基于PLC的單相穩壓電源裝置設計

鄧方亮 閻振坤 李新潔 劉曉倩

摘 要：基于PLC的單相穩壓電源裝置改變了傳統穩壓電源采用電位器和波段開關的調節方式，使用PLC為核心的控制系統，利用電壓的疊加原理對控制端的電壓進行補償。利用雙向可控硅電路改變變比實現穩壓，提升了穩壓電源的穩壓精度、抗干擾性在，這里采取基于PLC的控制方法。

關鍵詞：補償式；無觸點；PLC；穩壓器

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

1 目前市場同類產品研究及生產狀況

穩壓器的主要電路結構，從最初的機械碳刷式到無觸點補償式，經歷了好幾代的發展變化，但目前市場上的很多大功率交流穩壓器仍是機械碳刷式結構。機械碳刷式穩壓器有著許多缺點和不足，已遠不能適應現代科技的需要。

國內關于交流穩壓器的研究較為活躍，其研究的主要內容分為兩個大的方向：

1.1 無觸點補償式大功率交流穩壓器[1]

無觸點補償式大功率交流穩壓器[1]提出通過改變變壓器的繞組組合來改變輸出電壓：一種是純補償式，它的拓撲結構如圖1.1所示。

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

1.2 高頻開關型交流穩壓器

高頻開關型交流穩壓器把先進的高頻開關電源技術引入到交流穩壓器中，從而可以取得減小體積和重量，具有效率高、響應速度快的優點[4]。但因其電路復雜，價格很高，難以做到大容量輸出。

2 單相交流穩壓電源的設計

要保證電源裝置能做到精密地控制和可靠地運行，必須采用電力電子技術，在裝置中使用電力半導體器件。基于此，設計了一種新型的采用PLC控制的無觸點補償式大功率交流穩壓器。

2.1 穩壓器電磁原理分析

2.1.1 電壓串聯補償原理

電壓串聯補償技術原理如圖2.1所示。

由圖2.1可知：， 為電網側輸入電壓，為補償電壓，為穩壓器輸出電壓。當低于時，調壓裝置使為正補償；當等于時，調壓裝置不動作，為0補償。當高于時，調壓裝置使為負補償。穩壓器[5]只需補償電壓設定值和實際值的偏差電壓，而無需承擔負荷的全部電壓，采用電壓串聯補償技術研制的穩壓器即可做到。

2.1.2 主電路拓撲結構

穩壓器的主電路拓撲結構如圖2.2所示[6]：主電路由帶分接頭的自耦調壓變壓器和串聯補償變壓器組成。

為通過智能控制系統控制的固態繼電器模塊。通過改變自耦變壓器的變比而控制自耦變壓器的二次電壓，通過改變補償變壓器的一次繞組的接入點而控制補償電壓的正負。與補償變壓器 T2 一次繞組并聯的RC 電路是為了抑制在換擋瞬間因補償變壓器 T2 一次繞組暫時開路而引起的沖擊電流。

2.2 控制系統硬件組成

設計采用西門子S-200系列PLC、模擬量輸入模塊組成控制系統，觸摸屏采用臺達DOP-B系列觸摸屏。控制系統的硬件組成框圖如圖2.3所示。

交流固態繼電器介紹。交流固態繼電器SSR[7]是一種無觸點通斷電子開關（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（如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出控制端。當施加輸入信號后，其中主回路呈導通狀態，無信號時呈阻斷狀態。整個器件無可動部件及觸點，因此又被稱為“無觸點開關”。

2.3 PLC系統設計與程序編寫

2.3.1 PLC主程序編寫

PLC主程序主要是對定時器、初始值、子程序讀取、寄存器、計數等相關設置。程序開始運行時，先將檔位實際輸出初始值進行設置。通過初始化程序，將額定電壓設定設為40V，閾值設為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轉化為0～10V，對應40V為4424，并將其賦值給VW500作為電壓設定值；將1 給VW502默認T3定時器為1*10ms；VW504閾值為0.8V；VW506為檔位判斷前時間間隔；VW510為總周期。

初始化程序2：VW2為當前偏差；VW4為前擋偏差；VW6為執行檔位；VW100為實際檔位；VW98為周期次數；將其全部置0初始化。

初始化程序3：初始化輸出端0100001，對應點數輸出0擋。

電壓判斷程序流程圖如圖2.9所示。

通過設定初始值與采集值進行比較，判斷偏差與零的大小，根據判斷進行檔位判斷，從而調節比例大小，進而調節輸出電壓。

利用PLC控制和電力電子技術，實現了智能的單相交流穩壓電源的設計，它容量更大，可靠性更強，精度更高。克服了機械觸點式穩壓器故障率高、噪聲大、損耗大的缺點，適用于對環境要求較高、對電壓穩定性要求高的用戶。

參考文獻：

[1]郭萍，李建華.無觸點斬波式交流穩壓器[J].江蘇電器，2008（04）：45-48.

[2]馮剛，馮新民，王志勇.補償式交流穩壓器設計[J].江蘇電器，2008（10）：49-52.

[3]江友華，顧勝堅，方勇.無觸點交流穩壓器的特性研究及功率流分析[J].電力電子技術，2007，41（08）：7-9.

[4]譚必禮.交流調壓和穩壓電源的發展動向[J].變壓器，2004，41（05）.

[5]李海林，劉小虎.一種無觸點補償式交流穩壓器的設計[J].船電技術，2010（04）：34-36.

[6]孫海濤，全永強.自動補償式交流穩壓電源的研制[J].變壓器，2005，42（02）.

[7]康秀強.大功率智能交流穩壓電源的設計[J].機電工程，2010，27（05）：60-70.

作者簡介：鄧方亮（1995-），山東樂陵人，本科，學生，研究方向：電氣工程及其自動化。