第30卷第9期 2013年9月 机 电 工 程 Vo1.3O No.9 Journal of Mechanical&Electrical Engineering Sep.2013 DOI:10.3969/j.issn.1001—4551.2013.09.022 大电流恒流源系统的设计与实现术 金良盛 ,郑于海2 (1.浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310023;2.浙江省机电 设计研究院有限公司计算机所,浙江杭州310000) 摘要:针对断路器检测试验中对大电流恒流源系统的特殊要求,并为了能更准确、更方便、更可靠地检测断路器的使用性能,设计了 一种基于多磁路变压器和PLC控制的大电流恒流源系统。该系统通过控制多磁路变压器输入端磁路的投入,使输出端获得全程分 级连续可调的电压;系统采用反馈控制,通过电流互感器和PLC,输出电流和目标电流作负反馈比较,实现了“输出电流无限接近于 目标电流且保持稳定”,控制过程分为调零、内阻测量、多磁路投入、调压和稳流;根据系统的反馈控制策略,设计了三菱PLC的控制 梯形图和上位机的软件程序;通过分别控制输入电压和试验内阻的变化,测试了系统的稳流性能。研究结果表明,该大电流恒流源 系统使用界面友好方便、性能可靠、响应快、精度高。 关键词:多磁路;变压器;恒流源;PLC 中图分类号:TP24;TM44 文献标志码:A 文章编号:1001—4551(2013)09—1127—06 Design and application of constant current source system JIN Liang.sheng ,ZHENG Yu.hai (1.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 3 10023,China; 2.Computer Department,Zhejiang Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Hangzhou 3 10000,China) Abstract:Aiming at the special requirements of the constant current source for circuit breaker testing,and in order to detect the circuit breaker more accurately,more conveniently and more reliably,a system was designed based on the multi-magnetic transformer and PLC con. tro1.The magnetic circuit input of the multi—magnetic transformer was controlled orf getting continuously adjustblae voltage.A feedback con- trol Was used in the system,and through the current transformer and the PLC,the output current and the target current were compared and made infinitely close,and the control process was divided into zero aajustment,resistance measurement,multiple magnetic circuit input, voltge aadjustment and current stbiality.According to the feedback control system,the control ladder diagram of Mitsubishi PLC and PC soft. ware program was designed.By controlling input voltage and resistnce,tahe performance of currency stbilaity