基于PLC控制的恒流充電電流發生器設計

楊志浩，周 霄，任曉明，徐靖宸

(1. 上海電機學院，上海 201306；2.國網重慶市電力公司萬州供電分公司，重慶 404100)

高電壓恒流源主要用于電容器的恒流充電和電除塵。恒流充電是脈沖功率技術中的一項重要技術[1-4]。恒流充電有以下幾種充電方式：(1)L-C諧振恒流電路，其原理是輸入的正弦交流電壓U經T型恒流網絡變換,產生恒定的正弦交流電流,再經升壓變壓器變換和硅堆整流,得到恒定的脈動直流電流[5-8]；(2)逆變恒流電路，其原理是使用電力電子器件和采用反饋控制的方法可以實現高電壓恒流源[9]；(3)采用低壓恒流源加逆變器結構的恒流源。該方法先進行整流然后利用斬波器電路，用以實現高頻恒流變換，輸出恒定電流，再通過逆變電路產生恒值方波電流[10-11]。本文提出一種以PLC控制可控硅導通角的充電方式，結構簡單，易于精確控制。

1 恒流充電原理

可控硅恒流充電原理圖如圖1所示。圖1所示的電路中，利用PLC控制繼電器使接觸器KM1吸合，將50 Hz、220 V工頻交流電輸入可控硅的輸入端進行調壓，調壓電路輸出電壓的大小要合適，否則會造成充電時間過長或太短的情況；再經限流保護電阻R3后由變壓器TR1升壓至二次側的全橋整流電路D1，整流后再經高壓保護電阻R8給主電容C1充電。使用給定輸出電壓進行充電時，充電電容上的電壓會不斷地上升，充電電流也將隨之減小，因此在變壓器的兩側會造成回路的電流大小有所變化。

在選擇控制策略時，可通過控制變壓器原邊電流不變達到恒流的目的。

圖1 可控硅恒流充電原理圖

變壓器結構示意圖如圖2所示。根據KVL定律并且結合變壓器一次側的電動勢平衡方程得到：

(1)

若可控硅的觸發延遲角一定時，則變壓器原邊輸出恒定電壓，根據式(1)可知充電電流不斷減小。要達到恒流充電的目的可通過增大調壓電路輸出電壓U以維持電流的不變，在實際電路的運行過程中，需要減小可控硅的觸發延遲角以增大輸出電壓。

圖2 變壓器結構示意圖

BFMb15-b8b7b6b5b4b3b2b1b00保留A/D通道的數據當前值輸入數據16保留A/D通道的數據當前值輸出數據17保留保留D/AA/DA/D啟動啟動通道1-5,18-31保留

2 單相交流調壓模塊

單相交流調壓模塊的原理如圖3所示，電源輸入端的電壓經調壓后輸出相應的電壓，單相調壓電路僅改變輸出交流有效值的大小，而不改變輸入電源的頻率。

圖3 單相交流調壓電路原理

圖4是控制電壓與導通角的關系圖，控制電壓的大小與可控硅的觸發延遲角是成反比的關系，特殊功能模塊給的控制電壓越高時可控硅的觸發延遲角越小，可控硅兩端的輸出交流電壓有效值越大。

控制電壓范圍是0～10 V，故在選取PLC特殊功能模塊時需要考慮到其輸出范圍。它的有效輸入范圍是1.5～9.5 V，當控制電壓小于1.5 V時，可控硅無法導通，模塊無電壓輸出；當控制電壓大于9.5 V時，可控硅完全導通，相當于兩個二極管的反并聯。1.5～9.5 V的有效輸入范圍對應于可控硅觸發延遲角的150°-0°。在某一可用控制電壓對應的α角度的輸入輸出關系如圖5和圖6所示。因此，輸入電壓與觸發延遲角存在著線性的關系，即控制電壓在1.5 V基礎上增加了1 V，可控硅觸發延遲角減小18.75°。在設定一個初始的可控硅控制電壓時，使用恒流充電會使該控制電壓逐漸增大。

圖4 Ucon與觸發延遲角α的關系曲線

圖5 可控硅輸入電壓

圖6 某一有效控制電壓下的可控硅輸出值

3 PLC及模擬量模塊

控制器PLC選為三菱的FX3GA-24MT，模擬量模塊選為三菱的FXOM-3A模塊。FXON-3A模塊有兩個模擬量輸入通道和一個模擬量輸出通道，設備中通過傳感器采集到的模擬量數據傳送給模擬量模塊，模塊中通過D/A、A/D轉換輸出相應的值，當D/A值一定時屬于恒壓充電。FXON-3A模塊內部的數據處理方式是由緩沖存儲器BFM決定的，BFM的描述如表1所示。

緩沖存儲器將模擬信號經過A/D、D/A轉換后保存在相應的存儲器編號中。控制電路接線圖如圖7所示。其中，采集到的模擬量將其轉換為數字量保存在BFM 0，輸出通道的數字量寄存在BFM 16中并轉換為模擬量輸出，BFM 17作為通道方式的選擇。在FXON-3A的模塊特性中，能使用到的只有BFM 0、BFM 16、BFM 17，其余的BFM編號不能使用。

4 設備接線及程序設計

圖7 控制電路接線圖

首先預設目標充值電壓(D1000)及控制電壓(D1001)。充電啟動后(X0)中斷開啟，采集原邊電壓上沖后最大值，800 ms后停止采集，通過數據查找指令SER找到最大值。通過對原邊電壓的反饋，如果反饋電壓值小于初始采集的最大電壓值，程序自動增加可控硅的電壓(D2)，反之則減小，以達到保持電壓穩定。通過保持原邊側電壓的不變，副邊側充電電壓保持線性上升。當充電電壓等于預設的目標電壓(D1000)，程序自動結束，等待下次沖電。如果充電過程中發生意外，可通過X2按鈕緊急停止充電。程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

5 試驗驗證

圖9所示為充電電容電壓上升波形，從圖中可以看到整個上升過程呈現為一種相對線性、平滑的狀態，整個充電過程耗費的時間約為43 s。

圖9 恒流充電電容電壓上升波形

充電完成之后利用一個電磁觸發裝置和放電調波回路將電容器中的能量通過接地線將能量導入大地。完整的充放電過程實物，通過線圈和示波器觀察放電回路中參數是否滿足8/20 us。圖10為功率回路原理圖。

利用國標中相關部分的參數要求與測試波形如圖11和圖12所示參數進行對比，可以得出，上升時間T1=6.9 μs，誤差約為7.8%，半峰值時間T2=21.7 μs，誤差約為8.5%。波前時間誤差和半峰值時間誤差均滿足小于10%的波形要求，即該波形滿足8/20雷電波形。

圖10 功率回路原理圖

圖11 8/20 us沖擊電流波形上升時間測量

圖12 8/20 us沖擊電流波形半峰值測量

6 結語

本文以三菱PLC為控制核心，設計了一套可以恒流充電的沖擊電流發生器。通過新的研究方案和理論分析，制作了實物模型，并且可以有效地進行試驗。試驗結果表明，使用PLC控制可控硅的恒流充電系統能安全、可靠地運行，并且目標充電電壓易于調節、主回路結構簡單。通過恒流充電，減少了恒壓充電的時間，效率得到提高，并實現了8/20沖擊電流波形。