05，又因f 2 = f 1？ S，可得此时转子电压的频率f 2 = 2 5（H z），即周期T 2 = 0 4 s.滑差检测环节检测到的转子电压滑差信号经光电耦合器转换为方波信号送至PLC中，当PLC检测到该方波信号达到0 4 s且在上升沿时，即向6RA70发出投励命令，从而实现了同步电机的自动投励。
4）无功补偿环节：由于球磨机为大功率负载，同步电机主回路电流随负载变化而变化。为保持转子同步， 6RA70通过检测定子主回路的有功电流信号，并通过自己内部的电流调节器自动调整励磁输出，实现自动增磁，从而使同步电机在负载波动的情况下能保持转子同步及较稳定的功率因数，可靠运行。
5） 6RA70整流器： 6RA70通过其中央控制器控制功率整流单元，通过电流电压数字变换器采集反馈信号实现恒电压输出（不需要调速）。在投励时，主站PLC命令6RA70的电枢输出部分向同步电机的转子输出一阶跃直流电源，将电机拖入同步。通过对6RA70励磁电压和电流的合理设置，可使同步电机的功率因素达到0 90 0 95左右，从而体现了同步电机对电网的无功补偿功能。
6） S7 300PLC： S7 300PLC作为系统的自动化站，通过DP总线对32台6RA 70的励磁投入进行集中控制，同时采集各6RA70的反馈信息送至HM I中进行实时监控。
PLC的程序设计采用了模块化的编程方式，即按照控制任务将程序划分成几个功能块，具体包括：自动程序、DP通信程序、控制台/机旁两地手动与检修程序、显示及故障报警程序、主要执行设备定期检修提示程序以及系统初始化与复位程序。
7）同步电机的电气保护：同步电机除了6RA70本身所具有的直流输出过流、过压等保护以外，在励磁回路及定子高压部分还设计有一套完善的继电保护系统。如励磁回路的零励磁保护及失步保护、定子主回路的定子过电压阻容保护、定子过电流断路器跳闸保护、电机轴承过热保护、电机独立冷却风机跳闸保护以及减速机稀油润滑回路保护等。
4基于PROFIBUS DP、工业以太网的车间级自动化网络的构建
选矿厂球磨机系统的自动化网络结构，采用了目前自动化领域领先的现场总线和工业以太网技术。 PROFIBUS DP现场总线将球磨生产线所有分布式I/O从站及6RA70整流器串连起来，与主站S7 300PLC进行通信。主站S7 300PLC负责控制各6RA70对各自同步电动机直流励磁的自动投入，并通过分布式I/O从站ET200M对励磁系统相关的I/O信号进行连接与控制，以实现电气保护和故障报警（BBJ系列防爆声光报警器）等功能。由于分布在整个生产线上的PROF IBUS从站数超过了32个（一个PROFIBUS网段最多可有32个站点），所以将DP总线分为两段，并用RS485中继器进行两个PRO FIBUS网段的连接。
另外，主站PLC通过CP343 1工业以太网通讯处理器、ESM电气网络交换模块与车间级自动化网络工业以太网进行通信。在车间级工业以太网中，通过工程师站（ ES）实现对生产参数的输入，实时进行数据监控和管理以及HM I的设计与发布。
通过操作员站（ OS）访问ES发布的HM I，还可实现对整个球磨生产线生产状况（包括传动系统的动作情况及电机的参数、曲线及故障报警等信息）的实时远程监控。基于PROFIBUS DP、工业以太网的车间级自动化网络的构建，大大提高了系统的技术含量及装备水平。
5结语
选矿厂球磨同步电机励磁系统的全数字化改造，实现了电机起动过程中转子滑差自动检测、自动投励、准确的阻容灭磁、零励磁保护、失步保护、励磁驱动器故障保护等功能，同时还实现了基于PROFIBUS DP、工业以太网的车间级自动化网络的远程监控。系统经改造并投入生产后，运行稳定、可靠，控制精确，自动化程度高，现场使用、维护方便，事故次数及时间明显减少，取得了良好的技术和经济效益。
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