冲击电压发生器的PLC控制设计

李盛举,任晓明,蔡咏祥

(上海电机学院 电气学院,上海201306)

雷电作为一种冲击电压波,其对于生活中事物的危害显而易见,该冲击电压波波前陡度与损害有密切关系[1-2]。波前越陡时,产生的波形类似于脉冲波形的上升沿冲击,危害更大。在工程中,为了测试电力设备抗雷电损伤和过电压的能力,常采用冲击电压发生器来模拟雷电冲击实验,借助模拟的雷电过电压现象,确保电力系统的安全和可靠运行[3-4]。

在20世纪80年代初,我国建成了10 MV、0.32 MJ的冲击电压发生器,这极大地促进了强流脉冲电子加速器的发展[5]。从我国的高电压发展史来看,高电压技术已经有了飞速的发展,但高压设备试验的技术日新月异,革新速度惊人。目前,国内应用于冲击电压发生器球隙装置的自动化水平大多较为落后,依然停留在传统手动控制系统,多采用手动继电器调节[6]、弹簧调节[7]、以及机械调节[8]的方式。而球隙装置是冲击电压发生器设备中重要组成部分,针对不同的冲击电压要求,其球隙距离不同。若在试验中需更改输出电压,需要调节球隙之间的距离。利用传统球隙装置控制系统来调节工作效率低、劳动量大;由于是人工操作,精度不高且容易出现故障,存在一定的安全问题。另外随着电力电子技术的蓬勃发展,多种整流充电回路的不断探讨,充电回路的种类随即呈现出多样性[9-10]。充电回路的高效,“点火”脉冲的精确触发,高等级的试验电压,试验的安全性能等技术参数逐步上升到更高要求。因此,在冲击电压发生器的球隙装置研发中,用自动控制系统代替传统控制系统尤为重要。

在工业4.0智能化时代下,智能自动化控制扮演着重要的角色,越来越多的产品设备需要其作为技术支撑,可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)技术以其自身的优越性能获得了广泛应用[11-12]。与传统的单片机相比,PLC具有抗干扰性、可读性,且稳定性更好,工业应用性更强。本文将PLC自动控制技术应用于冲击电压发生器,可以有效提高冲击电压发生器的稳定性和灵活性,确保操作的可靠性和安全性。

1 冲击电压发生器原理

1.1 标准雷电冲击波形

国际电工委员会提出以冲击波形峰值的30%～90%来定义雷电波形的波前时间,推荐采用标准波形1.2/50μs,其波前时间允许±30%误差,半峰值时间±20%误差[13]。图1所示为标准雷电全波波形,其中M 点为电压峰值;A点为电压峰值的30%;B点为电压峰值的90%;J点为电压峰值的50%;F点为直线AB与峰值水平切线的交点;G点为直线AB与时间轴的交点,即视在原点;GH线为波前时间T1;GK线为半峰值时间T2。

图1 标准雷电全波波形

1.2 基本原理

马克斯(Marx)电路常常用来构建冲击电压发生器的基本回路,可以根据不同的要求,对基本回路进行简化,如图2所示为冲击电压发生器基本回路[14]。冲击电压发生器的回路由整流电路、充、放电回路等基本回路组成。整流电路由高压硅堆D和试验变压器T 构成;基本的RC充电回路由保护电阻Rb和充电电阻R组成;C′为对地杂散电容;Rf为波前电阻;Rt为波尾电阻;g0为隔离球隙;C0为试品。向电路中的主电容器C1～C4充电,当电容器两端的电压充电到U时,根据电路的并联结构,每对点火球隙g1～g4上的电位差也为U。当每对球隙之间的击穿电压略大于U时,空气不会被击穿,则放电回路无法形成。

图2 冲击电压发生器基本回路

本文采用目前常用的一种单边高效回路的方式[15],如图3所示。在这种回路中设置波前电阻Rf和波尾电阻Rt,没有隔离球隙。一方面,有充电电阻R存在;另一方面,Rf和Rt都作为充电电阻,该回路基本原理和前面相似,是一种高效的回路。

1.3 发生器同步

图3 冲击电压发生器单边高效回路

球隙放电的同步特性是影响冲击电压发生器模拟瞬态过电压性能的关键因素[16-17]。根据马克斯回路的原理,第1级点火球隙的触发,随后中间球隙依次发电,使得电容的并联充电变换为串联放电。在这一过程中,若没有保证好球隙放电的同步性,就会无法得到等级高的输出电压以及理想的波形,因此球隙放电的同步性对于冲击电压发生器的实现至关重要。

当试验测试中过电压倍数大于球隙放电的分散范围时,可以确保良好的同步性和可靠性。在大量的试验中,发现以下同步不可靠情况：电路主电容器的电容大,放电电路中的放电电阻太小;回路中的负载电容值较小,并且波前电阻太大。设计合适的回路以达到增加自然过电压和使每级间隙同时具有触发脉冲等方法可以消除以上困难,实现每个球间隙同时放电。

