基于“電力拖動”課程的安全三相電源及試驗電機組的PLC控制設計

摘"要：中職學校開設的“電力拖動”課程，由于學員多，教師難以及時指導所有學員，因此安裝調試效率、教學效率低下。本文基于實用新型專利《一種用于電力拖動課程的安全三相電源及試驗電機組》的控制電路設計，通過PLC智能電路檢測電源電路的電壓、電流，根據人體的安全電壓、電流進行輸出控制。該設計對提高學生獨立試電的安全性、測試效率，提供不同電壓供電具有重要作用。

關鍵詞：電力拖動；智能檢測；輸出控制；安全電壓

在中職的“電力拖動”實訓課程中，學生安裝調試電路后，需要通電檢測調試。為了保證學生的人身安全、設備的安全使用，通電前必須在教師等專門人員的監護下完成檢測。中職的課程多為大班教學，而教師人數有限，難以及時指導所有學生，課堂存在安裝調試電路的效率較低、安全隱患等問題。因此采用檢測電路控制一種安全三相電源可以進行不同電壓的供電，不僅能保證學生的人身安全，也能提高調試效率，讓教師能更高效地指導學生。同時該安全電源也能廣泛應用于企業用電設備的生產調試中，保障生產調試人員的生命和企業財產安全。

本文涉及一種基于“電力拖動”課程實訓的安全電源控制方法，包括三相安全電源、智能自檢系統、數據采集系統與PLC智能控制電路、自檢系統與供電電路電性連接三相安全電源的輸出端。本發明設有自檢系統與數據采集系統，并由PLC智能控制電路控制整個三相安全電源與自檢系統、數據采集系統，在學生實訓前自檢系統可節省大量人力去確認三相安全電源的工作狀態，當安全電源出現故障時可及時維修；自檢系統還設有安全模式與監護模式，安全模式為安全供電，監護模式為高壓小電流供電。本文討論的智能電源是從安全電源的控制方式方法上既能提高工作效率和解除安全隱患，又可以保障學員在操作過程中形成安全觀念以及良好的操作習慣，提供相關實訓過程信息。

一、控制系統供電輸出

中職的日常教學中，“電力拖動”是一門動手能力強、要求有過硬的理論指導實踐的課程。實操電路的供電電源為交流380V，由于學生接受知識能力決定電路的安裝和調試是否一次成功，而電路調試出現故障、通電危險的概率大，因此需要安全三相電源保障學生生命、財產安全。目前低壓安全電壓解決問題的技術方案雖然可以提高工作效率和解除安全隱患，但同時會使學員安全意識淡薄，甚至沒有安全觀念以及形成不良操作習慣，為日后的操作埋下極大的安全隱患。

針對課程安全的電源技術要求，本實用新型專利提出一種用于“電力拖動”課程的安全三相電源及試驗電機組，解決了上述技術問題以及滿足了實際需求，電源電路控制的安全輸出電壓、外檢系統構成如圖1所示。其中三相穩壓器和變壓器電性連接，變壓器輸出為穩定的交流220V電壓。每相的變壓器副線圈耦合有高壓輸出、低壓輸出和36V安全電源輸出端。電源設備通電后控制電路進入2步檢測、3種調試模式。

2步檢測：上電后檢測電路會對電路快速過壓、過電流自檢測，自檢安全后方可進行調試。如出現過壓、過流等情況，控制電路控制電力電子開關快速關斷電源，保護學生的人身安全。

3種調試模式：該電源設備設計有高電壓小電流模式（監護模式）、低電壓安全模式（安全模式）、高壓供電模式三種。安全電源系統檢測流程圖如圖2所示。（1）學生在獨自通電情況下，容易出現觸電的危險，這是課堂上不允許發生的。因此在高電壓小電流調試模式中讓學生誤碰電路后有輕微觸電的感覺，警惕學生用電安全習慣。該模式輸出電壓雖然為交流220V，可是電流較小，不足以威脅到學生健康，學生在該模式下可以完成初步調試。（2）當學生完成初步調試后，安全電源系統將控制電路使變壓器輸出三相交流36V安全電壓，該電壓特供給試驗電機組電路，供電電路如圖3所示，R、S、T為220V或者36V的三相接入端。繼電器KM7、KM8觸點用于控制交流220V、交流36V的電機供電。第二步，學生可以單獨進行初步調試檢測，觀察電路的實驗現象。（3）第二步調式完成后，系統可轉換為高壓供電模式輸出，學生進行二次檢測。第三步測試主要是高壓三相380V供電，通過以上低壓和高壓的轉換，驗證了電路功能和提高學生安裝的準確率，同時保障學生的安全和提高教師的教學效率。

二、電源系統供電設計原理

（一）變壓器穩壓輸出電路

電源輸入回路為三相電源供電，如圖4所示。三相穩壓器與變壓器電性連接，電源分別輸出220V、20.7V、36V三組三相交流電源供調試使用。高壓小電流電路和高壓電路中，交流220V電源經電子開關KM1、KM3、KM5和可調電阻RA～RC電路轉換高電壓小電流和高電壓電源輸出。低壓供電電路中，三相交流20.7V經電子開關KM2、KM4、KM6輸出安全電壓36V，供安全調試。變壓器輸出單路交流36V，供控制回路專用。

