沖擊電壓發生器的PLC控制設計

李盛舉,任曉明,蔡詠祥

(上海電機學院 電氣學院,上海201306)

雷電作為一種沖擊電壓波,其對于生活中事物的危害顯而易見,該沖擊電壓波波前陡度與損害有密切關系[1-2]。波前越陡時,產生的波形類似于脈沖波形的上升沿沖擊,危害更大。在工程中,為了測試電力設備抗雷電損傷和過電壓的能力,常采用沖擊電壓發生器來模擬雷電沖擊實驗,借助模擬的雷電過電壓現象,確保電力系統的安全和可靠運行[3-4]。

在20世紀80年代初,我國建成了10 MV、0.32 MJ的沖擊電壓發生器,這極大地促進了強流脈沖電子加速器的發展[5]。從我國的高電壓發展史來看,高電壓技術已經有了飛速的發展,但高壓設備試驗的技術日新月異,革新速度驚人。目前,國內應用于沖擊電壓發生器球隙裝置的自動化水平大多較為落后,依然停留在傳統手動控制系統,多采用手動繼電器調節[6]、彈簧調節[7]、以及機械調節[8]的方式。而球隙裝置是沖擊電壓發生器設備中重要組成部分,針對不同的沖擊電壓要求,其球隙距離不同。若在試驗中需更改輸出電壓,需要調節球隙之間的距離。利用傳統球隙裝置控制系統來調節工作效率低、勞動量大;由于是人工操作,精度不高且容易出現故障,存在一定的安全問題。另外隨著電力電子技術的蓬勃發展,多種整流充電回路的不斷探討,充電回路的種類隨即呈現出多樣性[9-10]。充電回路的高效,“點火”脈沖的精確觸發,高等級的試驗電壓,試驗的安全性能等技術參數逐步上升到更高要求。因此,在沖擊電壓發生器的球隙裝置研發中,用自動控制系統代替傳統控制系統尤為重要。

在工業4.0智能化時代下,智能自動化控制扮演著重要的角色,越來越多的產品設備需要其作為技術支撐,可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)技術以其自身的優越性能獲得了廣泛應用[11-12]。與傳統的單片機相比,PLC具有抗干擾性、可讀性,且穩定性更好,工業應用性更強。本文將PLC自動控制技術應用于沖擊電壓發生器,可以有效提高沖擊電壓發生器的穩定性和靈活性,確保操作的可靠性和安全性。

1 沖擊電壓發生器原理

1.1 標準雷電沖擊波形

國際電工委員會提出以沖擊波形峰值的30%～90%來定義雷電波形的波前時間,推薦采用標準波形1.2/50μs,其波前時間允許±30%誤差,半峰值時間±20%誤差[13]。圖1所示為標準雷電全波波形,其中M 點為電壓峰值;A點為電壓峰值的30%;B點為電壓峰值的90%;J點為電壓峰值的50%;F點為直線AB與峰值水平切線的交點;G點為直線AB與時間軸的交點,即視在原點;GH線為波前時間T1;GK線為半峰值時間T2。

圖1 標準雷電全波波形

1.2 基本原理

馬克斯(Marx)電路常常用來構建沖擊電壓發生器的基本回路,可以根據不同的要求,對基本回路進行簡化,如圖2所示為沖擊電壓發生器基本回路[14]。沖擊電壓發生器的回路由整流電路、充、放電回路等基本回路組成。整流電路由高壓硅堆D和試驗變壓器T 構成;基本的RC充電回路由保護電阻Rb和充電電阻R組成;C′為對地雜散電容;Rf為波前電阻;Rt為波尾電阻;g0為隔離球隙;C0為試品。向電路中的主電容器C1～C4充電,當電容器兩端的電壓充電到U時,根據電路的并聯結構,每對點火球隙g1～g4上的電位差也為U。當每對球隙之間的擊穿電壓略大于U時,空氣不會被擊穿,則放電回路無法形成。

圖2 沖擊電壓發生器基本回路

本文采用目前常用的一種單邊高效回路的方式[15],如圖3所示。在這種回路中設置波前電阻Rf和波尾電阻Rt,沒有隔離球隙。一方面,有充電電阻R存在;另一方面,Rf和Rt都作為充電電阻,該回路基本原理和前面相似,是一種高效的回路。

1.3 發生器同步

圖3 沖擊電壓發生器單邊高效回路

球隙放電的同步特性是影響沖擊電壓發生器模擬瞬態過電壓性能的關鍵因素[16-17]。根據馬克斯回路的原理,第1級點火球隙的觸發,隨后中間球隙依次發電,使得電容的并聯充電變換為串聯放電。在這一過程中,若沒有保證好球隙放電的同步性,就會無法得到等級高的輸出電壓以及理想的波形,因此球隙放電的同步性對于沖擊電壓發生器的實現至關重要。

當試驗測試中過電壓倍數大于球隙放電的分散范圍時,可以確保良好的同步性和可靠性。在大量的試驗中,發現以下同步不可靠情況：電路主電容器的電容大,放電電路中的放電電阻太小;回路中的負載電容值較小,并且波前電阻太大。設計合適的回路以達到增加自然過電壓和使每級間隙同時具有觸發脈沖等方法可以消除以上困難,實現每個球間隙同時放電。

