基于PLC的耐压试验控制系统设计Word文档下载推荐.doc
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1.3系统设计的主要内容 1
2工频耐压试验原理及模拟实验电压谐波分析 2
2.1试验原理 2
2.2试验电压测量方法的选择 2
2.3模拟试验电压谐波分析 3
2.3.1试验电压谐波的产生 3
2.3.2谐波分析算法 4
3工频耐压试验控制系统硬件设计 7
3.1控制系统主回路 7
3.2控系统控制回路设计 9
3.3控制系统测量电路设计 11
3.3.1电压测量电路设计 11
3.3.2试验电压测量电路设计 13
3.3.3电流测量电路设计 13
3.3.4电源电路设计 14
3.3.5电源滤波电路设计 15
3.4PLC控制系统整体设计方案 16
3.4.1PLC控制系统框图 16
3.4.2输入／输出端口分配 16
3.5变频调速系统的设计 17
3.5.1变频器型号及相关参数 17
3.5.2变频器调速控制回路 17
3.6试验变压器的选型 18
3.7调压器的选型 19
4工频耐压试验控制系统软件设计 19
4.1软件设计的主要任务 19
4.2STEP7程序设计步骤 19
4.3控制系统主程序设计 20
4.4控制系统子程序设计 23
4.4.1模拟量信号处理 23
4.5控制系统上位机界面设计 23
4.5.1WINCC简介 23
4.5.2WINCC组态界面创建过程 24
4.5.3WINCC组态界面 24
4.5.4试验主回路组态界面 25
4.5.5上位机组态界面调试 26
结束语 28
参考文献 29
致谢 30
1引言
1.1课题的背景
电力设备在运行中，绝缘强度长期受电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣化，包括整体劣化和部分劣化，形成绝缘缺陷。
而在电力系统所发生的事故中，很大一部分都是由于设备或线路的绝缘遭到破坏所造成的。
可以说，在电力系统工作中常常由于某一部分或某一个设备的绝缘遭到破坏引起事故，破坏电力系统工作的可靠运行，由于电气设备绝缘工作不可靠引而引起事故所带来的经济损失远远超过设备本身的价值[1]。
工频耐压试验就是对电力设备施加一定的电压，并保持一定时间，以考察电力设备绝缘承受各种电压的能力。
工频耐压试验能有效地发现电气设备存在的绝缘缺陷，是考验电力设备绝缘承受各种过电压能力最严格、最有效的方法，是保证设备安全运行的重要手段。
1.2课题的目的和意义
为了检验电气设备的绝缘强度，使其不仅能在正常的工作电压下安全可靠的运行，而且还必须具备耐受各种过电压的能力。
这就需要使用交流、直流、冲击电流等各种波形的高电压对电气设备绝缘进行耐压试验。
进行高压电气设备或输电线路绝缘的工频耐压实验，开展绝缘理论和应用技术的研究性试验[2]，确定绝缘材料的绝缘性能试验，都需要高性能的试验电压产生设备和完善可靠的控制、测量、保护及分析环节组成的工频绝缘耐压试验控制系统。
为了确保各种高压电气设备和输电线路的绝缘能够在现场安全可靠的运行，开展工频耐压试验的控制系统具有理论和实用价值。
本课题的研究目的和意义就在于利用可编程控制器（PLC）控制技术设计出一套硬件和软件兼容度较好的控制系统，这套控制系统的实践应用若能成功实现于高压电器型式试验来说，可以提高试验的自动化程度，减轻劳动强度，提高试验的数据收集，处理系统的性能，所以这方面的研究潜力是相当大的，也有很高的实际价值。
1.3系统设计的主要内容
针对传统手动控制系统以及工控机控制系统自身的不足，本课题设计了一套以PLC为核心的新型工频耐压试验控制系统。
主要完成以下几方面的研究：
①利用电容分压器法测量试验高电压并采用傅里叶算法对模拟试验电压谐波分量进行分析。