was tested for the system.The results indicate that the system is reliable,fast response and hish accuracy and the interface of he systtem is friendly and convenient. Key words:multi—magnetic;transformer;constant current source;PLC o 7 1言 塑壳断路器是一种广泛应用于国民经济各个部门 的低压电器元件,当电器线路或用电设备发生过载、短 路等故障时,其脱扣器应能及时动作将电路切断,当电 收稿日期:2012—11—16 基金项目:浙江工业大学研究生创新基金资助项目(CXJJ201308) 雾 障70%是机械方面的原因,19%是辅助电路和控制电 路上的电故障,8.3%是绝缘问题引起的故障 。因 此,需要对它进行可靠性试验:操作可靠性、瞬动保护 作者简介:金良盛(1988一),男,浙江桐庐人,主要从事电机一体化方面的研究.E-mail:jinliang3515@163.conr 通信联系人:郑于海,男,高级工程师.E.mail:32908745@126.conr 机 电 工 程 第30卷 可靠性和过载保护可靠性 J。在断路器可靠性试验 过程中,需要对试品施加一定的试验电流。 输入电压变化和断路器内阻变化的情况下具有自动修 正功能,输出电流的精度达到0.9%; (2)通过人机界面能够对测试过程进行实时监 控,输出试验的测试结果; 早期的断路器试验大电流主要通过调压器与大电 流变压器的组合、晶闸管调压和磁性调压等几种模式 获得。对于大功率调节系统,采用调压器时存在造价 (3)系统发生故障时,自动判断故障发生的部位, 并提示用户做出相应的判断。 高、压降大、过载能力低和体积庞大等问题,其他两种 方式存在导致系统谐波产生和干扰电网等问题,往往 需要手动调节试验电流,不仅费时费力,而且自动化程 度和测试精度也不高 。由于发电机系统具有 2多磁路变压器原理 多磁路变压器如图1所示,本体由两个l/6输出 性强、利用率高、试验电压等参数易于调节及可改变频 率等特点,国外试验室大都采用冲击发电机作为试验 电源,有的同时还引入电网。荷兰KEMA试验站的低 压电器实验室的分断能力为6 00 V/200 kA,德国K— M公司试验站的低压电器试验室的分断能力为 400 kA 。国外学者倾向于断路器现场故障诊断系 统的研究,Polycarpou等。。 利用非破坏性振动诊断技 术来验证断路器的机械条件,此外国外学者还致力 于研究各种应用仿真软件,用来帮助监测和提高断 路器的可靠性 。 20世纪80年代,上海电气科学研究所 研制推 出了一种名为多磁路调压变压器的新型大功率调压系 统,能够适应电气设备强电流测试需要。随着多磁路 变压器技术的发展,断路器的可靠性试验逐步形成以 多磁路变压器为核心的控制试验模式。李践飞等 开发了一个以工控机和PLC为控制核心,由多磁路变 压器和电动调压器产生大电流的断路器测试系统,检 测电流精度达到-4-1%,试验电流精度达到±5%。石 建国 11 3将图形化编程软件LabVIEW和工控机结合起 来,采用虚拟仪器的思想和二次调流方式设计了大电 流检测系统,检测效果和效率都较好。 针对断路器试验对大电流恒流源的需求和传统大 电流恒流源系统的不足,本研究设计基于多磁路变压 器和PLC控制的交直流恒流源系统,采用负反馈控制 多磁路变压器磁路的投入,该系统实现输出一定范围 内连续可调的电压,进而输出稳定电流。 1 系统介绍和技术要求 该系统采用工控机和PLC的控制方式,以多磁路 变压器配合电动调压器输出所需的试验电流,能够根 据断路器测试要求输出0~1 000 A的大电流。系统通 过良好的人机界面实时监控试验过程,系统主要技术 要求如下: (1)能够自动调节多磁路变压器的输出电流,在 的小磁路和两个1/3输出的大磁路共4个等同互感磁 体构成,通过在输入端有选择地控制各磁路的投入,可 以使输出端电压以1:2:3:4:5:6的级数递增。然后, 在产生l/6输出的磁路中接人一个同等容量的调压 器,以便在每一个级差范围内进行五级连续调压,进而 获得全程分级连续可调的效果 。 。 