2 PLC控制模塊

2.1 模塊選取及接線設計

本次設計中控制器PLC選用有較多輸入輸出端口的三菱FX3GA-24MT。通過理論計算求得主電容器充電電壓的預設值為3 k V,采用分壓器比例為1∶1 000,根據比例換算可知需采集的電壓值為3 V,因此選用維博系列WBV122SO1交直流電壓傳感器作為模擬量采集模塊對電壓進行有效采集,該模塊由24 V 開關電源對其進行供電。選用三菱的FX2N-4AD模擬量模塊,該模塊有4個模擬量輸入通道,通過輸入通道將電壓和電流模擬量信號換成12位的數字量信號傳送至與之相連的PLC。FX2N-4AD模塊內部的數據處理方式由緩沖存儲器BFM 決定,BFM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4所示,FX3GA-24MT 通過擴展電纜與模擬量模塊FX2N-4AD 相連作為核心控制器,PLC的輸出端口與開關電源相連以提供24 V電壓給繼電器K1、K2供電。WBV122SO1交直流電壓傳感器作為模擬量采集模塊經1∶1 000分壓器對電壓進行有效采集,從而實現閉環控制。

圖4 控制線路接線

2.2 程序設計

首先預設目標充電電壓,其次閉合X0以導通線圈Y0啟動電路,隨之通過電壓互感器采集實時充電電壓,將實時充電電壓與預設電壓進行比較,當滿足充電電壓大于預設電壓條件時充電完成,線圈Y1閉合,繼電器線圈得電,放電回路開始放電。當出現緊急狀況時,可以閉合X1使得電路急停斷開。流程如圖5所示。

圖5 程序流程

3 仿真與試驗驗證

3.1 Matlab仿真

根據基本原理圖設計在Matlab/Simulink中搭建如圖6所示仿真模型[18]。對該仿真模型下波前時間與半峰值時間進行測量,如圖7所示。由圖7(a)可得Δt=0.67μs,t1=1.67×Δt=1.67×0.67=1.118 9μs,符合IEC標準1.2(1±30%)μs;由圖7(b)可得Δt=51.844μs,符合IEC標準50(1±20%)μs,因此電路設計滿足所需要求。

3.2 試驗驗證

根據計算仿真結果以及實驗現有條件,選用額定電壓10 k V、2μF的CHM脈沖電容器,容量2.7 k VA、匝數比220∶25 000的試驗變壓器。選用高壓硅堆作為電路整流器件,33.3 kΩ、1.5 kW 的耐高壓無感繞線電阻作為保護電阻,2 kΩ、1 kW 的耐高壓無感繞線電阻作為充電電阻搭建試驗平臺。

圖6 Matlab仿真圖

圖7 仿真波形測量

為進一步保證沖擊電壓發生器放電時的同步性,使馬克斯回路的球隙放電能夠同時觸發,對球隙放電的觸發進行了一定的改進,區別于傳統的觸發方式,采用PLC控制對球隙放電進行觸發。PLC控制的觸發方式能夠做到及時觸發,確保了球隙放電的同步性,使試驗能夠順利進行,也實現了弱電對強電的控制。本試驗采用的球隙如圖8和圖9所示。其中第1級球隙為改進過后的帶電磁繼電器球隙,第2級球隙為球隙距離可調節的銅球隙。

圖8 帶繼電器球隙

圖9 銅球球隙

通過高壓探頭測量輸出端電壓波形,為達到良好的濾波效果,保證波形精確,將示波器的采樣方式設置為平均采樣,輸出波形如圖10所示。從圖中可以看出,輸出波形波前時間為1.24μs,半峰值時間為55.1μs,均在標準1.2/50μs雷電沖擊波形允許的誤差內。

3.3 誤差分析

本試驗中出現的主要誤差可以歸納為以下幾種情況：

(1)通過仿真和試驗對比分析可以發現,試驗中的元器件可能會使電路呈現出一定的感性,無法準確得到試驗所需要的技術參數波形,可以將阻尼電阻添加到電路中、RC濾波等方式減小感性影響。

圖10 波前時間與半峰值時間的測量

(2)試驗所采用PLC為三菱系列,性能略顯薄弱,當程序復雜時,其掃描周期需要一定時間,由此引起不可避免的時間誤差,可以采用更高端的PLC以實現更為精確的控制。

(3)本試驗最終實現的是兩級沖擊電壓發生器,球隙的同步對試驗影響很大,而第1級球隙與第2級球隙的設計存在差異,通過PLC給出的信號使接觸器與繼電器動作,必然會有動作延遲的誤差存在。可以將試驗中的球隙結構設計保持一致從而保證同步性。

4 結論

本文以三菱PLC 為控制核心,設計了一套1.2/50μs沖擊電壓發生器,將自動控制技術成功應用于高壓領域。通過理論分析設計PLC控制的沖擊電壓發生器的完整方案;運用Matlab軟件進行仿真調節,設計了全新的觸發裝置并通過實物模型的搭建進行驗證,做到理論、仿真與試驗相結合。結果表明：該發生器輸出波形穩定,可以實現1.2/50μs沖擊電壓波形;使用PLC控制球隙觸發能使設備安全、可靠地運行,并且有利于球隙觸發的同步性。