調(diào)感式串聯(lián)諧振智能裝置自動化設(shè)計(jì)

舒露絲，孔德彭，周一飛，賴柏樂

(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

隨著用電負(fù)荷的增長，電力系統(tǒng)的規(guī)模在擴(kuò)大，配電設(shè)備容量變大，為了滿足參數(shù)的需求，對設(shè)備進(jìn)行耐壓測試時要求變壓器和調(diào)壓設(shè)備逐漸變大，原來的實(shí)驗(yàn)設(shè)備漸漸地不能滿足容量快速增長的要求[1]。無論從電源容量、設(shè)備重量及電壓波形等角度考慮，利用諧振原理設(shè)計(jì)工頻裝置都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢[2]，本文利用調(diào)感式串聯(lián)諧振的原理，設(shè)計(jì)勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過PLC輸出模擬量調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使得回路中的電抗器電感L和試品 CX發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振電壓即為試品上所加電壓。這樣試驗(yàn)時所需電源的容量基數(shù)就變小，僅為所需容量的品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)(1/Q)，解決了現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)的大容量試品的高耐壓試驗(yàn)，該裝置廣泛用于電力、冶金、石油、化工等行業(yè)，適用于大容量、高電壓的電容性試品的交接和預(yù)防性試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及組成

本裝置分以下幾部分:可調(diào)電抗器、激勵變壓器、電動調(diào)壓器、分壓器、PLC、光纖隔離系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等，各部分功能如下敘述，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 可調(diào)電抗器

該裝置中，我們選擇TKS－31.5可調(diào)電抗器，它可以在額定功率工作情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無級、平滑改變電抗值[3]，當(dāng)參數(shù)滿足或1/wCx=wL時，回路達(dá)到諧振狀態(tài)(UL為電抗器兩端的電壓，UC為被試品兩端電壓)，諧振原理如圖2所示。被試品Cx上獲得的容量SC=I2(1/wCx)，電抗器L上獲得的容量SL=I2·wL，激勵變壓器的輸出容量為 S=U·I=I2R，品質(zhì)因數(shù)Q=SC/S=I2(1/wCx)/I2R=wL/R，通過改變電抗 L，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)回路的品質(zhì)因數(shù)Q，則諧振系統(tǒng)可在被試品CX上獲得Q倍輸入電源的容量[4]。

1.2 激勵變壓器

勵磁變壓器的作用是將變頻電源的輸出電壓升到合適的試驗(yàn)電壓，滿足電抗器、負(fù)載在一不定期品質(zhì)因數(shù)下試驗(yàn)電壓的要求。為了滿足不同電壓等級、不同容量試品的試驗(yàn)要求，勵磁變壓器高壓繞組一般有多個抽頭[5]。本裝置選用 CQSB(J)－10kVA/7kV、50kV(J)/0.4kV。

1.3 電動調(diào)壓器

調(diào)壓器是配合電力設(shè)備中的電壓表、電流表一起使用的，目的是實(shí)時監(jiān)控用電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，本設(shè)備上選用 DT－10kVA/380/0－420 V電動調(diào)壓器，采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)港片鐵心組成，采用全封閉設(shè)計(jì)，操作安全可靠，調(diào)壓器的碳鋼刷片在彈簧壓力下與線圈表明吻合，在線圈上根據(jù)需求進(jìn)行滑動，達(dá)到調(diào)壓目的。

