基于PLC的直流電源充電模塊實現自動檢測的設計

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(國網四川省電力公司遂寧供電公司，四川 遂寧 629000)

0 引 言

在電力系統中，直流電源穩定運行對變電站的安全運行起著至關重要的作用，同時也是電網安全運行的保障。當變電站直流電源出現故障時，相關的運行檢修人員不能及時有效地排除故障，甚至擴大事故范圍、降低供電可靠性，給供電系統及國家財產造成非常巨大的損失。變電站中高頻直流電源模塊產品的使用量大而且質量要求嚴格(輸出可靠性、穩定性、精度等指標)，文中通過對高頻開關充電模塊技術的研究，結合生產運行中充電模塊產品的缺陷發生，需對交流輸入缺相、直流輸出短路、帶載老化能力、輸出的穩壓、穩流特性等進行嚴格檢測，提出應用PLC實現自動控制進行生產檢測的方法。從而，大大提高變電站中充電模塊產品質量精度及運行的可靠性。

1 高頻開關電源技術

充電整流模塊作為變電站直流電源的重要組成部件,將三相交流電通過整流模塊轉變為具有額定電壓的直流電,是整個直流電源的動力來源。直流電源充電整流模塊經歷了從相控充電模塊發展到高頻開關電源模塊的過程，高頻開關電源原理框圖如圖1所示。

圖1 高頻開關電源原理框圖

原邊檢測控制電路監視交流輸入電網的電壓，實現輸入過壓、欠壓、缺相保護功能及軟啟動的控制；輔助電源為整個模塊的控制電路及監控電路提供工作電源；EMI輸入濾波電路實現對輸入電源作凈化處理， 濾除高頻干擾及吸收瞬態沖擊；軟啟動部分用作消除開機浪涌電流；三相交流輸入電源經輸入三相整流、濾波變換成直流，全橋變換電路再將直流變換為高頻交流，高頻交流經主變壓器隔離、全橋整流、濾波轉換成穩定的直流輸出；信號調節、PWM控制電路實現輸出電壓、電流的控制及調節，確保輸出電源的穩定及可調整性；輸出測量、故障保護及微機管理部分負責監測輸出電壓、電流及系統的工作狀況，并將電源的輸出電壓、電流顯示到前面板，實現故障判斷及保護，協調管理模塊的各項操作，并跟系統通信，實現電源模塊的高度智能化。

2 直流電源產品檢測檢修PLC實現自動控制

2.1 直流電源產品檢測臺原理

直流電源產品檢測臺原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測臺原理框圖

2.1.1 檢測臺的功能

(1)三相電源輸入：檢測臺工作電源，通過接觸器吸合控制通/斷。

(2)高頻直流電源模塊：被檢品、被測對象；它是交流輸入380 V能轉換為輸出直流220～260 V的電源模塊；檢測臺就是圍繞它的檢測項設計的。

(3)三相調壓：通過手動人工操控，使三相輸入電源有85%、100%、115%值，從而檢驗電源模塊工作的穩定性，做穩壓、穩流試驗用。

(4)電源輸入控制：做三相缺相試驗用，使被檢品“高頻直流電源模塊”得到缺相時，檢驗它的保護性能。

(5)短路測試：直流電源模塊的直流輸出端，通過接觸器吸合，使母線短路，完成輸出短路試驗。

(6)電阻負載：通過負載的改變，使得直流電源模塊得到不同的帶載電流，從而老化電源模塊的帶載能力及溫升。

(7)紋波測試表：當直流電源模塊分別輸出不同電流、三相輸入電源變動的情況下，測得其紋波值指標。

(8)電能質量分析儀器：記錄直流電源模塊的帶載穩定性能，穩壓、穩流、效率、功率因素、諧波含量值等指標。

2.1.2 檢測臺工作過程

(1)三相電源輸入：檢測臺的工作輸入電源，當按下啟動按鈕SB0、SB1時，KM、KM1接觸器線圈得電，控制電路輔助觸點KM、KM1閉合，實現自鎖，主電路常開主觸頭KM、KM1吸合，使得工作臺電源上電。

(2)高頻直流電源模塊：被檢品、被測對象；它是交流輸入380伏轉換為輸出220-260伏直流的電源模塊。

(3)三相調壓：是被檢品“直流電源模塊”的電源輸入端，通過手動人工調節或操控按鈕，使不同的接觸器吸合(KM21、KM22、KM23分時吸合)，從而改變變壓器繞組抽頭，獲得不同的三相輸入電源值(85%、100%、115%)，檢驗電源模塊的穩定性。

(4)電源輸入控制(缺相控制)：通過人工操控按鈕，使得接觸器KM2、KM3、KM4分時吸合動作，常閉主觸頭打開，使得被檢品直流電源模塊的三相分別缺相，從而模擬做三相缺相試驗，檢驗它的保護性能。

(5)短路測試：通過人工操控按鈕，使得接觸器KM5動作，常開主觸頭閉合，使得被檢品直流電源模塊的輸出直流端短路，從而模擬它的短路保護性能。

(6)電阻負載：通過人工合閘微斷開關使得接觸器KM11、KM12、KM13分時吸合動作，常開主觸頭閉合，使得負載阻值改變，直流電源模塊得到不同的帶載電流，從而老化電源模塊的帶載能力及溫升。