②控制系统的硬件设计：
包括控制系统主回路、手动控制回路、PLC控制系统、电压电流测量电路、电源电路、电源滤波电路设计等。
③控制系统的软件设计：
使用西门子公司S7-300进行包括数字信号、模拟信号的处理以及整个控制系统的编程及调试。
制作WINCC组态界面，配合硬件实现实时监控试验过程的功能。
④对工频耐压试验控制系统进行调试，验证其综合性能。
2工频耐压试验原理及模拟实验电压谐波分析
2.1试验原理
工频耐压试验电源部分经调压器来改变电压幅值，并加到试验变压器原边，同时在试验变压器副边产生一个高于试品正常工作的电压，并加在被测试品的绝缘体上，持续1分钟时间[3]，如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压就只会产生很小的漏电流并且被测试品绝缘体在耐压过程时间内没有发生击穿，就可以确定被测试品可以在正常的运行条件下安全运行。
如图1为工频耐压试验接线图。
图1工频耐压试验接线图
2.2试验电压测量方法的选择
分压器是一种将高电压波形转换成低电压波形的转换装置，它由高压臂和低压臂组成。
输入电压加在整个装置上，而输出电压则取自低压臂。
通过分压器可以解决低压仪器测量高压峰值以及波形的问题。
在工频耐压试验中，往往用到的分压器是电容分压器。
用电容分压器测量高电压的原理是将被测电压通过串联的电容分压器进行分压[4]，测出其中低阻抗电容器上的电压，再用分压比算出被测电压，如图2所示，图中C1、C2分别代表高电压臂和低电压臂的电容，测量仪表接在C2两端，可以用高阻抗的交流电压表或静电电压表测量电压的有效值，也可以用峰值表测量电压的峰值;
还可以用示波器观察波形和测量电压的峰值。
R为并联在C2上的一个高电阻，可以用它防止C2在加压前或加压后所存在的残余电压[5]。
假定被测电压为U，C2两端电压为U2，根据电流连续性原理:
（1）
式中:
，称为电容分压比。
图2电容式分压器原理图
本课题采用电容分压器法测量试验电压，其中高压臂电容量C1=200pF，低压臂电容量C2=1µ
F，额定电压550kv，额定频率50Hz，分压比5000:
1。
经过电容分压器，我们可以得到0～100V的电压信号，此电压信号经过分压、整流、滤波、放大、稳压后变为0～5V的满足S7-300的A/D输入模块要求的标准电压信号[6]。
2.3模拟试验电压谐波分析
2.3.1试验电压谐波的产生
试验电压的波形对各种试验是有不同程度的影响的。
国家标准规定试验电压一般应是频率为45Hz～65Hz的交流电[7]，试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波，且峰值和方均根（有效）值之比应在以内。
如果谐波的方均根（有效）值不大于基波方均根值的5%。
则认为满足上述的波形要求。
以试验变压器为供电电源的高压绝缘试验系统造成试验电压波形畸变，由于变压器的铁心的基本磁化曲线是非线性的，因此若变压器一次侧所加的电压接近为正弦波时，变压器铁心中的主磁通也接近为正弦形，这样激磁电流i1就是非正弦的，也就是说除基波分量之外，还有三次、五次等谐波分量，激磁电流呈尖顶波形。
当试验变压器的前面接有调压器而且调压器的漏抗较大时，如图3所示。
非正弦的激磁电流i1就会在其上产生非正弦的压降U，如果电源电压U1为正弦波，则因U2=U1-U，因此试验变压器的一次侧电压U2必为非正弦的，变压器的高压侧输出电压U3也因此为非正弦。
图3含有调压器漏抗的试验变压器等效电路
2.3.2谐波分析算法
目前谐波分析方法有离散傅里叶变换（DFT）法、准同步法、小波变换法等。
其中离散傅里叶变换法发展很快，快速傅里叶变换（FFT）就是DFT的一种改进算法。
由于FFT算法较DFT的计算量减少1到2个数量级，而且该方法分析谐波时，精度高、功能强、使用方便，因此目前应用比较广泛。
