基于PLC的耐壓試驗控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于PLC的耐壓試驗控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要：本課題通過選擇電容分壓器法測量試驗電壓，同時采用全波傅立葉算法分析諧波分量并設(shè)計濾波電路消除試驗電壓中的諧波，完成了工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計主回路包括：接觸式調(diào)壓器、試驗變壓器、NSP保護裝置等；控制回路包括：電壓、電流、試驗電壓測量電路。實現(xiàn)了工作方式設(shè)定、動作順序控制、耐壓時間設(shè)定、調(diào)壓器位置檢測與報警、試驗電路過電流保護等。使用西門子S7-300編程軟件進行包括數(shù)字信號、模擬信號的處理以及整個控制系統(tǒng)的軟件編程與調(diào)試。同時制作WINCC界面，配合硬件控制系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)控試驗過程的功能。關(guān)鍵詞：工頻耐壓試驗；可編程控制

2、器；控制系統(tǒng)設(shè)計；組態(tài)軟件Design of Withstand Voltage Test Control System Based on PLCAbstract: This topic measure the experimental voltage by selecting method of capacitive voltage divider, and adopts the whole wave fourier algorithm analysis and design of harmonic components and filter circuits eliminate test

3、of voltage harmonics, completed the design of control system for power frequency withstand voltage test. Design of main circuit including:-contact test transformer, NSP regulator, protector and so on; control circuit including: voltage, current, test voltage measurement circuit. Realizing the work s

4、etting, action sequence control time set, regulator, pressure test circuit for position detection and alarm, over current protection. Programming with Siemens S7-300 software include digital signal, analog signal processing and control software programming and debugging of system as a whole. At the

5、same time making WINCC interface, with the functionality of hardware control system to achieve a monitoring test procedure.Key words: Industrial frequency pressure test；programmable controller；control system design；configuration software目 錄 專心-專注-專業(yè)1 引言1.1 課題的背景電力設(shè)備在運行中，絕緣強度長期受電場、溫度和機械振動的作用會逐漸發(fā)生劣化，包

6、括整體劣化和部分劣化，形成絕緣缺陷。而在電力系統(tǒng)所發(fā)生的事故中，很大一部分都是由于設(shè)備或線路的絕緣遭到破壞所造成的?？梢哉f，在電力系統(tǒng)工作中常常由于某一部分或某一個設(shè)備的絕緣遭到破壞引起事故，破壞電力系統(tǒng)工作的可靠運行，由于電氣設(shè)備絕緣工作不可靠引而引起事故所帶來的經(jīng)濟損失遠遠超過設(shè)備本身的價值1。工頻耐壓試驗就是對電力設(shè)備施加一定的電壓，并保持一定時間，以考察電力設(shè)備絕緣承受各種電壓的能力。工頻耐壓試驗?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備存在的絕緣缺陷，是考驗電力設(shè)備絕緣承受各種過電壓能力最嚴格、最有效的方法，是保證設(shè)備安全運行的重要手段。1.2 課題的目的和意義為了檢驗電氣設(shè)備的絕緣強度，使其不僅能在正常

7、的工作電壓下安全可靠的運行，而且還必須具備耐受各種過電壓的能力。這就需要使用交流、直流、沖擊電流等各種波形的高電壓對電氣設(shè)備絕緣進行耐壓試驗。進行高壓電氣設(shè)備或輸電線路絕緣的工頻耐壓實驗，開展絕緣理論和應(yīng)用技術(shù)的研究性試驗2，確定絕緣材料的絕緣性能試驗，都需要高性能的試驗電壓產(chǎn)生設(shè)備和完善可靠的控制、測量、保護及分析環(huán)節(jié)組成的工頻絕緣耐壓試驗控制系統(tǒng)。為了確保各種高壓電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣能夠在現(xiàn)場安全可靠的運行，開展工頻耐壓試驗的控制系統(tǒng)具有理論和實用價值。本課題的研究目的和意義就在于利用可編程控制器(PLC)控制技術(shù)設(shè)計出一套硬件和軟件兼容度較好的控制系統(tǒng)，這套控制系統(tǒng)的實踐應(yīng)用若能成功

8、實現(xiàn)于高壓電器型式試驗來說，可以提高試驗的自動化程度，減輕勞動強度，提高試驗的數(shù)據(jù)收集，處理系統(tǒng)的性能，所以這方面的研究潛力是相當大的，也有很高的實際價值。1.3 系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容針對傳統(tǒng)手動控制系統(tǒng)以及工控機控制系統(tǒng)自身的不足，本課題設(shè)計了一套以PLC為核心的新型工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)。主要完成以下幾方面的研究： 利用電容分壓器法測量試驗高電壓并采用傅里葉算法對模擬試驗電壓諧波分量進行分析。 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計：包括控制系統(tǒng)主回路、手動控制回路、PLC控制系統(tǒng)、電壓電流測量電路、電源電路、電源濾波電路設(shè)計等。 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計：使用西門子公司S7-300進行包括數(shù)字信號、模擬信號的處理以及

