一種新型低壓大電流試驗(yàn)裝置

江蘇省低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 丁志東 鄭劍云 張 鈺

0 引言

電器產(chǎn)品溫升試驗(yàn)一般采用可調(diào)低壓工頻交流電源，而溫升試驗(yàn)的目的是測(cè)量試品各部件的最高溫度或溫升，以確定試品是否符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。目前，國(guó)內(nèi)較為廣泛采用的是在試品電源輸入端施加一個(gè)低電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)在試品各分支饋出電路的阻抗或變流器來(lái)獲得試驗(yàn)電流。

傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)方法的缺陷是：①在調(diào)節(jié)試驗(yàn)電流過(guò)程中，由于三相電流不平衡導(dǎo)致調(diào)節(jié)速度緩慢；②電能直接消耗在阻抗或變流器上，試驗(yàn)成本提高；③試驗(yàn)過(guò)程中電網(wǎng)電壓波動(dòng)、連接導(dǎo)線阻抗變化、以及試品本身阻抗發(fā)熱變化，需反復(fù)調(diào)節(jié)阻抗或變流器以恒定電流；④對(duì)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)說(shuō),特別是抽屜式開(kāi)關(guān)柜,除主電路外其分支電路多達(dá)20多個(gè)，分支電路阻抗或變流器調(diào)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無(wú)法保證精度。根據(jù)GB7251.1《低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備》和GB14048.1《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》的要求,成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的主電路及各分支電路必須同時(shí)通額定電流進(jìn)行溫升試驗(yàn)。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法很難適應(yīng)當(dāng)今技術(shù)發(fā)展需要，有必要采用自動(dòng)化程度高的試驗(yàn)裝置來(lái)提高效率并達(dá)到節(jié)能目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

采用短路法進(jìn)行低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)，短路法是所有溫升試驗(yàn)中需要電源容量最小、試驗(yàn)電壓最低的試驗(yàn)方法。圖1是短路法進(jìn)行低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)原理框圖。它是利用對(duì)被測(cè)設(shè)備主電路輸入端直接短接，而通過(guò)多臺(tái)恒流電源通過(guò)搭積木的方式分別并接在被測(cè)設(shè)備各分支饋出回路倒輸入恒定電流以達(dá)到測(cè)試目的。本方法成功克服了原方案無(wú)法解決的銅阻溫升造成電流飄移需實(shí)時(shí)調(diào)整的缺點(diǎn)，不但可以提高檢測(cè)精度，加快校驗(yàn)速度，提高工作效率，而且恒流電源額定輸出電壓低(僅1～2V)，節(jié)能效果可以提高75%以上，大大地降低了能耗。

1.2 工作原理

圖1 積木式溫升試驗(yàn)原理框圖

圖2 低壓大電流試驗(yàn)裝置原理框圖

低壓大電流試驗(yàn)裝置主要由交流配電單元、調(diào)壓變壓器、變流器、電機(jī)控制傳動(dòng)單元、電流采樣單元、人機(jī)界面 (觸摸式液晶屏)、微機(jī)控制單 元(PLC)等組成。

其工作原理如下：電機(jī)控制傳動(dòng)單元接收微機(jī)監(jiān)控單元信息處理的結(jié)果控制調(diào)壓變壓器使交流電源輸出電流自動(dòng)保持恒定。交流采樣單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流電源電流輸出情況并將信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線送入微機(jī)監(jiān)控單元。微機(jī)監(jiān)控單元作為交流恒流電源的數(shù)據(jù)處理中心，以現(xiàn)場(chǎng)總線方式對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行信息采集、處理完成智能化管理，信息處理的結(jié)果一方面將作為人機(jī)界面觸摸式液晶顯示屏的信息來(lái)源；另一方面通過(guò)通信接口傳給上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

1.3 試驗(yàn)裝置特點(diǎn)

本裝置采用數(shù)字化控制、人機(jī)界面、智能傳感技術(shù)方面進(jìn)行了創(chuàng)新屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，符合國(guó)際測(cè)試設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)要求，實(shí)現(xiàn)了交流電源的微機(jī)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，集測(cè)量、控制和數(shù)據(jù)通信一體化。

試驗(yàn)裝置特點(diǎn)如下：①人機(jī)界面選用觸摸式液晶顯示屏，界面清晰直觀，操作簡(jiǎn)單方便；②主控單元選用可編程控制器完成全數(shù)字化智能控制，自動(dòng)化程度高、可靠性好、控制靈活方便；③采用支持現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能型傳感器，以通信方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；④采用大容量隔離變壓器，將系統(tǒng)電源與試驗(yàn)電源進(jìn)行隔離，并在初級(jí)與次級(jí)之間加裝屏蔽層，使電源免受電網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程和諧波干擾保證了電源質(zhì)量；⑤提供串行通信接口，配合自行開(kāi)發(fā)的軟件可與后臺(tái)計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。