圖1 工頻試驗(yàn)裝置電氣控制原理框圖

1.4 分壓器

高壓分壓器是高電壓測試器件，它由高壓臂C1和低壓臂C2組成，測量信號從低壓臂 C2上引出，作為高壓電測量和保護(hù)信號。

圖2 諧振原理圖

1.5 P LC數(shù)字/模擬量的設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)已經(jīng)在電機(jī)控制、自動生成、閥門開關(guān)、壓力傳感采集及設(shè)定等方面應(yīng)用越來越廣泛[6]，本裝置的PLC采用OMRON公司的CP1E－N40，24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出.輸入I/O分配情況:KM1升壓開關(guān)輔助常開/00000、KM2降壓開關(guān)輔助常開/00001、KM3增間隙開關(guān)輔助常開/00002、KM4減間隙開關(guān)輔助常開/00003、KM高壓開關(guān)輔助常開/00004、閃絡(luò)保護(hù)控制/00005、調(diào)壓上限開關(guān)輔助常開/00006、調(diào)壓下限限位開關(guān)輔助常開/00007、緊急關(guān)斷輔助常開/00008、KL6輔助常開/00009、KL7輔助常開/00010、K2輔助常開/00011;輸出 I/O分配:升壓控制/10000、高壓閉合/10001、降壓控制/10002、增間隙控制/10003、減間隙控制/10004、耐壓測試到位指示/10005、KM5調(diào)壓器電壓控制10006、KM6調(diào)壓器電壓控制/10007，詳細(xì)輸出見電氣原理圖。通過PLC控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動變壓器的升壓與降壓功能。其控制流程圖如圖3。

具體過程合上三相電源開關(guān)，再按下“高壓”按鈕，在按下“高壓”按鈕的同時按下“升壓”按鈕，直到激勵變壓器輸出的電壓為被試品上所需試驗(yàn)電壓1/5Q以下(Q為回路的品質(zhì)因數(shù))，初步通過調(diào)整“增間隙”或“減間隙”按鈕，使得“功率因數(shù)”指示為1.00時，此時回路即達(dá)到諧振狀態(tài)，系統(tǒng)自動閉鎖，調(diào)諧完畢。此時松開“增間隙”或“減間隙”按鈕，同時按下“高壓”和“升壓”按鈕進(jìn)行升壓，由于被試品可能會出現(xiàn)容升現(xiàn)象，當(dāng)回路失諧時，可根據(jù)功率因數(shù)表指示進(jìn)行調(diào)諧，當(dāng)高壓測電壓升至被試品上所需試驗(yàn)電壓的80%時，緩慢升壓至試驗(yàn)電壓值，如果耐壓時間到即按下“降壓”按鈕，將輸出電壓降至零位，再按下“分?jǐn)唷鼻袛嗤獠咳嚯娫础?/p>

圖3 控制流程圖

1.6 光電隔離系統(tǒng)

該系統(tǒng)是弱電和強(qiáng)電綜合的系統(tǒng)，為了保護(hù)人身、設(shè)備安全及正確信息通信，采用光纖隔離系統(tǒng)，具體的實(shí)現(xiàn)是通過 U/F－光纖－F/U模塊把采集的電壓電流轉(zhuǎn)換成模擬量傳遞給上位機(jī)和上位機(jī)，PLC驅(qū)動輸出采取閃絡(luò)保護(hù)電路驅(qū)動可控硅觸發(fā)電路，經(jīng)過U/F－光纖 －F/U控制諧振電路中的高壓可控硅控制點(diǎn)，完成諧振控制。

1.7 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

本裝置設(shè)計(jì)的是一個實(shí)現(xiàn)自動化控制的高壓電力測試系統(tǒng)[7]，功能實(shí)現(xiàn)后是一個典型的SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的有專門開發(fā)的上位機(jī)軟件，安裝在PC工控機(jī)上，通過ADMA通信模塊，結(jié)合現(xiàn)場總線，上位機(jī)使用串聯(lián)諧振系統(tǒng)的入口，達(dá)到上位機(jī)與下位機(jī)建立高效的數(shù)據(jù)通信，實(shí)時的反映下位機(jī)的控制狀態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，上位機(jī)可以以命令的形式使下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動作。除此之外其完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提醒、試驗(yàn)過程控制和、狀態(tài)顯示和歷史數(shù)據(jù)入庫等功能。具體的功能實(shí)現(xiàn):

(1)采集調(diào)壓器輸出電壓 U2、電流 I2，通過串口與 ADAM(智能模塊)通信實(shí)現(xiàn);