9、整個控制系統(tǒng)的編程及調(diào)試。制作WINCC組態(tài)界面，配合硬件實現(xiàn)實時監(jiān)控試驗過程的功能。 對工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)進行調(diào)試，驗證其綜合性能。2 工頻耐壓試驗原理及模擬實驗電壓諧波分析2.1 試驗原理工頻耐壓試驗電源部分經(jīng)調(diào)壓器來改變電壓幅值，并加到試驗變壓器原邊，同時在試驗變壓器副邊產(chǎn)生一個高于試品正常工作的電壓，并加在被測試品的絕緣體上，持續(xù)1分鐘時間3，如果其間的絕緣性足夠好，加在上面的電壓就只會產(chǎn)生很小的漏電流并且被測試品絕緣體在耐壓過程時間內(nèi)沒有發(fā)生擊穿，就可以確定被測試品可以在正常的運行條件下安全運行。如圖1為工頻耐壓試驗接線圖。圖1 工頻耐壓試驗接線圖2.2 試驗電壓測量方法的選擇分壓

10、器是一種將高電壓波形轉(zhuǎn)換成低電壓波形的轉(zhuǎn)換裝置，它由高壓臂和低壓臂組成。輸入電壓加在整個裝置上，而輸出電壓則取自低壓臂。通過分壓器可以解決低壓儀器測量高壓峰值以及波形的問題。在工頻耐壓試驗中，往往用到的分壓器是電容分壓器。用電容分壓器測量高電壓的原理是將被測電壓通過串聯(lián)的電容分壓器進行分壓4，測出其中低阻抗電容器上的電壓，再用分壓比算出被測電壓，如圖2所示，圖中C1、C2分別代表高電壓臂和低電壓臂的電容，測量儀表接在C2兩端，可以用高阻抗的交流電壓表或靜電電壓表測量電壓的有效值，也可以用峰值表測量電壓的峰值;還可以用示波器觀察波形和測量電壓的峰值。R為并聯(lián)在C2上的一個高電阻，可以用它防止C2

11、在加壓前或加壓后所存在的殘余電壓5。假定被測電壓為U，C2兩端電壓為U2，根據(jù)電流連續(xù)性原理: U=C+CCU=KcU (1)式中:Kc=C+CC，稱為電容分壓比。圖2 電容式分壓器原理圖本課題采用電容分壓器法測量試驗電壓，其中高壓臂電容量C1=200pF，低壓臂電容量C2=1µF，額定電壓550kv，額定頻率50Hz，分壓比5000:1。經(jīng)過電容分壓器，我們可以得到0100V的電壓信號，此電壓信號經(jīng)過分壓、整流、濾波、放大、穩(wěn)壓后變?yōu)?5V的滿足S7-300的A/D輸入模塊要求的標準電壓信號6。2.3 模擬試驗電壓諧波分析2.3.1 試驗電壓諧波的產(chǎn)生試驗電壓的波形對各種試驗是有不

12、同程度的影響的。國家標準規(guī)定試驗電壓一般應(yīng)是頻率為45Hz65Hz的交流電7，試驗電壓的波形為兩個半波相同的近似正弦波，且峰值和方均根(有效)值之比應(yīng)在以內(nèi)。如果諧波的方均根(有效)值不大于基波方均根值的5%。則認為滿足上述的波形要求。以試驗變壓器為供電電源的高壓絕緣試驗系統(tǒng)造成試驗電壓波形畸變，由于變壓器的鐵心的基本磁化曲線是非線性的，因此若變壓器一次側(cè)所加的電壓接近為正弦波時，變壓器鐵心中的主磁通也接近為正弦形，這樣激磁電流i1就是非正弦的，也就是說除基波分量之外，還有三次、五次等諧波分量，激磁電流呈尖頂波形。當試驗變壓器的前面接有調(diào)壓器而且調(diào)壓器的漏抗較大時，如圖3所示。非正弦的激磁電流

13、i1就會在其上產(chǎn)生非正弦的壓降U，如果電源電壓U1為正弦波，則因U2=U1-U，因此試驗變壓器的一次側(cè)電壓U2必為非正弦的，變壓器的高壓側(cè)輸出電壓U3也因此為非正弦。圖3 含有調(diào)壓器漏抗的試驗變壓器等效電路2.3.2 諧波分析算法目前諧波分析方法有離散傅里葉變換(DFT)法、準同步法、小波變換法等。其中離散傅里葉變換法發(fā)展很快，快速傅里葉變換(FFT)就是DFT的一種改進算法。由于FFT算法較DFT的計算量減少1到2個數(shù)量級，而且該方法分析諧波時，精度高、功能強、使用方便，因此目前應(yīng)用比較廣泛。全波傅里葉算法具有較強的濾波能力，可以分析所有的整數(shù)次諧波分量，而且穩(wěn)定性好8。本文應(yīng)用全波傅里葉算

14、法進行基波分量和各次諧波分量的求解，精確提取試驗電壓中的各次諧波分量，并進行有效的濾波處理，使試驗電壓的波形滿足試驗標準要求。全波傅里葉算法能有效地求解直流分量和信號中的整數(shù)次諧波分量。如輸入信號為： （2）式中：a為直流分量；Un為基波(n=l)分量或(n2)分量的幅值；為基波角頻率；為基波(n=l)或(n2)分量的相位?？汕蟮茫?（3） （4）式中:T為基波周期；an為n次諧波的余弦分量；bn為n次諧波的正弦分量。由MATLAB的軟件對試驗電壓波形進行采樣，得到的是一組離散的采樣值。具體的傅里葉算法為： （5） （6）式中:N為一個周期中的采樣點數(shù)。求得an和bn后，可以計算出交流分量有效

