基于PLC和變頻器的變壓器風冷控制系統設計

曹勝敏，張銅鋼

(唐山學院 裝備制造系，河北 唐山 063020)

基于PLC和變頻器的變壓器風冷控制系統設計

曹勝敏，張銅鋼

(唐山學院 裝備制造系，河北 唐山 063020)

針對油浸自冷式變壓器溫度過高的問題，設計了由S7-200PLC和變頻器構成的強制風冷系統。用該系統對車間變電所的變壓器進行降溫處理，可以改善變壓器的運行環境，提高其負荷率。

變壓器；強制風冷；運行環境

近年來，由于全球環境變化，夏季各地氣溫屢創新高，廠用變壓器面臨高溫考驗。中小型工廠配電變壓器多數采用油浸式變壓器，其容量在1 000 KVA以下[1]，沒有達到加裝風冷系統的標準，均采用油浸自冷式，溫度保護較簡單[2]。某單位配電變壓器為400 KVA，安裝在室內，除給工廠供電外，還為三棟家屬樓供電，曾在2000年擴容，增加了兩個低壓配電屏，負荷率85%，在夏季用電高峰時運行溫度極高。為此筆者給這臺油浸自冷式變壓器設計了風冷控制系統，以改善變壓器的夏季運行環境。

1 油浸式變壓器的工作環境

S9系列變壓器的額定工作條件：①海拔高度不超過1 000 m；②最高環境溫度+40 ℃；③最高年平均溫度+20 ℃；④最高月平均溫度+30 ℃；⑤戶外最低氣溫-25 ℃[3]。

變壓器運行時，繞組、鐵芯、鋼鐵結構件中均要產生損耗，這些損耗將轉變為熱量發散到周圍介質中，從而引起變壓器溫度升高。變壓器的溫升計算，是要計算各部分的溫差和溫升，即繞組對油的溫差、繞組對空氣的平均溫升、油對空氣的平均溫升及頂層油溫升。油浸式變壓器在連續額定容量穩態下的正常溫升限值見表1*見沈陽變壓器有限公司《油浸式電力變壓器設計手冊》，1999年，第147-148頁。。

表1 溫升限值

為了檢測變壓器運行時各部件的溫度，規定以變壓器上層油溫來確定變壓器的允許溫度。允許溫度=允許溫升+40 ℃。通過計算，變壓器頂層油的允許溫度為100 ℃(油不與大氣直接接觸的變壓器)。變壓器本身應有供溫度計用的管座，設在油箱的頂部，并伸入油內120±10 mm[3]，以測量變壓器的頂層油溫。

2 變壓器風冷控制系統的組成及原理

2.1 系統的組成

系統由風機、PLC，溫度傳感器、變頻器構成。

溫度傳感器采用BD-PT-B001型直管封裝鉑電阻PT100，接線方式采用兩線制，工作溫度設定為0～100 ℃，對應輸出信號0～10 V，供電電源24 VDC，用它取代變壓器油溫測量管座中的溫度計。PLC選用S7-200系列CPU224，模擬量輸入模塊EM231，模擬量輸出模塊EM232。4臺風機安裝在變壓器的4個面。選用一臺三菱變頻器，使系統工作更節能。

EM231RTD熱電阻模塊的設定開關SW1-SW5狀態為00100，模擬量輸出模塊EM232用其電壓端子。變頻器的參數見表2。

表2 變頻器參數設置

2.2 控制原理

變壓器頂層油溫達到60 ℃時風冷系統啟動，達到75 ℃時報警。在60～75 ℃之間時，變頻器輸出頻率隨溫度而變化，溫度高則輸出頻率高，風機轉速高。若溫度持續低于60 ℃一個小時后，風冷系統停止。溫度達到90 ℃時，自動切斷變壓器及風冷系統電源。系統將當日最高溫度存入固定存儲空間，以便查詢。系統框圖如圖1。

圖1 系統框圖

控制過程為：將設定溫度存入PLC，傳感器檢測頂層油溫，并變成0～10 V電壓，送給EM231輸入端，存入AIW0。執行PID控制指令，將結果AQW0經D/A轉換后從EM232的M0，V0輸出給變頻器的2和5端，使變頻器輸出相應頻率，控制風機運行，使油溫維持在60 ℃。

3 變壓器風冷控制系統的程序

3.1 PLC的I/O分配表

PLC輸入端有開關量和模擬量兩種信號，但電源均為DC24 V。輸出端的繼電器負載用AC220 V電源，接于第一組輸出端Q0.0-Q0.3，指示燈負載用DC24 V電源，接于第二組輸出端Q0.4-Q0.6，見表3。

表3 PLC I/O分配

3.2 部分程序

系統程序采用模塊式，可以優化程序結構，節省掃描時間。系統程序包括主程序、PID子程序、中斷程序。主程序的功能是調用子程序；PID子程序完成的工作是，確定PID各參數并填入回路表，設置PID運算周期并進行重點連接；中斷程序的功能是讀過程變量油溫值，將過程變量轉化成標準化實數并填入回路表，執行PID指令，將輸出值轉換為符號整數輸出。這里用定時中斷0，其時間間隔存儲器為SMB34，中斷號為10。

(1)

(2)

PID算法是將連續系統PID調節的微分方程(式(1))進行離散化后，再利用PLC處理的重復性，變成如式(2)的形式。

由離散化的PID算法可知，PLC在執行PID調節指令時，需對算法中的9個參數進行運算，為此需要建立一個PID參數表[4]。PID參數表的格式及含義見表4，該表由36個字節組成。

表4 PID參數

PID參數表設置程序如圖2所示，PID運算周期設置及中斷連接程序如圖3所示。

圖2 PID參數設置程序

圖3 PID運算周期設置及中斷連接程序

4 結論

變壓器風冷控制系統用溫度傳感器取代溫度計，實現了對變壓器溫度的檢測，安裝方便，接線簡單，運行可靠，風冷裝置節能運行。工廠的車間變壓器或小型工廠的變壓器，用該風冷裝置進行降溫處理，能夠有效緩解由夏季氣溫升高以及負荷量增大引起的變壓器溫度過高的狀況，減少變壓器事故，保障人身和設備的安全。

[1] 劉介才.工廠供電[M].5版.北京：機械工業出版社，2011：78.

[2] 張銅鋼，曹勝敏，宋鳳娟.基于PLC的工廠主變壓器綜合保護系統設計[J].變壓器，2008，45(11)：16-17.

[3] 謝毓城.電力變壓器手冊[K].北京：機械工業出版社，2003：101.

[4] 徐國林.PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2007：126-129.

(責任編校：夏玉玲)

Design of Transformer Air-Cooling Control System Based on PLC and Frequency Conversion

CAO Sheng-min， ZHANG Tong-gang

(Department of Equipment manufacturing， Tangshan College， Tangshan 063020， China)

The authors of this paper have designed a forced air-cooling system which contains a frequency inverter and S7-200PLC to overcome the problem of overheat. The system is capable of cooling the workshop substation transformers， and improving the transformer’s operating environment and the load rate.

transformer；forced air cooling；operating environment

TP273+.2；TM411

A

1672-349X(2015)03-0032-02

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.011