全波傅里叶算法具有较强的滤波能力，可以分析所有的整数次谐波分量，而且稳定性好[8]。
本文应用全波傅里叶算法进行基波分量和各次谐波分量的求解，精确提取试验电压中的各次谐波分量，并进行有效的滤波处理，使试验电压的波形满足试验标准要求。
全波傅里叶算法能有效地求解直流分量和信号中的整数次谐波分量。
如输入信号为：
（2）
式中：
a为直流分量；
Un为基波（n=l）分量或（n2）分量的幅值；
为基波角频率；
为基波（n=l）或（n2）分量的相位。
可求得：
（3）
（4）
T为基波周期；
an为n次谐波的余弦分量；
bn为n次谐波的正弦分量。
由MATLAB的软件对试验电压波形进行采样，得到的是一组离散的采样值。
具体的傅里叶算法为：
（5）
（6）
N为一个周期中的采样点数。
求得an和bn后，可以计算出交流分量有效值Un。
（7）
（l）仿真模型
为分析试验电压中谐波含量，以MATLAB软件为工具进行模拟仿真，建立如图4所示的仿真模型。
模型主要包括电源模块（Subsystem）、LC滤波元件、电阻和显示元件（Scope）等。
仿真时间选择0.3s，选用变步长ode45算法。
图4谐波分析仿真模型
电源子模块中设置含有谐波分量的模拟分量：
基波分量220V；
二次谐波分量10V；
三次谐波分量8V；
四次谐波分量6V；
五次谐波分量4V。
（8）
（2）仿真结果分析
仿真分析结果为:
基波分量220V，二次谐波含量10V，三次谐波含量8V，四次谐波含量6V，五次谐波含量4V。
从具有2-5次谐波的仿真结果如图5所示，该谐波分析算法与被给定信号谐波分量的参数完成一致，可以应用该算法进行模拟试验电压的谐波分析。
模拟试验电压谐波含量为：
（9）
图5滤波前傅里叶仿真结果
（3）试验电压谐波的消除
我们知道一般高次谐波中的三次及五次谐波起主要作用，通过计算模拟试验电压谐波含量可知此试验电压不满足试验标准，必需对试验电压进行滤波。
滤波电路并联在调压器输出电路上，分别滤除三次谐波分量与五次谐振波分量。
每个滤波支路均采用L-C串联谐振回路，根据来选择三次滤波参数，来选择五次滤波参数，为基波角频率，即为100。
通过三次与五次滤波器，使激磁电流中三次与五次谐波分量有了短路回路，避免在调压器的漏抗上产生三次与五次谐波压降，以保证试验变压器输入电压为满足试验标准要求的正弦波。
为了不显著增加调压设备的容量，选择滤波电容时，要考虑流过滤波回路的交流电不要太大，各滤波支路的滤波电容C都应选择在6μF～10μF范围之内。
本文中三次滤波电路滤波电容C=10μF，电感L=110mH，五次滤波电路滤波电容C=10μF，电感L=43mH。
如图6所示。
通过计算可得谐波含量为4.75%<
5%，满足试验标准要求。
（10）
图6滤波后傅里叶仿真结果
3工频耐压试验控制系统硬件设计
硬件设计主要是对控制系统主回路，控制回路及测量电路等设计，另外还要对PLC、变频器、变压器及调压器的选型。
3.1控制系统主回路
工频耐压试验对控制系统的要求：
①只有在试验人员撤离高压危险区，并关好安全隔离门之后才能加压。
②试验电压必须从零开始施加。
③在试验过程中，一旦系统发生过流、试品击穿或闪络时，要求能自动切断试验变压器的工作电源。
④系统能对升压、降压、变速升降压及停止等操作进行控制。
⑤电压上升和下降满足GBT1692标准。
⑥耐压时电压值稳定误差控制在1%～3%[9]。
⑦耐压时间在0～10分钟内任意调改。
⑧要有紧急按钮等各种保护措施。
⑨自动控制系统与原来的手动控制系统应是并联关系，通过切换各自可独立进行控制。
工频耐压试验控制系统的主回路如图7所示，主要由电源控制一次侧开关调压器输出控制二次侧开关、滤波装置、过电流保护装置、试验变压器、电容分压器以及试品等组成。