15、值Un。 （7）(l) 仿真模型為分析試驗電壓中諧波含量，以MATLAB軟件為工具進行模擬仿真，建立如圖4所示的仿真模型。模型主要包括電源模塊(Subsystem)、LC濾波元件、電阻和顯示元件(Scope)等。仿真時間選擇0.3s，選用變步長ode45算法。圖4 諧波分析仿真模型電源子模塊中設(shè)置含有諧波分量的模擬分量：基波分量220V；二次諧波分量10V；三次諧波分量8V；四次諧波分量6V；五次諧波分量4V。 （8）(2) 仿真結(jié)果分析仿真分析結(jié)果為:基波分量220V，二次諧波含量10V，三次諧波含量8V，四次諧波含量6V，五次諧波含量4V。從具有2-5次諧波的仿真結(jié)果如圖5所示，該諧波分析

16、算法與被給定信號諧波分量的參數(shù)完成一致，可以應(yīng)用該算法進行模擬試驗電壓的諧波分析。模擬試驗電壓諧波含量為： （9）圖5 濾波前傅里葉仿真結(jié)果（3） 試驗電壓諧波的消除我們知道一般高次諧波中的三次及五次諧波起主要作用，通過計算模擬試驗電壓諧波含量可知此試驗電壓不滿足試驗標準，必需對試驗電壓進行濾波。濾波電路并聯(lián)在調(diào)壓器輸出電路上，分別濾除三次諧波分量與五次諧振波分量。每個濾波支路均采用L-C串聯(lián)諧振回路，根據(jù)來選擇三次濾波參數(shù)，來選擇五次濾波參數(shù)，為基波角頻率，即為100。通過三次與五次濾波器，使激磁電流中三次與五次諧波分量有了短路回路，避免在調(diào)壓器的漏抗上產(chǎn)生三次與五次諧波壓降，以保證試驗變壓

17、器輸入電壓為滿足試驗標準要求的正弦波。為了不顯著增加調(diào)壓設(shè)備的容量，選擇濾波電容時，要考慮流過濾波回路的交流電不要太大，各濾波支路的濾波電容C都應(yīng)選擇在6F10F范圍之內(nèi)。本文中三次濾波電路濾波電容C=10F，電感L=110mH，五次濾波電路濾波電容C=10F，電感L=43mH。如圖6所示。通過計算可得諧波含量為4.75%<5%，滿足試驗標準要求。 （10）圖6 濾波后傅里葉仿真結(jié)果3 工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計主要是對控制系統(tǒng)主回路，控制回路及測量電路等設(shè)計，另外還要對PLC、變頻器、變壓器及調(diào)壓器的選型。3.1 控制系統(tǒng)主回路工頻耐壓試驗對控制系統(tǒng)的要求：只有在試驗人員撤離

18、高壓危險區(qū)，并關(guān)好安全隔離門之后才能加壓。試驗電壓必須從零開始施加。在試驗過程中，一旦系統(tǒng)發(fā)生過流、試品擊穿或閃絡(luò)時，要求能自動切斷試驗變壓器的工作電源。系統(tǒng)能對升壓、降壓、變速升降壓及停止等操作進行控制。電壓上升和下降滿足GBT1692標準。耐壓時電壓值穩(wěn)定誤差控制在1%3%9。耐壓時間在010分鐘內(nèi)任意調(diào)改。要有緊急按鈕等各種保護措施。自動控制系統(tǒng)與原來的手動控制系統(tǒng)應(yīng)是并聯(lián)關(guān)系，通過切換各自可獨立進行控制。工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)的主回路如圖7所示，主要由電源控制一次側(cè)開關(guān)調(diào)壓器輸出控制二次側(cè)開關(guān)、濾波裝置、過電流保護裝置、試驗變壓器、電容分壓器以及試品等組成。工頻耐壓試驗需要測量主回路調(diào)壓

19、器原邊電源電壓、電源電流，調(diào)壓器副邊初級電壓、初級電流，試品兩端試驗電壓、次級電流6個模擬信號值。圖7 控制系統(tǒng)主回路試驗時，首先是關(guān)合隔離開關(guān)的，然后將一次側(cè)的斷路器QF合閘，通過控制回路來驅(qū)動接觸器主觸點接通，使調(diào)壓器一次側(cè)通電，此時調(diào)壓器應(yīng)在零位，確認其零位后，合上隔離開關(guān)，再使主接觸器接通，這樣，試驗變壓器的原邊就開始有電流通過，按照工頻耐壓試驗的標準要求，在075%Ue(Ue為試驗電壓額定值)以前，應(yīng)快速升壓，到0.75Ue后，再變速為慢速升壓，電壓升到額定電壓Ue后，停止升壓，持續(xù)加壓1分鐘，若試品無閃絡(luò)，則開始快速降壓，直至降壓為零，升降壓過程如圖8所示。圖8 試驗升降壓過程3.