2 PLC控制模块

2.1 模块选取及接线设计

本次设计中控制器PLC选用有较多输入输出端口的三菱FX3GA-24MT。通过理论计算求得主电容器充电电压的预设值为3 k V,采用分压器比例为1∶1 000,根据比例换算可知需采集的电压值为3 V,因此选用维博系列WBV122SO1交直流电压传感器作为模拟量采集模块对电压进行有效采集,该模块由24 V 开关电源对其进行供电。选用三菱的FX2N-4AD模拟量模块,该模块有4个模拟量输入通道,通过输入通道将电压和电流模拟量信号换成12位的数字量信号传送至与之相连的PLC。FX2N-4AD模块内部的数据处理方式由缓冲存储器BFM 决定,BFM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4所示,FX3GA-24MT 通过扩展电缆与模拟量模块FX2N-4AD 相连作为核心控制器,PLC的输出端口与开关电源相连以提供24 V电压给继电器K1、K2供电。WBV122SO1交直流电压传感器作为模拟量采集模块经1∶1 000分压器对电压进行有效采集,从而实现闭环控制。

图4 控制线路接线

2.2 程序设计

首先预设目标充电电压,其次闭合X0以导通线圈Y0启动电路,随之通过电压互感器采集实时充电电压,将实时充电电压与预设电压进行比较,当满足充电电压大于预设电压条件时充电完成,线圈Y1闭合,继电器线圈得电,放电回路开始放电。当出现紧急状况时,可以闭合X1使得电路急停断开。流程如图5所示。

图5 程序流程

3 仿真与试验验证

3.1 Matlab仿真

根据基本原理图设计在Matlab/Simulink中搭建如图6所示仿真模型[18]。对该仿真模型下波前时间与半峰值时间进行测量,如图7所示。由图7(a)可得Δt=0.67μs,t1=1.67×Δt=1.67×0.67=1.118 9μs,符合IEC标准1.2(1±30%)μs;由图7(b)可得Δt=51.844μs,符合IEC标准50(1±20%)μs,因此电路设计满足所需要求。

3.2 试验验证

根据计算仿真结果以及实验现有条件,选用额定电压10 k V、2μF的CHM脉冲电容器,容量2.7 k VA、匝数比220∶25 000的试验变压器。选用高压硅堆作为电路整流器件,33.3 kΩ、1.5 kW 的耐高压无感绕线电阻作为保护电阻,2 kΩ、1 kW 的耐高压无感绕线电阻作为充电电阻搭建试验平台。

图6 Matlab仿真图

图7 仿真波形测量

为进一步保证冲击电压发生器放电时的同步性,使马克斯回路的球隙放电能够同时触发,对球隙放电的触发进行了一定的改进,区别于传统的触发方式,采用PLC控制对球隙放电进行触发。PLC控制的触发方式能够做到及时触发,确保了球隙放电的同步性,使试验能够顺利进行,也实现了弱电对强电的控制。本试验采用的球隙如图8和图9所示。其中第1级球隙为改进过后的带电磁继电器球隙,第2级球隙为球隙距离可调节的铜球隙。

图8 带继电器球隙

图9 铜球球隙

通过高压探头测量输出端电压波形,为达到良好的滤波效果,保证波形精确,将示波器的采样方式设置为平均采样,输出波形如图10所示。从图中可以看出,输出波形波前时间为1.24μs,半峰值时间为55.1μs,均在标准1.2/50μs雷电冲击波形允许的误差内。

3.3 误差分析

本试验中出现的主要误差可以归纳为以下几种情况：

(1)通过仿真和试验对比分析可以发现,试验中的元器件可能会使电路呈现出一定的感性,无法准确得到试验所需要的技术参数波形,可以将阻尼电阻添加到电路中、RC滤波等方式减小感性影响。

图10 波前时间与半峰值时间的测量

(2)试验所采用PLC为三菱系列,性能略显薄弱,当程序复杂时,其扫描周期需要一定时间,由此引起不可避免的时间误差,可以采用更高端的PLC以实现更为精确的控制。

(3)本试验最终实现的是两级冲击电压发生器,球隙的同步对试验影响很大,而第1级球隙与第2级球隙的设计存在差异,通过PLC给出的信号使接触器与继电器动作,必然会有动作延迟的误差存在。可以将试验中的球隙结构设计保持一致从而保证同步性。

4 结论

本文以三菱PLC 为控制核心,设计了一套1.2/50μs冲击电压发生器,将自动控制技术成功应用于高压领域。通过理论分析设计PLC控制的冲击电压发生器的完整方案;运用Matlab软件进行仿真调节,设计了全新的触发装置并通过实物模型的搭建进行验证,做到理论、仿真与试验相结合。结果表明：该发生器输出波形稳定,可以实现1.2/50μs冲击电压波形;使用PLC控制球隙触发能使设备安全、可靠地运行,并且有利于球隙触发的同步性。