(7)紋波測試表、電能質量分析儀表：被檢品的測量數據儀器儀表；當以上項目(三相輸入缺相、短路、三相電壓變化、電阻負載)改變時，測得直流輸出的紋波、穩壓、穩流、短路保護、效率、功率因素、諧波含量等指標。

2.2 基于PLC的直流產品檢測臺實現自動控制

從檢測項目中的工作過程可見，所有檢測項目都是通過人工操作的按鈕、開關來操控，而且都是間隔一段時間后就操控下一個工序。那么，我們可以通過可編程控制器(PLC)自動控制，設計好相應檢測順序的程序語言，來代替人工的操作按鈕、開關來操控相應接觸器，從而能得到相應的控制功能，還能提高生產效率。

2.2.1 應用PLC實現自動控制的原理

圖3 應用PLC控制的原理框圖

(1)控制一(缺相試驗：要求交流三相輸入電源分別缺相)：通過PLC的輸出點Y000、Y001、Y002，分別控制接觸器(KM2、KM3、KM4)動作，使得三相電源A、B、C分別缺相，從而完成產品的三相缺相情況下的保護性能。

(2)控制二實現穩流測試(三相電壓波動試驗：改變三相調壓器的輸出電壓)：通過PLC的輸出點Y004、Y005、Y006分別與Y007、Y010、Y011分別配合，控制接觸器(KM21、KM22、KM23)動作，使得三相調壓器分別輸出85%、100%、115%(380V額定電壓值)，與此同時，接觸器(KM11、KM12、KM13)分別配合動作，得到不同負載，實現對產品不同電流下三相電壓在改變情況下，對負載波動的穩定性能。

(3)控制三實現穩壓測試(三相電壓波動試驗控制同上控制二原理)，通過PLC的輸出點Y007、Y0010、Y0011分別與Y004、Y005、Y006配合，分別控制接觸器(KM11、KM12、KM13)動作，使電阻負載組得到三個不同阻值，要求電源模塊輸出分別帶載25%(輕載)、50%(半載)、100%(滿載)，從而得出的效果就是，產品在三相電壓改變及輸出負載又在變化的情況下，其輸出電壓穩定性能。

(4)控制四(短路試驗：使模塊輸出直流母線短路)：通過PLC的輸出點Y003，控制接觸器(KM5)動作，使得電源模塊輸出直流母線短接(短路試驗)。接觸器閉合，可以開始檢測工作。再按下檢測工作啟動按鈕SB3，PLC程序第一步先完成KM234動作的缺相試驗；接著控制交流輸入調壓器不同電壓抽頭的調壓，完成穩流、穩壓試驗；最后完成短路試驗。

2.2.2 用PLC實現自動控制設計

(1)PLC的輸入輸出I/O分配表

表1 PLC的輸入輸出I/O分配表

(2)PLC的I/O接線圖

PLC的I/O接線圖如圖3所示。

圖3 PLC的I/0接線圖

(3)PLC主程序解釋

當按下啟動按鈕SB3，開關X000接通時，檢測指示燈亮起，步進指令SET20動作，Y000有輸出，KM2吸合，計時5秒，完成A相試驗；然后步進指令SET21動作，YOO1有輸出，KM3吸合，又計時5秒，完成B相試驗；同理，后面都是應用步進指令分別完成Y002至Y011的輸出并計時，從而完成各項試驗。若按下停止按鈕SB4，檢測工作停止，檢測指示燈熄滅。重新更換檢測產品后，按下SB3又開始檢測工作。

圖4 PLC主程序梯形圖

2.2.3 改造后的檢查與測試

(1)檢查改造后的檢測臺接線是否正確：主交流輸入AC380伏經接觸器KM1吸合供電，再接三相調壓器，可改變交流輸入電壓；然后引至KM234三個接觸器，分別控制交流三相電路缺相，從而完成缺相試驗。再把三相電源接至被檢測品(高頻開關電源模塊)，然后輸出為直流正負極，負極接一個分流器，測輸出帶載的電流；接一個電壓表，測直流輸出電壓值；往后接的KM5是做短路試驗用，監測電源模塊是否能正常保護并能發出信號；再往后是負載，通過改變不同的三組負載，監測電源模塊是否能穩定帶載、穩壓。

(2)控制操作測試：按下檢測臺工作電源啟動按鈕，KM1接觸器閉合，可以開始檢測工作。再按下檢測工作啟動按鈕SB3，PLC程序第一步先完成KM234動作的缺相試驗；接著控制交流輸入調壓器不同電壓抽頭的調壓，完成穩流、穩壓試驗；最后完成短路試驗；整個檢測過程中，依靠PLC的程序控制以及電能質量分析儀監測完成。

3 結束語

在電力系統運行中，直流電源系統為微機保護裝置、斷路器跳合閘及開關信號提供220 V或110 V直流電，是變電所構成重要的組成部分，它的可靠運行是變電所及電網安全運行的重要保障。文中提出應用PLC實現高頻開關充電模塊進行自動檢測的方法。對交流輸入缺相、直流輸出短路、帶載老化能力、輸出的穩壓、穩流特性等進行嚴格檢測，從而，大大提高變電站中充電模塊產品質量精度及運行的可靠性，為直流系統能夠安全、可靠運行打下堅實基礎。