基于PLC的工頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)*

賴柏樂(lè)，孔德彭，羅 杰

（浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310014）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，運(yùn)行設(shè)備的容量越來(lái)越大，使得試驗(yàn)變壓器和調(diào)壓器的體積變得越來(lái)越大且十分笨重，所以使用傳統(tǒng)的試驗(yàn)變壓器已經(jīng)無(wú)法滿足要求［1］。針對(duì)這些大容量設(shè)備的交流工頻耐壓試驗(yàn)，前人在這一領(lǐng)域已經(jīng)做了很多的研究，他們利用諧振原理研發(fā)了一些工頻試驗(yàn)裝置，這些裝置在輸入電源容量、設(shè)備重量和試驗(yàn)電壓波形等各方面都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)［2］。

鑒于上述研究背景，本研究結(jié)合PLC 控制原理，將PLC與工頻試驗(yàn)裝置相結(jié)合，通過(guò)PLC控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整調(diào)壓器的輸出值，使試品上電壓達(dá)到所需要的電壓值；從而使試驗(yàn)時(shí)所需電源的容量大大減少，僅為試品所需容量的1/Q（Q為品質(zhì)因數(shù)），使原來(lái)很難在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的大電容試品的耐壓試驗(yàn)得以實(shí)施。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及組成

試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。

從原理圖中可以知道，該裝置主要包括以下幾個(gè)重要組成部分：可調(diào)電抗器、激勵(lì)變壓器、電動(dòng)調(diào)壓器、PLC、調(diào)感式串聯(lián)諧振系、觸摸屏。各部分詳細(xì)功能介紹如下。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖

1.1 可調(diào)電抗器

可調(diào)電抗器能在額定工作下，平滑、無(wú)級(jí)、連續(xù)地改變電抗值［3］。該裝置將選用TKS-31.5可調(diào)電抗器，通過(guò)調(diào)節(jié)電抗器的電感量，使：

式中：U L—電抗器兩端的電壓，U C—被試品兩端電壓。

即：

此時(shí)回路達(dá)到諧振狀態(tài)，諧振原理如圖2所示。

圖2 諧振原理圖

被試品C X上獲得的容量為：

電抗器L上獲得的容量為：

激勵(lì)變壓器的輸出容量為：

品質(zhì)因數(shù)為：

通過(guò)改變電抗L，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)回路的品質(zhì)因數(shù)Q，諧振系統(tǒng)可在被試品C X上獲得Q倍輸入電源的容量。

1.2 激勵(lì)變壓器

在該裝置中，筆者采用CQSB（J）-10 kVA/7 kV、50 kV（J）/0.4 kV，勵(lì)磁變壓器的作用是將輸出的電壓升到合適的試驗(yàn)電壓［4］。

1.3 電動(dòng)調(diào)壓器

該裝置中采用DT-10 kVA/380/0-420 V電動(dòng)調(diào)壓器，電動(dòng)調(diào)壓器是采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)矽鋼片環(huán)鐵芯組成，配備電壓表、電流表，實(shí)時(shí)監(jiān)控用電設(shè)備的運(yùn)行狀況［5］。產(chǎn)品采用全封閉設(shè)計(jì)，操作安全可靠。調(diào)壓器的碳刷在彈簧壓力作用下與線圈的磨光表面緊密吻合，電機(jī)帶動(dòng)碳刷在線圈磨光面上滑動(dòng)而進(jìn)行電壓調(diào)整。

1.4 PLC數(shù)字/模擬量的設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，以微處理機(jī)為核心組成的可編程控制器得到了迅速的發(fā)展［6］，在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制、電磁閥的開(kāi)閉、產(chǎn)品的計(jì)數(shù)、溫度壓力等的設(shè)定和控制等方面，可編程控制器正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用［7］。該裝置的PLC采用OMRON 公司的CPM1A-40CDR-A-V1，24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出。通過(guò)PLC控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)變壓器的升壓與降壓功能。

在該試驗(yàn)裝置中的具體I/O地址分配如表1所示。

表1 PLC的I/O點(diǎn)分布情況

PLC電氣控制接線圖如圖3所示。

圖3 PLC電氣控制接線圖

1.5 調(diào)感式串聯(lián)諧振系統(tǒng)

調(diào)感式串聯(lián)諧振系統(tǒng)是一個(gè)SCADA系統(tǒng)，是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的高壓電力試驗(yàn)系統(tǒng)［8］。上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示，控制試驗(yàn)過(guò)程和狀態(tài)。該系統(tǒng)應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并結(jié)合工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的智能化試驗(yàn)系統(tǒng)［9］。