（二）測試模式電源設計

1.高電壓小電流模式

為了提高教師指導學生的效率和學生調試的安全、獨立性，電源的設計主要采用高大壓小電流模式、低壓安全模式和高壓供電三個模式來實現功能。圖4中，PLC控制繼電器KM1～KM6觸點斷開，高壓支路輸出端電壓220V經過可變電阻RA～RC向外供電，RA～RC的阻值在22～36.67KΩ之間，最大工作電流被限制在6～10mA以內，能滿足學生檢測電路，在非正常操作下接觸電源會有被電的感覺、但不會出現人員傷亡的觸電事故，從而保障人員安全、同時促使操作人員遵守用電安全規范。可調電阻RA～RC設計如圖5所示。RA1=1KΩ，RA2=2.2KΩ，RA3=4.7KΩ，RA4=10KΩ，RA5=10KΩ，RA6=10KΩ，當PLC控制KA1、KA2、KA3、KA5組合輸出，調節電源輸出安全電流，如KA5閉合，RA=1KΩ+22KΩ+4.7KΩ+10KΩ+10KΩ=27.9KΩ，輸出電流I=220V÷27.9KΩ=7mA。IC（1A）為電流檢測模塊，當PLC通過模塊檢測電流超過20%時，電路控制KM觸點斷開主電路電源。

2.低壓安全模式

當控制線路檢測到輸出端低于20V時，開通閘管KT1、KT3和KT5和閘管KT4、KT6和KT2，低壓支路向負載輸出低于36V的安全電壓。如圖4中，智能系統控制晶閘管KT1～KT6、KM2、KM4、KM6導通，變壓器輸出電壓U=20.7V×1.732=35.8V≈36V，該電壓為安全電壓，可以保證學生安全。

3.高壓供電測試模式

高壓小電流和低壓安全模式為學生自測試模式，當學生自測試完成后，在教師測試確認后，設備就能進入高壓供電測試模式驗證電路功能。PLC控制KM1、KM3、KM5閉合，該電源輸出交流380V供電機組使用。

（三）PLC智能測系統設計

一個智能設備除了有穩定的性能，還應該具有安全自檢功能。該電源檢測系統由電流互感器外檢和三相電源自檢電路組成。

（1）電流互感器檢測電路：圖5中高壓支路和低壓支路并聯后分別與電流互感器CTA、CTB、CTC串聯。當電流互感器檢測反饋的信號超過正常值的10%時，PLC控制電路能快速控制電子開關快速切斷三相穩壓器電源，有效地保障了學生生命財產的安全。

（2）三相電源自檢測電路：圖4中三相電源輸出端R、S、T連接三相全橋整流電路，圖6中，整流二極管VD1～VD6、限流電阻RS1～RS3和場效應管QC1～QC3組成三相全橋檢測電路，全橋整流電路設有電流檢測模塊ICQ，輸出端MN連接智能控制電路的AD轉換模塊，用于缺相、過流檢測。如三相交流電壓轉換為直流電壓，根據相位角的設定，分時控制QC1～QC3導通，當開通QC2時，檢測晶閘管KT1～KT6狀態和三相低壓輸出端是否正常，這時IMN=207V×2.34÷5Ω=9.68A，再開通QC3，低壓工作出現過電流時，晶閘管KT1～KT6能否快速關斷，IMN=20.7V×2.34÷50Ω=0.968A，采集低壓大電流輸出波形，IMN=9.68A+0968A，即檢測電流超過9.68A+10%時，控制電路立即切斷三相電源。

（3）本次采用的器件為西門子S7200smart"PLC為主控單元，配置AM06的數模轉換模塊和電流傳感器。值得提醒的電流傳感器輸出的電流信號與電阻串聯接地，把電流信號轉變為0～10V的電壓信號，從AM06的AIW32通道輸入，進行模數轉換。該數值通過指令把整數轉換實數，存放在VD14中，該數據可用于觸摸屏現時當前電流值。同時采樣值與10A數字量設定限值進行比較，當大于或等于設定值時，PLC能立即快速關斷變壓器的三相電源，保護學生的人身安全。PLC采樣比較程序塊如圖7所示。

結語

工業自動化的發展、開發、維護和管理需要大量的專業人才參與，而職業教育更應該緊跟工業自動化時代的發展，培養熟理論、高執行力的技能人才。本安全電源設計安全可靠，適用于高校各種高壓、低壓設備測試，提高了教師課堂的教學效率，保障了學生的生命和設備財產安全，對培養良好職業習慣的高技能人才具有重要的意義。

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課題：2023年5月廣東省教育廳繼續教育質量提升工程職業培訓典型項目——智能制造設備安裝與調試崗課賽證融通職業培訓典型項目（JXJYGC2022DS130）

作者簡介：陳勝燦（1983—"），男，漢族，廣東佛山人，本科，講師，研究方向：電子技術、智能控制。