2 穩(wěn)流控制

可調(diào)變壓器依靠機(jī)械移動(dòng)調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流控制，當(dāng)有偏差時(shí)，應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減小偏差，當(dāng)偏差為零時(shí)立即停止，但由于機(jī)械慣性和控制的滯后，由命令發(fā)出到電機(jī)停止時(shí)需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間與電機(jī)速度相關(guān)，在這段時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)繼續(xù)移動(dòng)一段距離，可能會(huì)造成過(guò)調(diào)節(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致在目標(biāo)值附近出現(xiàn)震蕩。因此，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)制動(dòng)速度，到接近目標(biāo)值時(shí)速度降到足夠低。PLC穩(wěn)流控制算法的目的是實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)電流偏差，估算調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭距離目標(biāo)位置的路程和當(dāng)前速度下的制動(dòng)距離，當(dāng)制動(dòng)距離大于到達(dá)穩(wěn)流位置路程時(shí)，應(yīng)降低速度使制動(dòng)距離等于計(jì)算路程。如此不斷執(zhí)行調(diào)整和計(jì)算知道進(jìn)入穩(wěn)流范圍。

2.1 三相同步穩(wěn)流

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)壓器穩(wěn)流原理框圖

在三相溫升試驗(yàn)中，往往是中間相電壓較其他兩相低，表現(xiàn)出三相電壓不平衡。因此，三相電壓同步升降是無(wú)法獲得三相相同的電流。穩(wěn)流時(shí)，三相如果以相同速度上升，中間相會(huì)首先達(dá)到目標(biāo)電流，而另外兩相還需要繼續(xù)升壓，這樣用進(jìn)一步升高了中間相電壓，導(dǎo)致中間相電流超出目標(biāo)電流，信號(hào)經(jīng)反饋后對(duì)中間相降壓。如此反復(fù)，中間相會(huì)出現(xiàn)來(lái)回震蕩。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速快，PLC反饋靈敏，震蕩就會(huì)很明顯。因此采用三相相對(duì)同步，即三相電流差異保持在5%以內(nèi)。當(dāng)某相電流超出另外兩相的5%，該相調(diào)壓器暫停升壓，三相都處于5%時(shí)，再進(jìn)行動(dòng)作。實(shí)踐表明，穩(wěn)流過(guò)程的時(shí)間沒(méi)增加，而震蕩現(xiàn)象明顯減少。

2.2 快速穩(wěn)流

電機(jī)的速度控制曲線如圖4所示，曲線的第1段對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流遠(yuǎn)離用戶設(shè)定的目標(biāo)值電流的情況，電機(jī)速度經(jīng)過(guò)加速、恒速、減速3個(gè)運(yùn)行階段，如果負(fù)載電流同目標(biāo)電流相差不是很大，電機(jī)速度曲線可能只有加速、減速段，該算法由PLS2指令自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，PLS2指令充分考慮了電機(jī)的機(jī)械特性，會(huì)以最快的速度發(fā)出控制脈沖但不會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)因?yàn)槊}沖變化太快而出現(xiàn)失步的現(xiàn)象；曲線的第2段對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流接近于目標(biāo)值的低速運(yùn)行情況。

圖4 電機(jī)速度控制曲線

3 裝置在低壓電器溫升試驗(yàn)中的應(yīng)用

低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)完成電能的控制、保護(hù)、測(cè)量、轉(zhuǎn)換和分配。由于低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備深入到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、公共場(chǎng)所、居民住宅等地點(diǎn)。對(duì)于低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備本身來(lái)說(shuō)，重要的就是可靠性，而反映可靠性的一個(gè)最重要的指標(biāo)就是低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備在傳輸、分配電流中的溫升狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)在江蘇省低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心投入使用，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備穩(wěn)流精度達(dá)到1%，電流范圍根據(jù)要求可以在200～5000A范圍內(nèi)積木式搭接。在實(shí)施過(guò)程中，還增加了調(diào)試界面、計(jì)量校準(zhǔn)界面、故障信息界面等。不僅實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的性能需求，還極大地方便了調(diào)試維護(hù)等工作。為行業(yè)內(nèi)試驗(yàn)站提高工作效率及企業(yè)研發(fā)能力的提升，提供了重要保障。

4 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，該裝置穩(wěn)流精度達(dá)到1.5%，可以對(duì)所設(shè)定的試驗(yàn)電流進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)了溫升試驗(yàn)大電流的自動(dòng)穩(wěn)定。該系統(tǒng)主要性能指標(biāo)符合并優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7251和GB14048的規(guī)定，滿足溫升試驗(yàn)的要求。“溫升試驗(yàn)自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)電流自動(dòng)穩(wěn)定。該系統(tǒng)屬智能儀器，操作簡(jiǎn)單，使用方便，功能齊全，減輕了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率，能有效地限制“人”對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的負(fù)面干擾?；赑LC的低壓大電流試驗(yàn)裝置已用于低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的3C型式試驗(yàn)的溫升試驗(yàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。