工频耐压试验需要测量主回路调压器原边电源电压、电源电流，调压器副边初级电压、初级电流，试品两端试验电压、次级电流6个模拟信号值。
图7控制系统主回路
试验时，首先是关合隔离开关的，然后将一次侧的断路器QF合闸，通过控制回路来驱动接触器主触点接通，使调压器一次侧通电，此时调压器应在零位，确认其零位后，合上隔离开关，再使主接触器接通，这样，试验变压器的原边就开始有电流通过，按照工频耐压试验的标准要求，在0～75%Ue（Ue为试验电压额定值）以前，应快速升压，到0.75Ue后，再变速为慢速升压，电压升到额定电压Ue后，停止升压，持续加压1分钟，若试品无闪络，则开始快速降压，直至降压为零，升降压过程如图8所示。
图8试验升降压过程
3.2控系统控制回路设计
根据工频耐压试验对控制系统的要求设计控制回路，如图9～10所示。
控制回路通过控制程序的执行，完成对整个实验过程的控制，包括工作方式的选择、动作顺序控制、耐压时间设定、调压位置检查与报警、实验电路过电流检查与保护等。
图9控制电路
本文控制系统包括以PLC为核心的自动控制系统，同时为防止发生意外情况还设计一套手动继电控制系统，能与自动控制系统并行使用，是自动控制系统和手动控制系统的转换按钮。
钥匙开关控制整个控制回路通断电，打开总电源指示灯亮控制系统直接进入自动控制程序。
通过关合转换按钮，接触器KM线圈得电，常开触点闭合，切换到手动控制系统。
手动控制系统工作过程如下:
①试验前应首先确认门联锁开关是否关合，只有在确认门联锁开关闭合的情况下才能开始试验，这样做能确保试验人员安全。
首先接通控制回路电源，电源指示灯亮。
再选手动择控制方式，关合按钮，线圈得电，常开触点闭合，切换到手动位置。
此时再将主回路隔离开关，断路器合上。
②检查调压器是否在下限位，下限位常开触点是否闭合。
当调压器不为零而从某一位置突然加压时，试验变压器的激磁涌流将产生过电压，这是不允许的。
同样调压器若处在非零位突然断电，在试品上会由于自感电动势造成过电压。
所以每次调压必须从零开始，关合按钮调压器归零。
③关合按钮，由于、分别为一次侧开关分断与紧急分断常闭按钮，故线圈得电，主回路主触点闭合一次侧关合，一次侧指示灯亮。
、分别为一次侧、试验变压器副边过电流继电器常闭触点，如果试品发生击穿现象常闭触点断开，一次侧线圈失电试验停止。
④一次侧关合之后，主回路隔离开关合闸，关合按钮，二次侧线圈得电关合，主回路主触点闭合，试验变压器原边得电，二次侧指示灯亮。
准备升压。
升压过程中如果调压器副边发生过电流，过电流继电器常闭触点断开，二次侧线圈失电，使试验停止。
⑤关合按钮，升压线圈得电，通过变频调压系统控制调压器开始快速升压。
为了防止在升压过程中发生达到试品额定电压Ue之后调压器继续升压，需要在调压器另一端安装一个上限位行程开关，一旦发生上述情况，上限位行程开关常闭触点立刻断开，同时发出报警铃声，停止升压检查故障。
⑥升压结束后，关合按钮对试品进行加压。
加压时间根据试验要求可以进行调整。
⑦加压时间到，同样通过变频器调压系统控制调压器进行试验降压过程。
⑧最后，依次断开二次侧开关、一次侧开关，试验过程结束。
该装置的自动控制工作过程与手动控制工作过程基本一致，只是各相应的操作均由PLC来实现。
其自动控制可为两种，即连续试验和单步手动试验。
连续试验是通过软件编程将整个试验从开始到结束由PLC程序连续地执行，直到试验结束。
这过程中，若某一步出现故障，PLC会作相应一记录。
单步手动试验则是由试验人员按试验步骤通过鼠标在WINCC界面中顺序点动界面中的各组态按钮，一步一步按照试验过程进行操作。
图10控制电路
3.3控制系统测量电路设计
工频耐压试验控制系统需要测量6个模拟量信号，分别为电源电压、电源电流、初级电压、初级电流、试验电压（高压）和次级电流信号。