图1多磁路变压器 多磁路调压变压器的优点:用相当于常规调压系 统1/6容量的调压器就可以获得相同的调压效果,同 时因1/6衰减作用使电压电流调整过程的稳定性大为 提高,且具有使电磁应力和热效应的分散作用,特别适 用于强电流大功率的工作系统。 3 试验电流稳定的影响因素 在断路器的可靠性检测巾,需要精确且较为稳定 的电流。影响检测电流稳定的因素有: (1)市网电压的波动。多磁路变压器系统的输入 为市网电压,输入电压的波动引起多磁路变压器输出 电压的波动,从而影响试验电流的稳定 (2)试品内阻的变化。在可靠性试验过程中,ff1 于对试品长时间施加大电流,电流的热效应使试品温 度升高,试品内阻发生变化,输出电压不变,试验电流 必然产生变化。 (3)检测系统内阻的变化。整个检测系统山在一 定的阻值,长时间通大电流产生的温升效应也会使电 路阻值发生变化,影响试验电流的稳定。 第9期 金良盛,等:大电流恒流源系统的设计与实现 ・1129・ 4恒流源系统的设计 4.1系统整体结构 (1)调零过程。为保证系统能够正常运行,在用 户输入目标电流前,多磁路零投入,调压电机返转回到 起始位置,然后等待进入下一过程。 (2)内阻测量过程。多磁路零投入,调压电机转 系统主要由上位机、PLC控制器、伺服电机系统、 多磁路调压机构组成,系统结构如图2所示。 到调压器整圈范围的1/2处,作为调压的起始位置,在 图2系统结构 在进行低压电器试验时,用户通过上位机设定目标 电流和恒流试验的时间,上位机将这些设定信息传送给 PLC。PLC根据输入的信息确定多磁路变压器磁路的投 入,接着经过恒流控制算法输入相应脉冲,驱动伺服电 机系统控制调压器(容量相当于整机容量的1/6),输出 电压为磁路投入和调压器电压总和,通过整流机构形成 交流和直流两路输出。同时,传感器将试品负载上的电 流和电压信号反馈输入到PLC中,通过驱动调压器对因 温度和输入电压波动等因素引起的电流变化进行实时 补偿,试品负载能够迅速获得恒定的试验电流。 4.2系统恒流控制过程 整个变压恒流系统的控制过程分为5个阶段:调 零过程、内阻测量过程、多磁路投入、调压过程、电流保 持过程,控制流程如图3所示。 图3控制流程 电流和电压传感器读出的数据稳定后,根据欧姆定律 计算出当前试品的内阻值。 (3)多磁路投入。用户输入目标电流后,根据输 入数值确定所处的调压档位,然后确定多磁路的投入, 作为输出电压的一部分。 (4)调压过程。在确定多磁路的投入之后,剩下 部分的电压就要通过调压器调压完成。PLC根据电流 传感器传回的数值计算出和目标电流的差值△,,根据 △,不断输出脉冲,控制伺服电机调压。根据负载的内 阻计算出实时电压要达到目标电流时电压的差值,然 后根据伺服电机运行一步脉冲能够调节的电压计算出 达到目标电压所需要的脉冲数,最后根据计算出的脉 冲数运动电机到相应的位置。 (5)电流保持过程。虽然通过上一过程,电流已 经基本上达到目标电流,但是PLC会不断扫描传感器 返回的实时电流数据,根据实时的△,的大小重复调压 过程中的判断和计算过程,不断运行伺服电机使实时 电流无限接近于目标电流。 4.3多磁路变压器主电路 由于多磁路变压器的调压器容量大幅度降低,是 原来的1/6,调压器的体积大大减小,从而可以选择自 耦变压器,试验电压输出波形失真小。自耦变压器的 初次级绕组电压比可在运行中按要求连续地改变,可 以在一定范围内作电流电压的无级调节,所以该试验 采用电动调压器来调节电压ll引。 主 图4系统主电路 机 电 多磁路变压器中的调压器所起的作用相当于细调, 多磁路变压器中磁路的投入相当于粗调,电压细调包括 调压器TR、磁体B2(容量为总容量的1/6)、相应的伺服 电机M、调压控制电路、电流互感器TA;电压粗调主要 包括磁体B1(容量为总容量的1/6)、B3(容量为总容量 的1/3)、B4(容量为总容量的1/3)和控制它们投入的 接触器开关KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7。接 触器开关由PLC通过继电器控制,需要投入时一次线圈 应与电源接通,不需要投入时一次线圈必须断开电源, 并将本线圈短路,阻止所环绕磁路的磁通通过 引。伺服 电机M的输出轴与调压器的滑动端相连,由于输人为A、 N交流电,4个磁路的两端接交流220V,输出为0—15 V。 