基于PLC控制的恒流充电电流发生器设计

杨志浩，周 霄，任晓明，徐靖宸

(1. 上海电机学院，上海 201306；2.国网重庆市电力公司万州供电分公司，重庆 404100)

高电压恒流源主要用于电容器的恒流充电和电除尘。恒流充电是脉冲功率技术中的一项重要技术[1-4]。恒流充电有以下几种充电方式：(1)L-C谐振恒流电路，其原理是输入的正弦交流电压U经T型恒流网络变换,产生恒定的正弦交流电流,再经升压变压器变换和硅堆整流,得到恒定的脉动直流电流[5-8]；(2)逆变恒流电路，其原理是使用电力电子器件和采用反馈控制的方法可以实现高电压恒流源[9]；(3)采用低压恒流源加逆变器结构的恒流源。该方法先进行整流然后利用斩波器电路，用以实现高频恒流变换，输出恒定电流，再通过逆变电路产生恒值方波电流[10-11]。本文提出一种以PLC控制可控硅导通角的充电方式，结构简单，易于精确控制。

1 恒流充电原理

可控硅恒流充电原理图如图1所示。图1所示的电路中，利用PLC控制继电器使接触器KM1吸合，将50 Hz、220 V工频交流电输入可控硅的输入端进行调压，调压电路输出电压的大小要合适，否则会造成充电时间过长或太短的情况；再经限流保护电阻R3后由变压器TR1升压至二次侧的全桥整流电路D1，整流后再经高压保护电阻R8给主电容C1充电。使用给定输出电压进行充电时，充电电容上的电压会不断地上升，充电电流也将随之减小，因此在变压器的两侧会造成回路的电流大小有所变化。

在选择控制策略时，可通过控制变压器原边电流不变达到恒流的目的。

图1 可控硅恒流充电原理图

变压器结构示意图如图2所示。根据KVL定律并且结合变压器一次侧的电动势平衡方程得到：

(1)

若可控硅的触发延迟角一定时，则变压器原边输出恒定电压，根据式(1)可知充电电流不断减小。要达到恒流充电的目的可通过增大调压电路输出电压U以维持电流的不变，在实际电路的运行过程中，需要减小可控硅的触发延迟角以增大输出电压。

图2 变压器结构示意图

BFMb15-b8b7b6b5b4b3b2b1b00保留A/D通道的数据当前值输入数据16保留A/D通道的数据当前值输出数据17保留保留D/AA/DA/D启动启动通道1-5,18-31保留

2 单相交流调压模块

单相交流调压模块的原理如图3所示，电源输入端的电压经调压后输出相应的电压，单相调压电路仅改变输出交流有效值的大小，而不改变输入电源的频率。

图3 单相交流调压电路原理

图4是控制电压与导通角的关系图，控制电压的大小与可控硅的触发延迟角是成反比的关系，特殊功能模块给的控制电压越高时可控硅的触发延迟角越小，可控硅两端的输出交流电压有效值越大。

控制电压范围是0～10 V，故在选取PLC特殊功能模块时需要考虑到其输出范围。它的有效输入范围是1.5～9.5 V，当控制电压小于1.5 V时，可控硅无法导通，模块无电压输出；当控制电压大于9.5 V时，可控硅完全导通，相当于两个二极管的反并联。1.5～9.5 V的有效输入范围对应于可控硅触发延迟角的150°-0°。在某一可用控制电压对应的α角度的输入输出关系如图5和图6所示。因此，输入电压与触发延迟角存在着线性的关系，即控制电压在1.5 V基础上增加了1 V，可控硅触发延迟角减小18.75°。在设定一个初始的可控硅控制电压时，使用恒流充电会使该控制电压逐渐增大。

图4 Ucon与触发延迟角α的关系曲线

图5 可控硅输入电压

图6 某一有效控制电压下的可控硅输出值

3 PLC及模拟量模块

控制器PLC选为三菱的FX3GA-24MT，模拟量模块选为三菱的FXOM-3A模块。FXON-3A模块有两个模拟量输入通道和一个模拟量输出通道，设备中通过传感器采集到的模拟量数据传送给模拟量模块，模块中通过D/A、A/D转换输出相应的值，当D/A值一定时属于恒压充电。FXON-3A模块内部的数据处理方式是由缓冲存储器BFM决定的，BFM的描述如表1所示。

缓冲存储器将模拟信号经过A/D、D/A转换后保存在相应的存储器编号中。控制电路接线图如图7所示。其中，采集到的模拟量将其转换为数字量保存在BFM 0，输出通道的数字量寄存在BFM 16中并转换为模拟量输出，BFM 17作为通道方式的选择。在FXON-3A的模块特性中，能使用到的只有BFM 0、BFM 16、BFM 17，其余的BFM编号不能使用。

4 设备接线及程序设计

图7 控制电路接线图

首先预设目标充值电压(D1000)及控制电压(D1001)。充电启动后(X0)中断开启，采集原边电压上冲后最大值，800 ms后停止采集，通过数据查找指令SER找到最大值。通过对原边电压的反馈，如果反馈电压值小于初始采集的最大电压值，程序自动增加可控硅的电压(D2)，反之则减小，以达到保持电压稳定。通过保持原边侧电压的不变，副边侧充电电压保持线性上升。当充电电压等于预设的目标电压(D1000)，程序自动结束，等待下次冲电。如果充电过程中发生意外，可通过X2按钮紧急停止充电。程序流程图如图8所示。

图8 程序流程图

5 试验验证

图9所示为充电电容电压上升波形，从图中可以看到整个上升过程呈现为一种相对线性、平滑的状态，整个充电过程耗费的时间约为43 s。

图9 恒流充电电容电压上升波形

充电完成之后利用一个电磁触发装置和放电调波回路将电容器中的能量通过接地线将能量导入大地。完整的充放电过程实物，通过线圈和示波器观察放电回路中参数是否满足8/20 us。图10为功率回路原理图。

利用国标中相关部分的参数要求与测试波形如图11和图12所示参数进行对比，可以得出，上升时间T1=6.9 μs，误差约为7.8%，半峰值时间T2=21.7 μs，误差约为8.5%。波前时间误差和半峰值时间误差均满足小于10%的波形要求，即该波形满足8/20雷电波形。

图10 功率回路原理图

图11 8/20 us冲击电流波形上升时间测量

图12 8/20 us冲击电流波形半峰值测量

6 结语

本文以三菱PLC为控制核心，设计了一套可以恒流充电的冲击电流发生器。通过新的研究方案和理论分析，制作了实物模型，并且可以有效地进行试验。试验结果表明，使用PLC控制可控硅的恒流充电系统能安全、可靠地运行，并且目标充电电压易于调节、主回路结构简单。通过恒流充电，减少了恒压充电的时间，效率得到提高，并实现了8/20冲击电流波形。