20、2 控系統(tǒng)控制回路設(shè)計根據(jù)工頻耐壓試驗對控制系統(tǒng)的要求設(shè)計控制回路，如圖910所示。控制回路通過控制程序的執(zhí)行，完成對整個實驗過程的控制，包括工作方式的選擇、動作順序控制、耐壓時間設(shè)定、調(diào)壓位置檢查與報警、實驗電路過電流檢查與保護等。圖9 控制電路本文控制系統(tǒng)包括以PLC為核心的自動控制系統(tǒng)，同時為防止發(fā)生意外情況還設(shè)計一套手動繼電控制系統(tǒng)，能與自動控制系統(tǒng)并行使用，是自動控制系統(tǒng)和手動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換按鈕。鑰匙開關(guān)控制整個控制回路通斷電，打開總電源指示燈亮控制系統(tǒng)直接進入自動控制程序。通過關(guān)合轉(zhuǎn)換按鈕，接觸器KM線圈得電，常開觸點閉合，切換到手動控制系統(tǒng)。手動控制系統(tǒng)工作過程如下: 試驗前應(yīng)首

21、先確認門聯(lián)鎖開關(guān)是否關(guān)合，只有在確認門聯(lián)鎖開關(guān)閉合的情況下才能開始試驗，這樣做能確保試驗人員安全。首先接通控制回路電源，電源指示燈亮。再選手動擇控制方式，關(guān)合按鈕，線圈得電，常開觸點閉合，切換到手動位置。此時再將主回路隔離開關(guān)，斷路器合上。 檢查調(diào)壓器是否在下限位，下限位常開觸點是否閉合。當調(diào)壓器不為零而從某一位置突然加壓時，試驗變壓器的激磁涌流將產(chǎn)生過電壓，這是不允許的。同樣調(diào)壓器若處在非零位突然斷電，在試品上會由于自感電動勢造成過電壓。所以每次調(diào)壓必須從零開始，關(guān)合按鈕調(diào)壓器歸零。 關(guān)合按鈕，由于、分別為一次側(cè)開關(guān)分斷與緊急分斷常閉按鈕，故線圈得電，主回路主觸點閉合一次側(cè)關(guān)合，一次側(cè)指示燈

22、亮。、分別為一次側(cè)、試驗變壓器副邊過電流繼電器常閉觸點，如果試品發(fā)生擊穿現(xiàn)象常閉觸點斷開，一次側(cè)線圈失電試驗停止。 一次側(cè)關(guān)合之后，主回路隔離開關(guān)合閘，關(guān)合按鈕，二次側(cè)線圈得電關(guān)合，主回路主觸點閉合，試驗變壓器原邊得電，二次側(cè)指示燈亮。準備升壓。升壓過程中如果調(diào)壓器副邊發(fā)生過電流，過電流繼電器常閉觸點斷開，二次側(cè)線圈失電，使試驗停止。 關(guān)合按鈕，升壓線圈得電，通過變頻調(diào)壓系統(tǒng)控制調(diào)壓器開始快速升壓。為了防止在升壓過程中發(fā)生達到試品額定電壓Ue之后調(diào)壓器繼續(xù)升壓，需要在調(diào)壓器另一端安裝一個上限位行程開關(guān)，一旦發(fā)生上述情況，上限位行程開關(guān)常閉觸點立刻斷開，同時發(fā)出報警鈴聲，停止升壓檢查故障。 升壓

23、結(jié)束后，關(guān)合按鈕對試品進行加壓。加壓時間根據(jù)試驗要求可以進行調(diào)整。 加壓時間到，同樣通過變頻器調(diào)壓系統(tǒng)控制調(diào)壓器進行試驗降壓過程。 最后，依次斷開二次側(cè)開關(guān)、一次側(cè)開關(guān)，試驗過程結(jié)束。該裝置的自動控制工作過程與手動控制工作過程基本一致，只是各相應(yīng)的操作均由PLC來實現(xiàn)。其自動控制可為兩種，即連續(xù)試驗和單步手動試驗。連續(xù)試驗是通過軟件編程將整個試驗從開始到結(jié)束由PLC程序連續(xù)地執(zhí)行，直到試驗結(jié)束。這過程中，若某一步出現(xiàn)故障，PLC會作相應(yīng)一記錄。單步手動試驗則是由試驗人員按試驗步驟通過鼠標在WINCC界面中順序點動界面中的各組態(tài)按鈕，一步一步按照試驗過程進行操作。圖10 控制電路3.3 控制系統(tǒng)

24、測量電路設(shè)計工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)需要測量6個模擬量信號，分別為電源電壓、電源電流、初級電壓、初級電流、試驗電壓(高壓)和次級電流信號。對此控制系統(tǒng)分別設(shè)計了電壓、電流測量電路。其中，電壓測量電路包括對電源電壓、初級電壓和試驗電壓的測量。電流測量電路包括對電源電流、初級電流和次級電流的測量。3.3.1 電壓測量電路設(shè)計電壓測量電路的輸入電壓取自電壓互感器的二次側(cè)，電流測量電路的輸入電流取決于電流互感器的二次側(cè)，最終通過測量電路實現(xiàn)將交流電壓或電流變?yōu)闃藴手绷麟妷盒盘査腿階/D模塊的目的。（1） 電壓測量電路電壓測量回路包括電源電壓、初級電壓的測量，兩個電壓量首先都要經(jīng)過電壓互感器將高電壓按比例變