多磁路变压器分为4个磁路,通过组合可以实现2.5 V、 5 V、7.5 V、lO V、12.5 V和15 V 6档输出,多磁路变压原理 设计的磁路投入对应电压范围如表1所示 。为了保证 两档之间衔接不问断,设计变压器时,相邻档是有重叠部 分的,再通过调节调压器,即可实现回路0~15 V输出。 表1磁路投入对应电压范围 本研究以某个型号断路器的可靠性试验为例,说 明基于多磁路变压器的控制过程。仪器测得断路器的 内阻为0.003 2 n,实验要求输出恒定电流为1 000 A, 根据欧姆定律,可得断路器两端的电压为3.2 V。根 据表1可得:3.2 V属于2.5 V~5 V,则: B2投入=2.5 V B1投入=3.2 V一2.5 V=0.7 V PLC通过继电器控制接触器KM1、KM2闭合,使 磁体B1、B2投入;接触器KM3、KM4、KM5断开,接触 器KM6、KM7闭合,阻止磁体B3、B4所环绕的磁通通 过;电流互感器TA将输出电流信号传回到PLC中, PLC不断修正输出脉冲信号,控制伺服电机M转动, 直到输出电流达到精度要求。 该系统采用的伺服电机旋转一周细分到10 000 个脉冲,对应的伺服电机每走一小步的最小电压调节 单位和最小电流调节单位分别为: 220 V/10000=0.022 V 0.022 V/0.003 2 n=6.875 A 由计算的数值可知,与传统直流电机相比,控制精 度已有大幅提高。 工 程 第30卷 4.4控制系统结构 整个系统的实时控制和数据采集主要由PLC(三 菱FX3U-64MR)实现,其中模拟量输入模块对系统输 出的电流进行检测,应用三菱PLC的高速脉冲输出功 能控制伺服电机,实现对电动调压器的自动调压(主 回路的微调),通过RS.232转RS485的接口与上位机 通讯,系统中其他的各类开关量均与PLC的数字I/O 模块相连,控制系统框图如图5所示。 5控制系统结构 4.5控制系统梯形图设计 PLC的数字I/O模块外接24 V直流线包的欧姆 龙继电器,能够实现主回路控制、多磁路变压器初级绕 组投入、输出电流电源类型的选择等实时控制功能,并 实时监测被测断路器的状态和一些保护限位开关的状 态,PLC控制的I/O分配表如表2所示,根据控制过程 要求设计的部分梯形图如图6~7所示ll 。 —]三三 —]三三;三 —]三三 三 —1三三三三 —]三三 —]三三三 图6多磁路分段投入 : 图7计算内阻 ・l132・ 机 电 5.3大电流恒流源系统的输出电流、电压试验波形 试验中负载内阻为0.005 n;输出电流为1 000 A。 系统输出的电流、电压试验波形如图11所示,由于交 流电周期为0.02 S,较短周期内无法看到电流和电压 幅值有明显变化。 } 卜lM68M M68M8M MM6慨1删 88M6觥 《W 88M8矾 l— 塑 _l————一—————————————————————————— 图11 系统输出电压、电流波形 根据表3、表4的数据可得,输入电压的变化对系 统输出检测电流的影响较小,在200 V~250 V的范围 内,电流误差最大为0.32%;负载变化对输出检测电 流的影响较大,0.001 Q~0.005 Q范围内,电流的最 大误差已达到0.92%,这是由于负载内阻过小导致伺 服电机的最小控制电流变大引起的。 从实验数据可得,该系统的稳流性能良好,完全符 合断路器检测电流输出要求。由于系统采用多磁路变 压器进行调压,使得系统特别适用于强电流的输出,通 过采用相当于常规调节系统1/6容量的调压器使得电 流调正过程的稳定性大大提高,采用伺服电机控制调 压器又使得系统的电流调节迅速,调节精度较高。 6 结束语 针对低压电器可靠性的检测,本研究开发了一套 多磁路变压器的恒流源系统,并结合了伺服电机、PLC 控制器和触摸屏来控制整个系统的大电流输出。该系 统能够根据检测要求输出检测大电流,并且保持低压 电器检测过程中电流的恒定。将该系统应用于断路器 的可靠性检测,实际运行表明,其可靠性强,操作方便, 输出准确,响应快,精度高,提高了低压电器产品的质 量水平和检测效率。 参考文献(References): [1]程亚平,李志刚,岂峰.小型断路器可靠性检测装置 工 程 第30卷 [J].电气应用,2008,27(4):79.81. 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