基于PLC和变频器的变压器风冷控制系统设计

曹胜敏，张铜钢

(唐山学院 装备制造系，河北 唐山 063020)

基于PLC和变频器的变压器风冷控制系统设计

曹胜敏，张铜钢

(唐山学院 装备制造系，河北 唐山 063020)

针对油浸自冷式变压器温度过高的问题，设计了由S7-200PLC和变频器构成的强制风冷系统。用该系统对车间变电所的变压器进行降温处理，可以改善变压器的运行环境，提高其负荷率。

变压器；强制风冷；运行环境

近年来，由于全球环境变化，夏季各地气温屡创新高，厂用变压器面临高温考验。中小型工厂配电变压器多数采用油浸式变压器，其容量在1 000 KVA以下[1]，没有达到加装风冷系统的标准，均采用油浸自冷式，温度保护较简单[2]。某单位配电变压器为400 KVA，安装在室内，除给工厂供电外，还为三栋家属楼供电，曾在2000年扩容，增加了两个低压配电屏，负荷率85%，在夏季用电高峰时运行温度极高。为此笔者给这台油浸自冷式变压器设计了风冷控制系统，以改善变压器的夏季运行环境。

1 油浸式变压器的工作环境

S9系列变压器的额定工作条件：①海拔高度不超过1 000 m；②最高环境温度+40 ℃；③最高年平均温度+20 ℃；④最高月平均温度+30 ℃；⑤户外最低气温-25 ℃[3]。

变压器运行时，绕组、铁芯、钢铁结构件中均要产生损耗，这些损耗将转变为热量发散到周围介质中，从而引起变压器温度升高。变压器的温升计算，是要计算各部分的温差和温升，即绕组对油的温差、绕组对空气的平均温升、油对空气的平均温升及顶层油温升。油浸式变压器在连续额定容量稳态下的正常温升限值见表1*见沈阳变压器有限公司《油浸式电力变压器设计手册》，1999年，第147-148页。。

表1 温升限值

为了检测变压器运行时各部件的温度，规定以变压器上层油温来确定变压器的允许温度。允许温度=允许温升+40 ℃。通过计算，变压器顶层油的允许温度为100 ℃(油不与大气直接接触的变压器)。变压器本身应有供温度计用的管座，设在油箱的顶部，并伸入油内120±10 mm[3]，以测量变压器的顶层油温。

2 变压器风冷控制系统的组成及原理

2.1 系统的组成

系统由风机、PLC，温度传感器、变频器构成。

温度传感器采用BD-PT-B001型直管封装铂电阻PT100，接线方式采用两线制，工作温度设定为0～100 ℃，对应输出信号0～10 V，供电电源24 VDC，用它取代变压器油温测量管座中的温度计。PLC选用S7-200系列CPU224，模拟量输入模块EM231，模拟量输出模块EM232。4台风机安装在变压器的4个面。选用一台三菱变频器，使系统工作更节能。

EM231RTD热电阻模块的设定开关SW1-SW5状态为00100，模拟量输出模块EM232用其电压端子。变频器的参数见表2。

表2 变频器参数设置

2.2 控制原理

变压器顶层油温达到60 ℃时风冷系统启动，达到75 ℃时报警。在60～75 ℃之间时，变频器输出频率随温度而变化，温度高则输出频率高，风机转速高。若温度持续低于60 ℃一个小时后，风冷系统停止。温度达到90 ℃时，自动切断变压器及风冷系统电源。系统将当日最高温度存入固定存储空间，以便查询。系统框图如图1。

图1 系统框图

控制过程为：将设定温度存入PLC，传感器检测顶层油温，并变成0～10 V电压，送给EM231输入端，存入AIW0。执行PID控制指令，将结果AQW0经D/A转换后从EM232的M0，V0输出给变频器的2和5端，使变频器输出相应频率，控制风机运行，使油温维持在60 ℃。

3 变压器风冷控制系统的程序

3.1 PLC的I/O分配表

PLC输入端有开关量和模拟量两种信号，但电源均为DC24 V。输出端的继电器负载用AC220 V电源，接于第一组输出端Q0.0-Q0.3，指示灯负载用DC24 V电源，接于第二组输出端Q0.4-Q0.6，见表3。

表3 PLC I/O分配

3.2 部分程序

系统程序采用模块式，可以优化程序结构，节省扫描时间。系统程序包括主程序、PID子程序、中断程序。主程序的功能是调用子程序；PID子程序完成的工作是，确定PID各参数并填入回路表，设置PID运算周期并进行重点连接；中断程序的功能是读过程变量油温值，将过程变量转化成标准化实数并填入回路表，执行PID指令，将输出值转换为符号整数输出。这里用定时中断0，其时间间隔存储器为SMB34，中断号为10。

(1)

(2)

PID算法是将连续系统PID调节的微分方程(式(1))进行离散化后，再利用PLC处理的重复性，变成如式(2)的形式。

由离散化的PID算法可知，PLC在执行PID调节指令时，需对算法中的9个参数进行运算，为此需要建立一个PID参数表[4]。PID参数表的格式及含义见表4，该表由36个字节组成。

表4 PID参数

PID参数表设置程序如图2所示，PID运算周期设置及中断连接程序如图3所示。

图2 PID参数设置程序

图3 PID运算周期设置及中断连接程序

4 结论

变压器风冷控制系统用温度传感器取代温度计，实现了对变压器温度的检测，安装方便，接线简单，运行可靠，风冷装置节能运行。工厂的车间变压器或小型工厂的变压器，用该风冷装置进行降温处理，能够有效缓解由夏季气温升高以及负荷量增大引起的变压器温度过高的状况，减少变压器事故，保障人身和设备的安全。

[1] 刘介才.工厂供电[M].5版.北京：机械工业出版社，2011：78.

[2] 张铜钢，曹胜敏，宋凤娟.基于PLC的工厂主变压器综合保护系统设计[J].变压器，2008，45(11)：16-17.

[3] 谢毓城.电力变压器手册[K].北京：机械工业出版社，2003：101.

[4] 徐国林.PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007：126-129.

(责任编校：夏玉玲)

Design of Transformer Air-Cooling Control System Based on PLC and Frequency Conversion

CAO Sheng-min， ZHANG Tong-gang

(Department of Equipment manufacturing， Tangshan College， Tangshan 063020， China)

The authors of this paper have designed a forced air-cooling system which contains a frequency inverter and S7-200PLC to overcome the problem of overheat. The system is capable of cooling the workshop substation transformers， and improving the transformer’s operating environment and the load rate.

transformer；forced air cooling；operating environment

TP273+.2；TM411

A

1672-349X(2015)03-0032-02

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.011