PLC控制的晶閘管交流電子開關(guān)設(shè)計(jì)分析
摘 要:本文簡要介紹了電氣化鐵路串聯(lián)補(bǔ)償裝置的工作原理及晶閘管交流電子開關(guān)的作用。重點(diǎn)介紹了1600A1000V 晶閘管交流電子開關(guān)中可編程控制器（ PLC） 系統(tǒng)的硬件和軟件及其在該裝置中所發(fā)揮的作用。*后就該裝置的技術(shù)性能做了簡要的總結(jié)。
1 概述
電氣化鐵路（ 以下簡稱電鐵）的諧波問題是一個(gè)關(guān)系到公用電網(wǎng)電能質(zhì)量和電鐵順利建設(shè)的重大問題, 我國從80 年代處就開始致力研究、解決這一問題。串聯(lián)補(bǔ)償裝置可以在一定程度上解決這一問題, 而且由于其技術(shù)難度低、投資小、易于實(shí)現(xiàn), 因而在單線電鐵的復(fù)線改造工程中顯示出了極大的優(yōu)越性。
串聯(lián)補(bǔ)償裝置的工作原理是在電鐵供電線路負(fù)荷較重、線路感抗損耗嚴(yán)重時(shí)通過投入事先串聯(lián)在回路中的電容器, 改變電路負(fù)載類型, 從而達(dá)到提升網(wǎng)壓和改善功率因數(shù)的作用。如圖1 所示。由于電鐵負(fù)荷是一個(gè)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷, 負(fù)荷的大小不僅與機(jī)車的數(shù)量有關(guān), 而且還與機(jī)車的載重、機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)、線路的坡度等因素密切相關(guān)。電容器的投切操作也相當(dāng)頻繁。如果使用機(jī)械（ 有觸點(diǎn)） 開關(guān), 由于其投切時(shí)刻相對于網(wǎng)壓相位的隨即性, 觸頭在非過零點(diǎn)吸合時(shí)會因短路電力電容器而受到很大的電流沖擊, 其電氣壽命通常只有幾十次。因此在串聯(lián)補(bǔ)償裝置中必須采用晶閘管交流電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對電力電容器的過零投切。
2晶閘管交流電子開關(guān)對控制系統(tǒng)的要求及PLC的選用
晶閘管交流電子開關(guān)的主電路由兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管支路構(gòu)成,每個(gè)支路分別由兩只晶閘管并聯(lián)組成, 共使用四只晶閘管（ 聯(lián)接方式如圖2 所示） 。按照電氣化工程設(shè)計(jì)的要求, 晶閘管交流電子開關(guān)安裝于牽引變壓器附近的移動(dòng)房屋內(nèi), 結(jié)合應(yīng)用工況該裝置對控制系統(tǒng)有如下要求:
（1） 應(yīng)具有高度的可靠性, 以適應(yīng)電鐵供電網(wǎng)長期處于運(yùn)行狀態(tài)的客觀要求;
（2） 應(yīng)具有完善的事故報(bào)警系統(tǒng), 發(fā)生故障后應(yīng)該指示出故障類型, 無故障運(yùn)行時(shí)應(yīng)指示出電力電容器的投切狀態(tài);
（3） 應(yīng)具有完善的邏輯控制和自動(dòng)保護(hù)功能;
（4） 應(yīng)確保晶閘管在電壓過零點(diǎn)觸發(fā);
（5） 應(yīng)具有良好的電磁兼容性能, 能夠適應(yīng)牽引變電站現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境。
完成電子開關(guān)的控制功能可以通過三種途徑: ①使用集成電路開發(fā)專用控制電路板; ②使用單片機(jī)和外圍電路開發(fā)專用控制電路板; ③使用PLC 和擴(kuò)展模塊開發(fā)專用控制系統(tǒng)。由于PLC 具有控制可靠、組態(tài)靈活、體積小、功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展性好、維修方便等特點(diǎn),不僅減少了系統(tǒng)的硬件接線, 提高了可靠性, 而且通過修改程序可適應(yīng)新的要求, 因此1600A1000V 晶閘管交流電子開關(guān)中選用了西門子公司的小型機(jī)S7—200 系列的PLC 作為其控制系統(tǒng)的核心部件。
3 PLC 控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其在交流電子開關(guān)中的作用
（1） 硬件構(gòu)成及其作用
在本裝置的PLC 控制系統(tǒng)中,選用了西門子小型機(jī)S7—200 系列的CPU222、模擬量擴(kuò)展模塊EM231 和文本顯示器TD200?？捎糜布到y(tǒng)資源分配圖如下表所示:
CPU222 是PLC 控制系統(tǒng)中的CPU 單元, 負(fù)責(zé)接收所有的開關(guān)量和經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后的模擬量輸入,并根據(jù)控制邏輯輸出控制信號;EM231 負(fù)責(zé)對主電路的電壓、電流信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換, 并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸送給CPU 單元; 文本顯示器TD200 負(fù)責(zé)監(jiān)視CPU 單元的輸出狀態(tài), 根據(jù)各個(gè)輸出量的組合情況指示出晶閘管電子開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)和故障類型。
（2） 軟件構(gòu)成及其功能
在本裝置的PLC 控制系統(tǒng)中,軟件有兩部分: 文本顯示軟件和邏輯控制軟件。文本顯示軟件中存儲著文本顯示器所要顯示的全部文本內(nèi)容和CPU 單元輸出量組合情況的對應(yīng)關(guān)系。
邏輯控制軟件包含了晶閘管電子開關(guān)的所有控制邏輯, 在軟件結(jié)構(gòu)上由1 個(gè)主程序、2 個(gè)子程序、2 個(gè)定時(shí)中斷程序構(gòu)成。它的主要功能是: 根據(jù)控制要求, 實(shí)現(xiàn)對電壓、電流的檢測,適時(shí)的發(fā)出觸發(fā)信號, 以及對過壓、過流、風(fēng)機(jī)、電源等諸類故障的檢測, 并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號, 實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。該軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖4 所示。
4 晶閘管的控制策略
晶閘管交流電子開關(guān)是串連補(bǔ)償裝置的核心部件, 晶閘管的控制策略則是晶閘管交流電子開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)對晶閘管的過零觸發(fā)必須依賴于對主電路電壓相位的同步, 而在該裝置中一旦晶閘管導(dǎo)通, 同步信號就會消失, 這是設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)電路時(shí)必須注意的問題之一。另外, 晶閘管未導(dǎo)通時(shí), 其承受的電壓與電力電容器承受的電壓同相, 而導(dǎo)通后由于電路結(jié)構(gòu)的變化, 電路會發(fā)生一個(gè)過渡過程, 這也是設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)電路時(shí)必須注意的問題之一。
5 結(jié)束語
由于PLC 集成度高, 抗干擾能力強(qiáng), 編程簡單, 系統(tǒng)便于開發(fā)、維護(hù)和升級等優(yōu)點(diǎn), 加之文本顯示器可以清楚明了的指示出晶閘管的導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)以及顯示出各類故障狀態(tài), 因此使用PLC 控制系統(tǒng)的晶閘管交流電子開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便, 且具有較高的可靠性、可維護(hù)性和靈活性。