对此控制系统分别设计了电压、电流测量电路。
其中，电压测量电路包括对电源电压、初级电压和试验电压的测量。
电流测量电路包括对电源电流、初级电流和次级电流的测量。
3.3.1电压测量电路设计
电压测量电路的输入电压取自电压互感器的二次侧，电流测量电路的输入电流取决于电流互感器的二次侧，最终通过测量电路实现将交流电压或电流变为标准直流电压信号送入A/D模块的目的。
（1）电压测量电路
电压测量回路包括电源电压、初级电压的测量，两个电压量首先都要经过电压互感器将高电压按比例变换成标准低电压，电路中电压互感器变比为1000:
1，二次侧标准输出为100V，之后再依次经分压、整流、滤波、电压跟随、放大、稳压电路变成0～5V的模拟量电压。
电压测量回路如图11所示。
图11电压测量电路
（2）电路分析
电压测量电路经过分压、精密整流、滤波、电压跟随器、放大、稳压五部分后通过仿真软件分析得到电压互感器二次侧电压值对应转换后标准电压值如表1所示，从表中可以发现它们之间有很好的线性关系。
表1电压转换表
电压值/V
转换后电压值/V
转换后电压值/V
100
4.95
50
2.45
90
4.52
40
1.95
80
3.95
30
1.54
70
3.53
20
0.98
60
2.96
10
0.52
3.3.2试验电压测量电路设计
由于试验电压为高电压其测量方法有别于电源电压和初级电压，首先采用电容分压器法降压，然后在经过变比为1:
1的隔离变压器如图12所示，最后试验电压信号再依次经过分压、精密整流、滤波、电压跟随器、放大、稳压电路最终把试验电压变成0～5V的标准电压信号，送入A/D模块。
图12试验电压测量电
3.3.3电流测量电路设计
控制系统中，由于电流互感器二次侧输出的是电流信号，而PLC内部集成的A/D转换器所要求的模拟输入量为标准电压信号。
因此信号必须经过电流/电压（I/V）变换电路将电流信号转变成为电压信号来能直接送PLC的模拟量端口。
基本的I/V变换有有源和无源两种，如图13所示。
因无源电路安全可靠受外界干扰性小，这里采用后者。
图13I/V转换电路
电流测量回路，首先要经过电流互感器将大电流按比例变换成标准小电流，电路中电流互感器变比为25:
5，二次侧标准输出为5A，之后再依次经分压、整流、滤波、电压跟随、放大、稳压电路变成0～5V的模拟量电压。
如图14所示。
图14电流测量电路
电流互感器二次侧最大电流为5A，经电流测量电路后转换电压为5V，通过仿真软件得到电流互感器二次侧电流值对应转换后电压值如表2所示。
表2电流转换表
电流值/A
5.0
2.5
2.46
4.5
4.47
2.0
1.98
4.0
3.96
1.5
1.48
3.5
3.47
1.0
0.99
3.0
2.99
0.0
3.3.4电源电路设计
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
通过电力变压器把220V的交流电压转换为低压交流电，再经过整流，滤波，稳压等环节，就可以获得装置工作所需的稳定直流电源。
本文采用2W08G整流桥、三端稳压块LM7812、LM7912以及滤波电容及一些电阻组成电源，输出为士12V电源电压来满足各部分线路所需电压的要求。
电源电路如图15所示。
图15电源电路
3.3.5电源滤波电路设计
电源干扰来自两个方面，一是电源引入干扰，另一个是系统引入变频器实现可控升压，变频器应用脉宽调制技（PWM），运行时包含各种谐波，对试验系统本身就是一个干扰源，上述干扰可能导致控制过程失败，测量结果误差大，甚至损坏控制系统。
在抑制来自电源干扰方面，本文采用了两级电源滤波电路，如图16所
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