1.5.1 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）通過(guò)串口與ADAM（智能模塊）通信，實(shí)時(shí)采集調(diào)壓器輸出電壓U2、電流I2；

（2）通過(guò)串口與可編程控制器（PLC）通信實(shí)時(shí)采集各模擬量和開(kāi)關(guān)量。模擬量包括電源電壓U1、電流I1，功率因數(shù)cos?，高壓U3測(cè)量值；開(kāi)關(guān)量包括主回路電源閉合狀態(tài)，調(diào)壓器上下限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)，升降壓狀態(tài)，儲(chǔ)能狀態(tài)；

（3）設(shè)備通訊端口自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)PLC、AD?AM通訊端口；

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)；

（5）繪制試驗(yàn)時(shí)高壓U3的實(shí)時(shí)曲線U3-T；功率因數(shù)cos?-T，調(diào)壓器輸出電壓U2-T，輸出電流I2-T；

（6）通過(guò)上位機(jī)軟件下發(fā)各種控制命令，如升/降壓操作，儲(chǔ)能操作，高壓控制開(kāi)關(guān)操作；

（7）試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理，自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)，并自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告；

（8）試驗(yàn)報(bào)告綜合管理。

1.6 功率因數(shù)測(cè)控儀

該試驗(yàn)裝置采用HH-9 型功率因數(shù)測(cè)控儀，它采用微處理器作核心控制芯片，能準(zhǔn)確地測(cè)定功率因數(shù)，并根據(jù)用戶的要求發(fā)出8路控制信號(hào)，以滿足各種不同的測(cè)控需求［10-11］。

1.7 觸摸屏

為了更好實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該系統(tǒng)引入了觸摸屏，選擇eview品牌的MT4300C觸摸屏，其小巧方便，通信簡(jiǎn)單，功能完備，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易學(xué)，很適合中小型系統(tǒng)集成，通過(guò)觸摸屏，將把系統(tǒng)所需要控制的內(nèi)容，編寫成相應(yīng)的程序，最終在觸摸屏的界面上顯示出來(lái)。這樣，不但大大提高了操作的方便性，而且能夠顯著提高工作效率［12］。

本研究通過(guò)組態(tài)軟件先建立PLC 與觸摸屏之間的通信，示意圖如圖4所示。

圖4 PLC與觸摸屏通信示意圖

2 程序設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)裝置首先調(diào)整可調(diào)電抗器，使回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振；通過(guò)電流變送器、電壓變送器將電路各部位的U1、U3…U7等參數(shù)傳給PLC，將U2、I2參數(shù)實(shí)時(shí)傳給ADAM 通信模塊，CHX（L）軟件系統(tǒng)通過(guò)串口與PLC、ADAM 模塊通信，實(shí)時(shí)采集各模擬量和開(kāi)關(guān)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)時(shí)的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并繪制試驗(yàn)時(shí)高壓U3的實(shí)時(shí)曲線U3-T，功率因數(shù)cos?-T，調(diào)壓器輸出電壓U2-T，輸出電流I2-T。操作者根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，決定是否應(yīng)該儲(chǔ)能操作、升降壓操作，如果需要升壓，則通過(guò)控制面板的操作按鈕向PLC發(fā)送指令，通過(guò)PLC控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使電動(dòng)調(diào)壓器工作。不斷循環(huán)這樣的操作，直到被試品上的電壓達(dá)到試驗(yàn)值。

控制示意圖如圖5所示。

圖5 控制示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

各種大型電力變壓器、電力電纜、汽輪及水輪發(fā)電機(jī)及其他容性設(shè)備的交流耐壓試驗(yàn)都必須嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程定期進(jìn)行，采用本工頻諧振試驗(yàn)裝置大大減少了試驗(yàn)時(shí)所需電源的容量，并且具有儲(chǔ)能的作用，當(dāng)被試品擊穿時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，瞬時(shí)的短路電流減小為原來(lái)試驗(yàn)的1/Q［13］。由于試驗(yàn)電源容量小，調(diào)壓器、控制臺(tái)和激勵(lì)變壓器的容量都相應(yīng)減少，使得原來(lái)很難在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的大電容試品的耐壓試驗(yàn)得以實(shí)施。

該系統(tǒng)采用CNX（L）軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控試驗(yàn)時(shí)的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)的實(shí)時(shí)曲線，這使得操作變得更加方便。

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