基于PLC的直流电源充电模块实现自动检测的设计

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(国网四川省电力公司遂宁供电公司，四川 遂宁 629000)

0 引 言

在电力系统中，直流电源稳定运行对变电站的安全运行起着至关重要的作用，同时也是电网安全运行的保障。当变电站直流电源出现故障时，相关的运行检修人员不能及时有效地排除故障，甚至扩大事故范围、降低供电可靠性，给供电系统及国家财产造成非常巨大的损失。变电站中高频直流电源模块产品的使用量大而且质量要求严格(输出可靠性、稳定性、精度等指标)，文中通过对高频开关充电模块技术的研究，结合生产运行中充电模块产品的缺陷发生，需对交流输入缺相、直流输出短路、带载老化能力、输出的稳压、稳流特性等进行严格检测，提出应用PLC实现自动控制进行生产检测的方法。从而，大大提高变电站中充电模块产品质量精度及运行的可靠性。

1 高频开关电源技术

充电整流模块作为变电站直流电源的重要组成部件,将三相交流电通过整流模块转变为具有额定电压的直流电,是整个直流电源的动力来源。直流电源充电整流模块经历了从相控充电模块发展到高频开关电源模块的过程，高频开关电源原理框图如图1所示。

图1 高频开关电源原理框图

原边检测控制电路监视交流输入电网的电压，实现输入过压、欠压、缺相保护功能及软启动的控制；辅助电源为整个模块的控制电路及监控电路提供工作电源；EMI输入滤波电路实现对输入电源作净化处理， 滤除高频干扰及吸收瞬态冲击；软启动部分用作消除开机浪涌电流；三相交流输入电源经输入三相整流、滤波变换成直流，全桥变换电路再将直流变换为高频交流，高频交流经主变压器隔离、全桥整流、滤波转换成稳定的直流输出；信号调节、PWM控制电路实现输出电压、电流的控制及调节，确保输出电源的稳定及可调整性；输出测量、故障保护及微机管理部分负责监测输出电压、电流及系统的工作状况，并将电源的输出电压、电流显示到前面板，实现故障判断及保护，协调管理模块的各项操作，并跟系统通信，实现电源模块的高度智能化。

2 直流电源产品检测检修PLC实现自动控制

2.1 直流电源产品检测台原理

直流电源产品检测台原理框图如图2所示。

图2 检测台原理框图

2.1.1 检测台的功能

(1)三相电源输入：检测台工作电源，通过接触器吸合控制通/断。

(2)高频直流电源模块：被检品、被测对象；它是交流输入380 V能转换为输出直流220～260 V的电源模块；检测台就是围绕它的检测项设计的。

(3)三相调压：通过手动人工操控，使三相输入电源有85%、100%、115%值，从而检验电源模块工作的稳定性，做稳压、稳流试验用。

(4)电源输入控制：做三相缺相试验用，使被检品“高频直流电源模块”得到缺相时，检验它的保护性能。

(5)短路测试：直流电源模块的直流输出端，通过接触器吸合，使母线短路，完成输出短路试验。

(6)电阻负载：通过负载的改变，使得直流电源模块得到不同的带载电流，从而老化电源模块的带载能力及温升。

(7)纹波测试表：当直流电源模块分别输出不同电流、三相输入电源变动的情况下，测得其纹波值指标。

(8)电能质量分析仪器：记录直流电源模块的带载稳定性能，稳压、稳流、效率、功率因素、谐波含量值等指标。

2.1.2 检测台工作过程

(1)三相电源输入：检测台的工作输入电源，当按下启动按钮SB0、SB1时，KM、KM1接触器线圈得电，控制电路辅助触点KM、KM1闭合，实现自锁，主电路常开主触头KM、KM1吸合，使得工作台电源上电。

(2)高频直流电源模块：被检品、被测对象；它是交流输入380伏转换为输出220-260伏直流的电源模块。

(3)三相调压：是被检品“直流电源模块”的电源输入端，通过手动人工调节或操控按钮，使不同的接触器吸合(KM21、KM22、KM23分时吸合)，从而改变变压器绕组抽头，获得不同的三相输入电源值(85%、100%、115%)，检验电源模块的稳定性。

(4)电源输入控制(缺相控制)：通过人工操控按钮，使得接触器KM2、KM3、KM4分时吸合动作，常闭主触头打开，使得被检品直流电源模块的三相分别缺相，从而模拟做三相缺相试验，检验它的保护性能。

(5)短路测试：通过人工操控按钮，使得接触器KM5动作，常开主触头闭合，使得被检品直流电源模块的输出直流端短路，从而模拟它的短路保护性能。

(6)电阻负载：通过人工合闸微断开关使得接触器KM11、KM12、KM13分时吸合动作，常开主触头闭合，使得负载阻值改变，直流电源模块得到不同的带载电流，从而老化电源模块的带载能力及温升。