(2)模擬量電源電壓U1、電流I1，功率因數(shù)cosφ，高壓U3測量值;開關(guān)量主回路電源閉合狀態(tài)，調(diào)壓器上下限位開關(guān)狀態(tài)，升降壓狀態(tài)，儲能狀態(tài)等。其通過串口與PLC(可編程控制器)通信實(shí)時采集實(shí)現(xiàn);

(3)自動檢測PLC、ADAM通訊端口，完成設(shè)備自檢;

(4)實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)時的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù);

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

(6)通過上位機(jī)軟件下發(fā)各種控制命令，如升/降壓操作，儲能操作，高壓控制開關(guān)操作;

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

(8)試驗(yàn)報(bào)告綜合管理;

1.8 功率因數(shù)測控儀功能

本試驗(yàn)裝置采用HH－9型功率因素測控儀，它采用末處理器作核心控制芯片，能準(zhǔn)確的測定功率因素，并根據(jù)用戶的要求發(fā)出8路控制信號，以滿足各種不同的測控需求。系統(tǒng)諧振電壓等級和容量取決于試品的電容量C，試驗(yàn)電壓U試驗(yàn)頻率f。對于交聯(lián)聚乙烯電纜決定系統(tǒng)配置的主要是:電纜的電壓等級、電纜的截面積、試驗(yàn)電纜的長度及電纜要求的諧振頻率范圍;對于GIS(氣體絕緣金屬封閉組合電器)決定系統(tǒng)配置的因素為:GIS的電壓等級、GIS的間隔數(shù)和每個間隔的電容量C，GIS允許的試驗(yàn)頻率范圍;對于變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，系統(tǒng)的配置取決于試品的容量試驗(yàn)電壓、試品的等效電容量C、要求的諧振頻率和試品的空載損耗的大小。

1.9 觸摸屏

圖4 PLC與觸摸屏通信示意圖

通信信號采用光纖隔離，上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，與PLC控制設(shè)備還有一定的距離，為了近距離實(shí)時控制PLC的裝備，實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互，該系統(tǒng)引入了觸摸屏。這里選擇pro－face品牌的GP－2301觸摸屏，指令豐富，通信簡單，功能完備，小巧方便，很適合中小型控制系統(tǒng)，通過組態(tài)畫面設(shè)計(jì)，把現(xiàn)場控制輸入輸出量展現(xiàn)在控制畫面上，展現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和生成信息報(bào)表。這樣，方便實(shí)際操作，提高生產(chǎn)效率[8]，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。通信示意如圖4所示。

2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電，PLC進(jìn)行初始化，輸出控制量給變頻器進(jìn)而調(diào)整電抗器，基于PID調(diào)節(jié)，使回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振;檢測電路的電流、電壓信號經(jīng)過變送器將電信號 U1、U2、U3，…等參數(shù)通過光纖隔離模塊傳給PLC，U2、I2參數(shù)同步傳給ADAM通信模塊，監(jiān)控軟件通過接口讀取模擬量和開關(guān)量信號，同時實(shí)時監(jiān)控試驗(yàn)各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)。根據(jù)需要可以繪制實(shí)時的U－T曲線，功率因數(shù)cosφ－T曲線，輸出電流I2－T曲線。同時PC可以控制儲能操作、升降操作;若有升壓需求，操作按鈕可以向PLC發(fā)送指令，控制電機(jī)拖動電動調(diào)壓器滑片工作，不斷修正，直到被試品上電壓達(dá)到試驗(yàn)值。系統(tǒng)控制示意如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制示意圖

3 結(jié)束語

大型電力電纜、變壓器、汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)等帶容性設(shè)備，都必須進(jìn)行耐壓測試，該設(shè)備投入使用后減少了所需電源容量，且有儲能作用;當(dāng)試品被擊穿時，瞬間短路電流減少為1/Q，不會出現(xiàn)過電壓;同時調(diào)壓器及激勵變壓器容量都相應(yīng)減少，解決了大電容不易做耐壓測試的難題;系統(tǒng)監(jiān)控軟件帶有各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實(shí)時曲線，觸摸屏現(xiàn)場跟蹤控制，使信息監(jiān)控和實(shí)時操作變得十分方便。

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