25、換成標準低電壓，電路中電壓互感器變比為1000:1，二次側(cè)標準輸出為100V，之后再依次經(jīng)分壓、整流、濾波、電壓跟隨、放大、穩(wěn)壓電路變成05V的模擬量電壓。電壓測量回路如圖11所示。圖11 電壓測量電路（2） 電路分析電壓測量電路經(jīng)過分壓、精密整流、濾波、電壓跟隨器、放大、穩(wěn)壓五部分后通過仿真軟件分析得到電壓互感器二次側(cè)電壓值對應(yīng)轉(zhuǎn)換后標準電壓值如表1所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)它們之間有很好的線性關(guān)系。表1 電壓轉(zhuǎn)換表電壓值/V轉(zhuǎn)換后電壓值/V電壓值/V轉(zhuǎn)換后電壓值/V 1004.95502.45904.52401.95803.95301.54703.53200.98602.96100.523.3.

26、2 試驗電壓測量電路設(shè)計由于試驗電壓為高電壓其測量方法有別于電源電壓和初級電壓，首先采用電容分壓器法降壓，然后在經(jīng)過變比為1:1的隔離變壓器如圖12所示，最后試驗電壓信號再依次經(jīng)過分壓、精密整流、濾波、電壓跟隨器、放大、穩(wěn)壓電路最終把試驗電壓變成05V的標準電壓信號，送入A/D模塊。圖12 試驗電壓測量電3.3.3 電流測量電路設(shè)計控制系統(tǒng)中，由于電流互感器二次側(cè)輸出的是電流信號，而PLC內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器所要求的模擬輸入量為標準電壓信號。因此信號必須經(jīng)過電流/電壓(I/V)變換電路將電流信號轉(zhuǎn)變成為電壓信號來能直接送PLC的模擬量端口?；镜腎/V變換有有源和無源兩種，如圖13所示。因無

27、源電路安全可靠受外界干擾性小，這里采用后者。圖13 I/V轉(zhuǎn)換電路電流測量回路，首先要經(jīng)過電流互感器將大電流按比例變換成標準小電流，電路中電流互感器變比為25:5，二次側(cè)標準輸出為5A，之后再依次經(jīng)分壓、整流、濾波、電壓跟隨、放大、穩(wěn)壓電路變成05V的模擬量電壓。如圖14所示。圖14 電流測量電路電流互感器二次側(cè)最大電流為5A，經(jīng)電流測量電路后轉(zhuǎn)換電壓為5V， 通過仿真軟件得到電流互感器二次側(cè)電流值對應(yīng)轉(zhuǎn)換后電壓值如表2所示。表2 電流轉(zhuǎn)換表電流值/A轉(zhuǎn)換后電壓值/V電流值/A轉(zhuǎn)換后電壓值/V5.04.952.52.464.54.472.01.984.03.961.51.483.53.471.

28、00.993.02.990.00.03.3.4 電源電路設(shè)計電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。通過電力變壓器把220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為低壓交流電，再經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，就可以獲得裝置工作所需的穩(wěn)定直流電源。本文采用2W08G整流橋、三端穩(wěn)壓塊LM7812、LM7912以及濾波電容及一些電阻組成電源，輸出為士12V電源電壓來滿足各部分線路所需電壓的要求。電源電路如圖15所示。圖15 電源電路3.3.5 電源濾波電路設(shè)計電源干擾來自兩個方面，一是電源引入干擾，另一個是系統(tǒng)引入變頻器實現(xiàn)可控升壓，變頻器應(yīng)用脈寬調(diào)制技(PWM)，

29、運行時包含各種諧波，對試驗系統(tǒng)本身就是一個干擾源，上述干擾可能導(dǎo)致控制過程失敗，測量結(jié)果誤差大，甚至損壞控制系統(tǒng)。在抑制來自電源干擾方面，本文采用了兩級電源濾波電路，如圖16所示。前級電源濾波電路輸出直接給控制系統(tǒng)的變頻、控制和保護電路供電，同時給二級濾波電路輸入，其輸出給PC機、打一印機和測量電路供電。這樣一方面可以使變頻器、控制和保護電路免受供電電源干擾，另一方面也使系統(tǒng)中變頻器運行時產(chǎn)生的諧波和控制保護電路開關(guān)元件動作時產(chǎn)生的過電壓不至于通過電源竄入控制系統(tǒng)。圖16 電源濾波電路3.4 PLC控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案3.4.1 PLC控制系統(tǒng)框圖整套控制系統(tǒng)包括以PLC為核心，設(shè)計了電壓測量

30、電路以及電流測量電路，使信號經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換成PLC能接收的標準信號，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。輸入部分主要包括按鈕，行程開關(guān)等數(shù)字量信號和電壓電流模擬量信號兩種10。輸出部分主要通過控制接觸器來實現(xiàn)對試驗主回路的開合控制，通過利用變頻器改變頻率來實現(xiàn)升降壓速度的變化。如圖17所示。圖17 PLC控制系統(tǒng)框圖3.4.2 輸入輸出端口分配西門子公司在20世紀末推出的SIMATIC S7-300系列PLC，性能價格比高，電磁兼容性強，抗振動沖擊性強，具有非常好的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、運輸、輕工、電力、汽車、通用機械、專用機床、制造業(yè)、食品加工、包裝機械、組織機械、智能建筑。S7-30

