调感式串联谐振智能装置自动化设计

舒露丝，孔德彭，周一飞，赖柏乐

(浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310014)

0 引言

随着用电负荷的增长，电力系统的规模在扩大，配电设备容量变大，为了满足参数的需求，对设备进行耐压测试时要求变压器和调压设备逐渐变大，原来的实验设备渐渐地不能满足容量快速增长的要求[1]。无论从电源容量、设备重量及电压波形等角度考虑，利用谐振原理设计工频装置都有自己独特的优势[2]，本文利用调感式串联谐振的原理，设计励磁变压器激发串联谐振回路，通过PLC输出模拟量调节变频器的输出频率，使得回路中的电抗器电感L和试品 CX发生串联谐振，谐振电压即为试品上所加电压。这样试验时所需电源的容量基数就变小，仅为所需容量的品质因数的倒数(1/Q)，解决了现场难以实现的大容量试品的高耐压试验，该装置广泛用于电力、冶金、石油、化工等行业，适用于大容量、高电压的电容性试品的交接和预防性试验。

1 试验装置结构及组成

本装置分以下几部分:可调电抗器、激励变压器、电动调压器、分压器、PLC、光纤隔离系统、上位机监控系统等，各部分功能如下叙述，结构如图1所示。

1.1 可调电抗器

该装置中，我们选择TKS－31.5可调电抗器，它可以在额定功率工作情况下，实现连续、无级、平滑改变电抗值[3]，当参数满足或1/wCx=wL时，回路达到谐振状态(UL为电抗器两端的电压，UC为被试品两端电压)，谐振原理如图2所示。被试品Cx上获得的容量SC=I2(1/wCx)，电抗器L上获得的容量SL=I2·wL，激励变压器的输出容量为 S=U·I=I2R，品质因数Q=SC/S=I2(1/wCx)/I2R=wL/R，通过改变电抗 L，适当地设计回路的品质因数Q，则谐振系统可在被试品CX上获得Q倍输入电源的容量[4]。

1.2 激励变压器

励磁变压器的作用是将变频电源的输出电压升到合适的试验电压，满足电抗器、负载在一不定期品质因数下试验电压的要求。为了满足不同电压等级、不同容量试品的试验要求，励磁变压器高压绕组一般有多个抽头[5]。本装置选用 CQSB(J)－10kVA/7kV、50kV(J)/0.4kV。

1.3 电动调压器

调压器是配合电力设备中的电压表、电流表一起使用的，目的是实时监控用电设备的实际运行状况，本设备上选用 DT－10kVA/380/0－420 V电动调压器，采用进口优质港片铁心组成，采用全封闭设计，操作安全可靠，调压器的碳钢刷片在弹簧压力下与线圈表明吻合，在线圈上根据需求进行滑动，达到调压目的。

图1 工频试验装置电气控制原理框图

1.4 分压器

高压分压器是高电压测试器件，它由高压臂C1和低压臂C2组成，测量信号从低压臂 C2上引出，作为高压电测量和保护信号。

图2 谐振原理图

1.5 P LC数字/模拟量的设计

PLC技术已经在电机控制、自动生成、阀门开关、压力传感采集及设定等方面应用越来越广泛[6]，本装置的PLC采用OMRON公司的CP1E－N40，24点输入/16点输出.输入I/O分配情况:KM1升压开关辅助常开/00000、KM2降压开关辅助常开/00001、KM3增间隙开关辅助常开/00002、KM4减间隙开关辅助常开/00003、KM高压开关辅助常开/00004、闪络保护控制/00005、调压上限开关辅助常开/00006、调压下限限位开关辅助常开/00007、紧急关断辅助常开/00008、KL6辅助常开/00009、KL7辅助常开/00010、K2辅助常开/00011;输出 I/O分配:升压控制/10000、高压闭合/10001、降压控制/10002、增间隙控制/10003、减间隙控制/10004、耐压测试到位指示/10005、KM5调压器电压控制10006、KM6调压器电压控制/10007，详细输出见电气原理图。通过PLC控制电机的正反转，从而实现电动变压器的升压与降压功能。其控制流程图如图3。

具体过程合上三相电源开关，再按下“高压”按钮，在按下“高压”按钮的同时按下“升压”按钮，直到激励变压器输出的电压为被试品上所需试验电压1/5Q以下(Q为回路的品质因数)，初步通过调整“增间隙”或“减间隙”按钮，使得“功率因数”指示为1.00时，此时回路即达到谐振状态，系统自动闭锁，调谐完毕。此时松开“增间隙”或“减间隙”按钮，同时按下“高压”和“升压”按钮进行升压，由于被试品可能会出现容升现象，当回路失谐时，可根据功率因数表指示进行调谐，当高压测电压升至被试品上所需试验电压的80%时，缓慢升压至试验电压值，如果耐压时间到即按下“降压”按钮，将输出电压降至零位，再按下“分断”切断外部三相电源。

图3 控制流程图

1.6 光电隔离系统

该系统是弱电和强电综合的系统，为了保护人身、设备安全及正确信息通信，采用光纤隔离系统，具体的实现是通过 U/F－光纤－F/U模块把采集的电压电流转换成模拟量传递给上位机和上位机，PLC驱动输出采取闪络保护电路驱动可控硅触发电路，经过U/F－光纤 －F/U控制谐振电路中的高压可控硅控制点，完成谐振控制。

