基于PLC的工頻串聯諧振試驗裝置設計*

賴柏樂，孔德彭，羅 杰

（浙江工業大學教育科學與技術學院，浙江杭州310014）

0 引言

隨著電力系統的發展，運行設備的容量越來越大，使得試驗變壓器和調壓器的體積變得越來越大且十分笨重，所以使用傳統的試驗變壓器已經無法滿足要求［1］。針對這些大容量設備的交流工頻耐壓試驗，前人在這一領域已經做了很多的研究，他們利用諧振原理研發了一些工頻試驗裝置，這些裝置在輸入電源容量、設備重量和試驗電壓波形等各方面都具有相當的優勢［2］。

鑒于上述研究背景，本研究結合PLC 控制原理，將PLC與工頻試驗裝置相結合，通過PLC控制電機的轉動，調整調壓器的輸出值，使試品上電壓達到所需要的電壓值；從而使試驗時所需電源的容量大大減少，僅為試品所需容量的1/Q（Q為品質因數），使原來很難在現場實現的大電容試品的耐壓試驗得以實施。

1 試驗裝置結構及組成

試驗裝置原理如圖1所示。

從原理圖中可以知道，該裝置主要包括以下幾個重要組成部分：可調電抗器、激勵變壓器、電動調壓器、PLC、調感式串聯諧振系、觸摸屏。各部分詳細功能介紹如下。

圖1 試驗裝置原理圖

1.1 可調電抗器

可調電抗器能在額定工作下，平滑、無級、連續地改變電抗值［3］。該裝置將選用TKS-31.5可調電抗器，通過調節電抗器的電感量，使：

式中：U L—電抗器兩端的電壓，U C—被試品兩端電壓。

即：

此時回路達到諧振狀態，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：

激勵變壓器的輸出容量為：

品質因數為：

通過改變電抗L，適當地設計回路的品質因數Q，諧振系統可在被試品C X上獲得Q倍輸入電源的容量。

1.2 激勵變壓器

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

1.3 電動調壓器

該裝置中采用DT-10 kVA/380/0-420 V電動調壓器，電動調壓器是采用進口優質矽鋼片環鐵芯組成，配備電壓表、電流表，實時監控用電設備的運行狀況［5］。產品采用全封閉設計，操作安全可靠。調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，電機帶動碳刷在線圈磨光面上滑動而進行電壓調整。

1.4 PLC數字/模擬量的設計

近年來，隨著大規模集成電路的發展，以微處理機為核心組成的可編程控制器得到了迅速的發展［6］，在電動機的運行控制、電磁閥的開閉、產品的計數、溫度壓力等的設定和控制等方面，可編程控制器正發揮著越來越大的作用［7］。該裝置的PLC采用OMRON 公司的CPM1A-40CDR-A-V1，24點輸入/16點輸出。通過PLC控制電機的正反轉，從而實現電動變壓器的升壓與降壓功能。

在該試驗裝置中的具體I/O地址分配如表1所示。

表1 PLC的I/O點分布情況

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 調感式串聯諧振系統

調感式串聯諧振系統是一個SCADA系統，是一個可以實現自動化控制的高壓電力試驗系統［8］。上位機軟件主要負責試驗數據的顯示，控制試驗過程和狀態。該系統應用了計算機技術和工業現場總線技術，并結合工業自動化技術而實現的智能化試驗系統［9］。

1.5.1 軟件系統實現的功能

（1）通過串口與ADAM（智能模塊）通信，實時采集調壓器輸出電壓U2、電流I2；

（2）通過串口與可編程控制器（PLC）通信實時采集各模擬量和開關量。模擬量包括電源電壓U1、電流I1，功率因數cos?，高壓U3測量值；開關量包括主回路電源閉合狀態，調壓器上下限位開關狀態，升降壓狀態，儲能狀態；

（3）設備通訊端口自動檢測，自動檢測PLC、AD?AM通訊端口；

（4）實時監測試驗時的各種狀態和數據；

（5）繪制試驗時高壓U3的實時曲線U3-T；功率因數cos?-T，調壓器輸出電壓U2-T，輸出電流I2-T；

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

（7）試驗數據管理，自動保存試驗數據到數據庫，并自動生成試驗報告；

（8）試驗報告綜合管理。

1.6 功率因數測控儀

該試驗裝置采用HH-9 型功率因數測控儀，它采用微處理器作核心控制芯片，能準確地測定功率因數，并根據用戶的要求發出8路控制信號，以滿足各種不同的測控需求［10-11］。

1.7 觸摸屏

為了更好實現人機交互，該系統引入了觸摸屏，選擇eview品牌的MT4300C觸摸屏，其小巧方便，通信簡單，功能完備，軟件設計簡單易學，很適合中小型系統集成，通過觸摸屏，將把系統所需要控制的內容，編寫成相應的程序，最終在觸摸屏的界面上顯示出來。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］。

本研究通過組態軟件先建立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 程序設計

該試驗裝置首先調整可調電抗器，使回路產生串聯諧振；通過電流變送器、電壓變送器將電路各部位的U1、U3…U7等參數傳給PLC，將U2、I2參數實時傳給ADAM 通信模塊，CHX（L）軟件系統通過串口與PLC、ADAM 模塊通信，實時采集各模擬量和開關量，實時監控試驗時的各種狀態和數據，并繪制試驗時高壓U3的實時曲線U3-T，功率因數cos?-T，調壓器輸出電壓U2-T，輸出電流I2-T。操作者根據測得的數據，決定是否應該儲能操作、升降壓操作，如果需要升壓，則通過控制面板的操作按鈕向PLC發送指令，通過PLC控制電機的轉動，使電動調壓器工作。不斷循環這樣的操作，直到被試品上的電壓達到試驗值。

控制示意圖如圖5所示。

圖5 控制示意圖

3 結束語

各種大型電力變壓器、電力電纜、汽輪及水輪發電機及其他容性設備的交流耐壓試驗都必須嚴格按照試驗規程定期進行，采用本工頻諧振試驗裝置大大減少了試驗時所需電源的容量，并且具有儲能的作用，當被試品擊穿時，不會出現過電壓，瞬時的短路電流減小為原來試驗的1/Q［13］。由于試驗電源容量小，調壓器、控制臺和激勵變壓器的容量都相應減少，使得原來很難在現場實現的大電容試品的耐壓試驗得以實施。

該系統采用CNX（L）軟件系統，能夠實時監控試驗時的各種狀態和數據，并繪制相應的實時曲線，這使得操作變得更加方便。

（References）：

［1］孔德鵬，廖家平.S7-200 PLC 在中水回用氣水反沖洗DA型濾池中的應用［J］.電氣應用，2005，24（6）：29-32.

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［12］甘紅勝，鄧 謹，裘文陽.基于PLC 控制的電動水閥安全檢測系統［J］.機電工程，2009，26（11）：104-106.

［13］郭慧靜，楊宗霄.基于PLC的啤酒膜包機的送切膜控制系統改造［J］.輕工機械，2008，26（6）：62-64.