31、0是模塊化PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能控制要求。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構(gòu)成不同的系統(tǒng)。與S7-200 PLC相比，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速的指令運算速度。用浮點運算有效的實現(xiàn)了更加復(fù)雜的算數(shù)運算,一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有的模塊進行參數(shù)賦值11。PLC的基本組成包括:中央處理器 (CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)模塊和電源模塊,本文基于控制系統(tǒng)所需要的輸入輸出點數(shù)、信號種類和通信幾方面考慮，選擇西門子PLC硬件模塊，如表3所示。其輸入輸出端口分配如表4所示。表3 PLC硬件模塊名稱型號電源模塊PS 307 2 ACPU模塊CPU 315-2 P

32、N/DP數(shù)字量輸入16數(shù)字量輸出16模擬量輸入8模擬量輸出4表4 控制系統(tǒng)輸入輸出I/O口分配符號地址功能符號地址功能SB1I0.0轉(zhuǎn)換按鈕SB8I1.5停止歸零按鈕SB2I0.1一次側(cè)關(guān)合按鈕SB9I1.6調(diào)壓器升壓按鈕SB3I0.2一次側(cè)斷開按鈕SB10I1.7停止升壓按鈕SB4I0.3緊急停止按鈕SB11I2.0定時開始按鈕KA1I0.4過電流繼電器觸點SB12I2.1定時停止按鈕KA2I0.5過電流繼電器觸點SB13I2.2調(diào)壓器降壓按鈕KA3I0.6過電流繼電器觸點SB14I2.3降壓停止按鈕SB5I0.7二次側(cè)關(guān)合按鈕KM1Q1.0調(diào)壓器一次側(cè)接觸器SB6I1.0二次側(cè)斷開按鈕KM

33、2Q1.1調(diào)壓器二次側(cè)接觸器SQ1I1.1門聯(lián)鎖開關(guān)觸點KM6Q1.5調(diào)壓器歸零接觸器SQ2I1.2下限位行程開關(guān)觸點KM7Q1.6升壓接觸器線圈SQ3I1.3上限位行程開關(guān)觸點KM8Q2.2降壓接觸器線圈SB7I1.4調(diào)壓器歸零按鈕3.5 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3.5.1 變頻器型號及相關(guān)參數(shù)控制系統(tǒng)選用日本三菱公司生產(chǎn)的變頻器，型號:FR-A540相關(guān)參數(shù)如下:控制方式:PWM控制(可選擇V/F控制或磁通矢量控制)。電源電壓:三相，380V480V。電源頻率:50Hz/60Hz。電源頻率波動范圍:5%。輸出頻率:0.2400Hz。輸出電壓:三相380V480V(最大輸出電壓不能大于電源電壓)。

34、過載能力:150%60秒，200%0.5秒。3.5.2 變頻器調(diào)速控制回路工頻耐壓試驗通過電機正反轉(zhuǎn)來控制調(diào)壓器升壓與降壓12，通過改變變頻器輸出頻率來控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)快速升壓與慢速升壓。在頻率設(shè)定電位器中設(shè)定快速升壓頻率50Hz，慢速升壓頻率45Hz。試驗過程中為了不使調(diào)壓器升降壓過快，通常連接減速器來控制升降壓的速度。圖18為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，STF電機正轉(zhuǎn)啟動輸入、STR電機反轉(zhuǎn)啟動輸入、RH高速、RL低速。以手動控制為例，升壓接觸器線圈得電，常開觸點閉合，電機正轉(zhuǎn)啟動，同時RH輸入端工作，調(diào)壓器開始快速升壓，當試驗電壓達到0.75Ue時，打開按鈕，閉合按鈕，調(diào)壓器開始慢速升壓。當試驗

35、電壓達到Ue時，打開按鈕升壓過程結(jié)束，降壓過程與升壓相同。圖18 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)3.6 試驗變壓器的選型高電壓試驗變壓器在工頻耐壓試驗中的作用在于產(chǎn)生工頻高電壓，使之作用于被測試電氣設(shè)備的絕緣上，以考查被測試電氣設(shè)備在長時間的工作電壓及瞬時的內(nèi)過電壓下是否能可靠工作。因為試品大多為電容性的，當知道試品的電容量及所加的試驗電壓時，便可計算出試驗電流及試驗所需的變壓器容量，部分試品電容量如表5所示。試驗電流： I=CUx10-9A (11)試驗變壓器容量 P=CU2x10-9A (12)式中：U為試驗電壓kV(有效值)；-電壓角頻率；C-試品電容量pF。表5 試品電容量試品名稱電容值/PF線路絕