1.7 软件系统实现的功能

本装置设计的是一个实现自动化控制的高压电力测试系统[7]，功能实现后是一个典型的SCADA系统，该系统中的有专门开发的上位机软件，安装在PC工控机上，通过ADMA通信模块，结合现场总线，上位机使用串联谐振系统的入口，达到上位机与下位机建立高效的数据通信，实时的反映下位机的控制状态和试验数据，上位机可以以命令的形式使下位机执行相应的动作。除此之外其完成试验数据的提醒、试验过程控制和、状态显示和历史数据入库等功能。具体的功能实现:

(1)采集调压器输出电压 U2、电流 I2，通过串口与 ADAM(智能模块)通信实现;

(2)模拟量电源电压U1、电流I1，功率因数cosφ，高压U3测量值;开关量主回路电源闭合状态，调压器上下限位开关状态，升降压状态，储能状态等。其通过串口与PLC(可编程控制器)通信实时采集实现;

(3)自动检测PLC、ADAM通讯端口，完成设备自检;

(4)实时监测试验时的各种状态和数据;

(5)绘制试验时高压U3的实时曲线U3－T功率因数cosφ－T，调压器输出电压U2－T，输出电流I2－T;

(6)通过上位机软件下发各种控制命令，如升/降压操作，储能操作，高压控制开关操作;

(7)试验数据管理，自动保存试验数据到数据库，并自动生成试验报告;

(8)试验报告综合管理;

1.8 功率因数测控仪功能

本试验装置采用HH－9型功率因素测控仪，它采用末处理器作核心控制芯片，能准确的测定功率因素，并根据用户的要求发出8路控制信号，以满足各种不同的测控需求。系统谐振电压等级和容量取决于试品的电容量C，试验电压U试验频率f。对于交联聚乙烯电缆决定系统配置的主要是:电缆的电压等级、电缆的截面积、试验电缆的长度及电缆要求的谐振频率范围;对于GIS(气体绝缘金属封闭组合电器)决定系统配置的因素为:GIS的电压等级、GIS的间隔数和每个间隔的电容量C，GIS允许的试验频率范围;对于变压器、发电机等设备，系统的配置取决于试品的容量试验电压、试品的等效电容量C、要求的谐振频率和试品的空载损耗的大小。

1.9 触摸屏

图4 PLC与触摸屏通信示意图

通信信号采用光纤隔离，上位机进行远距离监控，与PLC控制设备还有一定的距离，为了近距离实时控制PLC的装备，实现更好的人机交互，该系统引入了触摸屏。这里选择pro－face品牌的GP－2301触摸屏，指令丰富，通信简单，功能完备，小巧方便，很适合中小型控制系统，通过组态画面设计，把现场控制输入输出量展现在控制画面上，展现历史数据和生成信息报表。这样，方便实际操作，提高生产效率[8]，实现了良好的人机交互。通信示意如图4所示。

2 程序设计

系统上电，PLC进行初始化，输出控制量给变频器进而调整电抗器，基于PID调节，使回路产生串联谐振;检测电路的电流、电压信号经过变送器将电信号 U1、U2、U3，…等参数通过光纤隔离模块传给PLC，U2、I2参数同步传给ADAM通信模块，监控软件通过接口读取模拟量和开关量信号，同时实时监控试验各种数据和状态。根据需要可以绘制实时的U－T曲线，功率因数cosφ－T曲线，输出电流I2－T曲线。同时PC可以控制储能操作、升降操作;若有升压需求，操作按钮可以向PLC发送指令，控制电机拖动电动调压器滑片工作，不断修正，直到被试品上电压达到试验值。系统控制示意如图5所示。

图5 系统控制示意图

3 结束语

大型电力电缆、变压器、汽轮发电机、水轮发电机等带容性设备，都必须进行耐压测试，该设备投入使用后减少了所需电源容量，且有储能作用;当试品被击穿时，瞬间短路电流减少为1/Q，不会出现过电压;同时调压器及激励变压器容量都相应减少，解决了大电容不易做耐压测试的难题;系统监控软件带有各种状态和数据的实时曲线，触摸屏现场跟踪控制，使信息监控和实时操作变得十分方便。

[1]王文华.基于PLC控制的液动机械手[J].轻工机械，2012，30(2):46－49.

[2]胡巍，沈希，黄跃进，等.变频冰箱测试控制系统[J].轻工机械，2011，29(2):87 －90.

[3]廖常初.可编程控制器应用技术[M].重庆:重庆大学出版社，1992.

[4]廖家平，孔德鹏.煤矿提升绞车自控系统设计[J].电工技术，2005，26(3):27－29.

[5]熊四昌，徐中晓，黄林.基于PID控制的泄漏检测装置的研究[J].轻工机械，2010，28(1):64 －69.

[6]刘光徽.基于触摸屏和PLC的热板机控制系统[J].轻工机械，2010，28(4)71－73.

[7]王玉琦，熊葵容.可编程序控制器在温度控制中的应用[J].传感器世界，1998，4(4):34 －36.

[8]闰永利，闰军.工频串联谐振耐压装置现场试验参数配合的计算及调整[J].高压电器，2004，47(5):391－393.