基于PLC的單相穩(wěn)壓電源裝置設(shè)計(jì)

鄧方亮 閻振坤 李新潔 劉曉倩

摘 要：基于PLC的單相穩(wěn)壓電源裝置改變了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源采用電位器和波段開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方式，使用PLC為核心的控制系統(tǒng)，利用電壓的疊加原理對(duì)控制端的電壓進(jìn)行補(bǔ)償。利用雙向可控硅電路改變變比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，提升了穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓精度、抗干擾性在，這里采取基于PLC的控制方法。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)償式；無(wú)觸點(diǎn)；PLC；穩(wěn)壓器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.176

1 目前市場(chǎng)同類產(chǎn)品研究及生產(chǎn)狀況

穩(wěn)壓器的主要電路結(jié)構(gòu)，從最初的機(jī)械碳刷式到無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式，經(jīng)歷了好幾代的發(fā)展變化，但目前市場(chǎng)上的很多大功率交流穩(wěn)壓器仍是機(jī)械碳刷式結(jié)構(gòu)。機(jī)械碳刷式穩(wěn)壓器有著許多缺點(diǎn)和不足，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代科技的需要。

國(guó)內(nèi)關(guān)于交流穩(wěn)壓器的研究較為活躍，其研究的主要內(nèi)容分為兩個(gè)大的方向：

1.1 無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式大功率交流穩(wěn)壓器[1]

無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式大功率交流穩(wěn)壓器[1]提出通過(guò)改變變壓器的繞組組合來(lái)改變輸出電壓：一種是純補(bǔ)償式，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

通過(guò)雙向可控硅的通斷，控制補(bǔ)償變壓器組合的投入、退出或改變極性，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。可控硅通過(guò)橋臂形式，直接接在相線與零線之間（220V），因而工作電壓高，換檔時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流大；同時(shí)，這種電路在可控硅誤導(dǎo)通時(shí)，很容易造成相線與零線之間短路，瞬間就會(huì)燒毀可控硅，故其可靠性很差。另一種是自耦調(diào)壓補(bǔ)償式[2][3]，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)控制雙向可控硅的通斷，來(lái)切換自耦變壓器的抽頭，從而改變補(bǔ)償變壓器補(bǔ)償電壓的大小和極性，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

1.2 高頻開(kāi)關(guān)型交流穩(wěn)壓器

高頻開(kāi)關(guān)型交流穩(wěn)壓器把先進(jìn)的高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)引入到交流穩(wěn)壓器中，從而可以取得減小體積和重量，具有效率高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)[4]。但因其電路復(fù)雜，價(jià)格很高，難以做到大容量輸出。

2 單相交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

要保證電源裝置能做到精密地控制和可靠地運(yùn)行，必須采用電力電子技術(shù)，在裝置中使用電力半導(dǎo)體器件?；诖?，設(shè)計(jì)了一種新型的采用PLC控制的無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式大功率交流穩(wěn)壓器。

2.1 穩(wěn)壓器電磁原理分析

2.1.1 電壓串聯(lián)補(bǔ)償原理

電壓串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)原理如圖2.1所示。

由圖2.1可知：， 為電網(wǎng)側(cè)輸入電壓，為補(bǔ)償電壓，為穩(wěn)壓器輸出電壓。當(dāng)?shù)陀跁r(shí)，調(diào)壓裝置使為正補(bǔ)償；當(dāng)?shù)扔跁r(shí)，調(diào)壓裝置不動(dòng)作，為0補(bǔ)償。當(dāng)高于時(shí)，調(diào)壓裝置使為負(fù)補(bǔ)償。穩(wěn)壓器[5]只需補(bǔ)償電壓設(shè)定值和實(shí)際值的偏差電壓，而無(wú)需承擔(dān)負(fù)荷的全部電壓，采用電壓串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)研制的穩(wěn)壓器即可做到。

2.1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

穩(wěn)壓器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.2所示[6]：主電路由帶分接頭的自耦調(diào)壓變壓器和串聯(lián)補(bǔ)償變壓器組成。

為通過(guò)智能控制系統(tǒng)控制的固態(tài)繼電器模塊。通過(guò)改變自耦變壓器的變比而控制自耦變壓器的二次電壓，通過(guò)改變補(bǔ)償變壓器的一次繞組的接入點(diǎn)而控制補(bǔ)償電壓的正負(fù)。與補(bǔ)償變壓器 T2 一次繞組并聯(lián)的RC 電路是為了抑制在換擋瞬間因補(bǔ)償變壓器 T2 一次繞組暫時(shí)開(kāi)路而引起的沖擊電流。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S-200系列PLC、模擬量輸入模塊組成控制系統(tǒng)，觸摸屏采用臺(tái)達(dá)DOP-B系列觸摸屏。控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2.3所示。

交流固態(tài)繼電器介紹。交流固態(tài)繼電器SSR[7]是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān)（Solid State Relays），由輸入電路，隔離（耦合）和輸出電路三部分組成。它利用電子元件（如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開(kāi)關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，為四端有源器件，其中兩個(gè)端子為輸入控制端，另外兩端為輸出控制端。當(dāng)施加輸入信號(hào)后，其中主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，因此又被稱為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。

2.3 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與程序編寫(xiě)

2.3.1 PLC主程序編寫(xiě)

PLC主程序主要是對(duì)定時(shí)器、初始值、子程序讀取、寄存器、計(jì)數(shù)等相關(guān)設(shè)置。程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，先將檔位實(shí)際輸出初始值進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)初始化程序，將額定電壓設(shè)定設(shè)為40V，閾值設(shè)為2V，并將所有輸入輸出端口和寄存器初始化。

初始化程序1：由于PLC量程為（-27648～27648），電壓變送器的量程0～250V轉(zhuǎn)化為0～10V，對(duì)應(yīng)40V為4424，并將其賦值給VW500作為電壓設(shè)定值；將1 給VW502默認(rèn)T3定時(shí)器為1*10ms；VW504閾值為0.8V；VW506為檔位判斷前時(shí)間間隔；VW510為總周期。

初始化程序2：VW2為當(dāng)前偏差；VW4為前擋偏差；VW6為執(zhí)行檔位；VW100為實(shí)際檔位；VW98為周期次數(shù)；將其全部置0初始化。

初始化程序3：初始化輸出端0100001，對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)輸出0擋。

電壓判斷程序流程圖如圖2.9所示。

通過(guò)設(shè)定初始值與采集值進(jìn)行比較，判斷偏差與零的大小，根據(jù)判斷進(jìn)行檔位判斷，從而調(diào)節(jié)比例大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。

利用PLC控制和電力電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能的單相交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，它容量更大，可靠性更強(qiáng)，精度更高。克服了機(jī)械觸點(diǎn)式穩(wěn)壓器故障率高、噪聲大、損耗大的缺點(diǎn)，適用于對(duì)環(huán)境要求較高、對(duì)電壓穩(wěn)定性要求高的用戶。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：鄧方亮（1995-），山東樂(lè)陵人，本科，學(xué)生，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。