36、緣子050高壓套管50600高壓短路器、電流互感器1001000電力變壓器100015000電力電纜150400控制系統(tǒng)中選用的試驗變壓器參數(shù)為:容量2200kVA。電壓:550kv；低壓:6000v。電流:高壓側(cè)4A；低壓側(cè)366A。3.7 調(diào)壓器的選型當調(diào)壓器不為零而接入試驗變壓器時會在試驗變壓器上產(chǎn)生過高壓，這是不允許的，所以每次調(diào)壓必須從零開始。調(diào)壓要均勻，前期的調(diào)速可以較快，但是在放電電壓的后25%時，每秒的升一壓不能超過放電電壓的2%13。此外還要保持波形的完整和穩(wěn)定性。接觸調(diào)壓器也是自耦調(diào)壓器的一種，它具有輸出電壓波形好，畸變小，調(diào)壓特性平滑，連續(xù)，線性等優(yōu)點，是一種比較理想的高

37、壓試驗用調(diào)壓器?？刂葡到y(tǒng)中采用的是接觸式調(diào)壓器型號TXZC-250kVA/10kV/0-10kV。4 工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計的主要任務(wù)軟件設(shè)計采用軟件工程的思想，軟件設(shè)計模塊化，各模塊可以單獨設(shè)計、編程、調(diào)試和查錯，最后裝配起來聯(lián)調(diào)，成為一個能完成一定功能，具有實用價值的程序。下位機程序設(shè)計主要完成以下幾個部分內(nèi)容:選擇耐壓試驗的工作方式(手動控制試驗或自動控制試驗)。控制試驗的起動、停止、調(diào)壓器一次側(cè)、二次側(cè)的關(guān)斷，調(diào)壓器升壓、降壓，耐壓定時以及各種電氣聯(lián)鎖、保護等。系統(tǒng)在運行過程中時刻檢測各輸入端口的運行狀態(tài)，有變化立即反應(yīng)。無論在升壓還是定時、降壓過程中，發(fā)生被測試

38、品擊穿時，快速電力電子開關(guān)立刻動作，試驗電壓急速降壓至零，并能發(fā)出報警信號，同時在上位機界面顯示實際擊穿電壓值以及實際擊穿電流值。數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、輸出、顯示等任務(wù)。上位機界面使用西門子WINCC組態(tài)軟件設(shè)計工頻耐壓試驗的操作界面，實現(xiàn)對試驗過程實時監(jiān)控的功能。4.2 STEP7程序設(shè)計步驟工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)使用西門子STEP7編程軟件在PC機上編寫用戶程序，用戶程序設(shè)計流程圖如圖19所示。圖19 用戶程序設(shè)計流程圖 在創(chuàng)建項目工程中選擇組織塊0BI及功能FC1FC6塊，一個程序中必須要有0BI，同時選擇編程語言，也可以在此選擇CPU的型號。選擇MPI地址，目的是為了使CPU與編程設(shè)備

39、或PC之間進行通信。 硬件選型包括電源、CPU、擴展模塊、輸入輸出模塊的選擇。 硬件組態(tài)的任務(wù)是在STEP7的配置機架畫面中，組態(tài)一個與實際硬件相同的硬件系統(tǒng)，使得軟件與硬件一一對應(yīng)。為了實現(xiàn)PLC和PC設(shè)備之間的自動數(shù)據(jù)交換，使用STEP7集成工具軟件建立它們之間的連接，本文選用PROFIBUS總線和Ethernet連接。 在組織塊OBI中編寫控制系統(tǒng)的主程序，在功能FC1FC6塊中編寫控制系統(tǒng)的子程序，F(xiàn)C1FC6功能分配如表6所示 程序編寫完成保存后，點擊 圖標，把程序下載到CPU中。最后，等待程序的調(diào)試。表6 FC1FC6功能塊分配電源電壓IW256初級電流IW262電源電流IW258

40、試驗電壓IW264初級電壓IW260次級電流IW2664.3 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖20。主程序設(shè)計主要包括工作方式選擇、動作順序控制、耐壓時間設(shè)定、調(diào)壓器位置檢測、試驗主回路過電流檢測與保護等。圖20 控制系統(tǒng)主程序流程圖在主程序流程圖中，從快速升壓到慢速升壓的判斷過程由比較器來完成，比較器有兩個觸點輸入端IN1和IN2進行BIN比較。試驗電壓經(jīng)過子程序處理轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的實際電壓存儲在MD60寄存器中并送入IN1，同時在FC1塊中定義75%Ue值存儲在MD40寄存器中并送入IN2端，兩數(shù)值進行LE比較，如IN1值小于IN2值LT比較器條件滿足，試驗電壓小于75%Ue，快速升

41、壓線圈Q2.0得電接通，調(diào)壓器快速升壓。當IN1值大于IN2值LT比較器不滿足時，說明試驗電壓大于75%Ue，GT比較器條件滿足，慢速升壓線圈Q2.1線圈接通，開始慢速升壓。降壓過程中同樣用到比較器，其原理與升壓過程類似，比較器工作原理如圖21所示。圖21 比較器工作原理圖手動控制控系統(tǒng)中的定時由時間繼電器來完成14，PLC控制系統(tǒng)則使用內(nèi)部定時器來完成定時任務(wù)，STEP7編程軟件提供了五種定時器分別為脈沖定時器(S_PULSE)、擴展脈沖定時器(S_PEXT)、接通延時定時器(S_ODT)、保持接通延時定時器(S_ODTS)、斷開延時定時器(S_OFFDT)，試驗中選用接通延時定時器(S_O