(7)纹波测试表、电能质量分析仪表：被检品的测量数据仪器仪表；当以上项目(三相输入缺相、短路、三相电压变化、电阻负载)改变时，测得直流输出的纹波、稳压、稳流、短路保护、效率、功率因素、谐波含量等指标。

2.2 基于PLC的直流产品检测台实现自动控制

从检测项目中的工作过程可见，所有检测项目都是通过人工操作的按钮、开关来操控，而且都是间隔一段时间后就操控下一个工序。那么，我们可以通过可编程控制器(PLC)自动控制，设计好相应检测顺序的程序语言，来代替人工的操作按钮、开关来操控相应接触器，从而能得到相应的控制功能，还能提高生产效率。

2.2.1 应用PLC实现自动控制的原理

图3 应用PLC控制的原理框图

(1)控制一(缺相试验：要求交流三相输入电源分别缺相)：通过PLC的输出点Y000、Y001、Y002，分别控制接触器(KM2、KM3、KM4)动作，使得三相电源A、B、C分别缺相，从而完成产品的三相缺相情况下的保护性能。

(2)控制二实现稳流测试(三相电压波动试验：改变三相调压器的输出电压)：通过PLC的输出点Y004、Y005、Y006分别与Y007、Y010、Y011分别配合，控制接触器(KM21、KM22、KM23)动作，使得三相调压器分别输出85%、100%、115%(380V额定电压值)，与此同时，接触器(KM11、KM12、KM13)分别配合动作，得到不同负载，实现对产品不同电流下三相电压在改变情况下，对负载波动的稳定性能。

(3)控制三实现稳压测试(三相电压波动试验控制同上控制二原理)，通过PLC的输出点Y007、Y0010、Y0011分别与Y004、Y005、Y006配合，分别控制接触器(KM11、KM12、KM13)动作，使电阻负载组得到三个不同阻值，要求电源模块输出分别带载25%(轻载)、50%(半载)、100%(满载)，从而得出的效果就是，产品在三相电压改变及输出负载又在变化的情况下，其输出电压稳定性能。

(4)控制四(短路试验：使模块输出直流母线短路)：通过PLC的输出点Y003，控制接触器(KM5)动作，使得电源模块输出直流母线短接(短路试验)。接触器闭合，可以开始检测工作。再按下检测工作启动按钮SB3，PLC程序第一步先完成KM234动作的缺相试验；接着控制交流输入调压器不同电压抽头的调压，完成稳流、稳压试验；最后完成短路试验。

2.2.2 用PLC实现自动控制设计

(1)PLC的输入输出I/O分配表

表1 PLC的输入输出I/O分配表

(2)PLC的I/O接线图

PLC的I/O接线图如图3所示。

图3 PLC的I/0接线图

(3)PLC主程序解释

当按下启动按钮SB3，开关X000接通时，检测指示灯亮起，步进指令SET20动作，Y000有输出，KM2吸合，计时5秒，完成A相试验；然后步进指令SET21动作，YOO1有输出，KM3吸合，又计时5秒，完成B相试验；同理，后面都是应用步进指令分别完成Y002至Y011的输出并计时，从而完成各项试验。若按下停止按钮SB4，检测工作停止，检测指示灯熄灭。重新更换检测产品后，按下SB3又开始检测工作。

图4 PLC主程序梯形图

2.2.3 改造后的检查与测试

(1)检查改造后的检测台接线是否正确：主交流输入AC380伏经接触器KM1吸合供电，再接三相调压器，可改变交流输入电压；然后引至KM234三个接触器，分别控制交流三相电路缺相，从而完成缺相试验。再把三相电源接至被检测品(高频开关电源模块)，然后输出为直流正负极，负极接一个分流器，测输出带载的电流；接一个电压表，测直流输出电压值；往后接的KM5是做短路试验用，监测电源模块是否能正常保护并能发出信号；再往后是负载，通过改变不同的三组负载，监测电源模块是否能稳定带载、稳压。

(2)控制操作测试：按下检测台工作电源启动按钮，KM1接触器闭合，可以开始检测工作。再按下检测工作启动按钮SB3，PLC程序第一步先完成KM234动作的缺相试验；接着控制交流输入调压器不同电压抽头的调压，完成稳流、稳压试验；最后完成短路试验；整个检测过程中，依靠PLC的程序控制以及电能质量分析仪监测完成。

3 结束语

在电力系统运行中，直流电源系统为微机保护装置、断路器跳合闸及开关信号提供220 V或110 V直流电，是变电所构成重要的组成部分，它的可靠运行是变电所及电网安全运行的重要保障。文中提出应用PLC实现高频开关充电模块进行自动检测的方法。对交流输入缺相、直流输出短路、带载老化能力、输出的稳压、稳流特性等进行严格检测，从而，大大提高变电站中充电模块产品质量精度及运行的可靠性，为直流系统能够安全、可靠运行打下坚实基础。