42、DT)。主程序中定時支路如圖22所示。只要I1.5有一個上升沿，Q2.2閉合，S_ODT將啟動定時器T0，同時定時器以輸入端TV設(shè)定的時間值開始計時，時間設(shè)定格示為S5T#1M，表示定時1分鐘。圖22 主程序定時支路4.4 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計控制系統(tǒng)子程序在功能FC1FC6塊中編寫，主要任務(wù)是端口定義、賦值、數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)實時測量電源電路的電壓與電流、調(diào)壓器二次側(cè)的電壓與電流、試驗電壓與電流，并將測量到的各電路電壓和電流在WINCC的單步控制試驗和連續(xù)控制試驗組態(tài)界面中顯示。A/D模塊輸入端口定義如表7所示。表7 輸入端口定義電源電壓IW256初級電流IW262電源電流IW258試驗電壓IW2

43、64初級電壓IW260次級電流IW266程序掃描過程中內(nèi)部運算比較器INZ端口用到的0.75%Ue值，在子程序中用MOVE指令定義并保存在指定的寄存器中。4.4.1 模擬量信號處理工頻耐壓試驗共有6個模擬量信號需要進行A/D轉(zhuǎn)換，模擬信號經(jīng)過測量電路把模擬信號轉(zhuǎn)換成標準的電壓信號后通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c模擬信號成比例的數(shù)字信號，并存放在緩沖器里，CPU通過“ L PIW x”指令讀取模擬量緩沖器的內(nèi)容，并傳送到指定的存儲區(qū)中等待處理。CPU通過“ T PQW x”指令把指定的數(shù)字量信號傳送到模擬量模塊的緩沖器中，模擬量模塊通過D/A轉(zhuǎn)換器，把緩沖器的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤臉藴孰妷盒盘?，標準電壓?/p>

44、號驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器動作。本文中所選用的可編程控制器A/D模塊標準量程為05V，轉(zhuǎn)換精度為14位，圖23為A/D轉(zhuǎn)換的原理圖。圖23 A/D轉(zhuǎn)換的原理圖4.5 控制系統(tǒng)上位機界面設(shè)計4.5.1 WINCC簡介組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的軟件平臺工具，是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個組成部分。它具有豐富的設(shè)置項目，使用方式靈活，功能強大。組態(tài)軟件是早先單一的人機界面向數(shù)據(jù)處理方向發(fā)展，管理的數(shù)據(jù)量越來越大。隨著組態(tài)軟件自身以及控制系統(tǒng)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件部分地與硬件發(fā)生分離，為自動化軟件的發(fā)展提供了充分發(fā)揮作用的舞臺。WINCC V6.0采用標準Microsoft SQF Serve2000數(shù)據(jù)庫進

45、行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歸檔，同時具有Web瀏覽器功能，可以在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面，從而更好地調(diào)度指揮生產(chǎn)，是工業(yè)企業(yè)中MES和ERP系統(tǒng)首選的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)平臺軟件。4.5.2 WINCC組態(tài)界面創(chuàng)建過程WINCC的基本組件包括組態(tài)軟件和運行軟件。WINCC項目管理器是組態(tài)軟件的核心，對整個試驗項目的數(shù)據(jù)組態(tài)和設(shè)置時進行全面的管理。使用WINCC運行軟件，操作人員可監(jiān)控生產(chǎn)過程。 啟動WINCC界面后，首先需要創(chuàng)建新項目。創(chuàng)建項目的過程包括項目類型的選擇、項目名稱和項目存放的文件夾、項目屬性的設(shè)定。WINCC中的工程項目分為3種類型:單用戶項目、多用戶項目和客戶機項目。單用戶項目可與多個控制器建

46、立連接，但只有一臺PC機15。這臺PC機既當作服務(wù)器，又當操作員。多用戶項目中可以使用多臺計算機進行協(xié)調(diào)工作，可創(chuàng)建多用戶項目?？蛻魴C項目具有一臺或多臺服務(wù)器的多用戶系統(tǒng)和只有一臺服務(wù)器的多用戶系統(tǒng)。本文項目類型選用單用戶項目，項目名稱為“工頻耐壓試驗控制系統(tǒng)”。 選擇及安裝通訊程序。若要使用WINCC來訪問PLC的當前過程值，需要在WINCC與PLC間組態(tài)一個通訊連接。通訊將由通訊驅(qū)動程序來控制，本文選用 PROTOCOLSUITE驅(qū)動程序。 定義變量。WINCC的變量按照功能可分為外部變量、內(nèi)部變量、系統(tǒng)變量和腳本變量四種。工頻耐壓試驗組態(tài)變量為外部變量也稱為過程變量，在創(chuàng)建過程變量之前，首先需要建立過程連接，在變量管理器的TCP/IP中建立名為“工頻耐壓試驗”的邏輯連接。然后定義過程變量，在變量屬性中設(shè)定變量名稱、數(shù)據(jù)類型。點擊“選擇(S)”按鈕，在地址屬性中定義變量地址，此地址應(yīng)與STEP7程序中對應(yīng)變量地址一致。過程變量定義如圖24所示。4.5.3 WINCC組態(tài)界面組態(tài)界面的設(shè)計是非常重要的，它直接關(guān)