一種程控高壓充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹寧翔 趙 娟 朱利君

摘 要:高壓充電系統(tǒng)用于對(duì)電容器等儲(chǔ)能器件充電,主要技術(shù)指標(biāo)為電壓精度、充電速度和控制方式等。使用觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,高壓現(xiàn)場無人值守;以PLC作為本地控制單元,通過內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)充電過程的閉環(huán)控制;采用單芯片設(shè)計(jì)RS 485信號(hào)的光纖傳輸電路,成本低、體積小;主控間和現(xiàn)場設(shè)備之間采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),有效隔離放電干擾,提高系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞:充電;PLC;光纖;PID

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-058-02

Design of Controllable High Voltage Charging System

CAO Ningxiang,ZHAO Juan,ZHU Lijun

(Institute of Fluid Physics,Chinese Academy of Engineering Physics,Mianyang,621900,China)

Abstract:A design of controllable high voltage charging system which is used to energize storage capacitors is discussed.The main technical index of the system are voltage precision,charging rapidity and control style etc.This long-distance control and monitoring system worked by operating a touching screen,which realized the unmanned watching at the high voltage scene.PLC (Programmable Logic Controller) is used as the control unit of the system.Closed loop control is achieved by PID adjustment.A single chip design is used in the data,based on RS 485 communication protocol,transferring circuit which is connected to PLC at the scene through optical fiber.The design can decrease the influences on the whole system brought by high voltage and heavy current produced by the high pulse power experiments on operational site.The system performs reliably,stably by rule and line.

Keywords:charging;PLC;optical fiber;PID

充電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于物理試驗(yàn)、開關(guān)技術(shù)等研究課題。早期的充電系統(tǒng)主要是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器來改變高壓電源的輸出,充電過程易受操作人員主觀影響,穩(wěn)定度低,難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)控制;部分系統(tǒng)采用了電動(dòng)調(diào)壓器,通過控制電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)過程中滯后現(xiàn)象明顯,且電動(dòng)調(diào)壓器體積功率普遍較大,不利于小型充電系統(tǒng)使用;基于串聯(lián)諧振的高頻高壓充電電源體積小、效率高[1],但成本高,線路復(fù)雜;充電設(shè)備多用于高電壓、大電流的場合,瞬時(shí)放電產(chǎn)生的空間干擾和地線干擾相當(dāng)嚴(yán)重,對(duì)示波器等精密測試儀器有一定的影響。因此,研制穩(wěn)定可靠的程控高壓充電系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)概述

某試驗(yàn)需要一臺(tái)充電設(shè)備,要求單極性充電,充電電壓-20~-80 kV連續(xù)可調(diào),充電時(shí)間小于100 s,儲(chǔ)能設(shè)備為電容器,充放電過程不允許人員在場,所有操作必須在屏蔽間完成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程控高壓充電系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控部分位于屏蔽間內(nèi),包括觸摸屏和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)置,充電啟停,接地瀉放等控制命令的發(fā)送,以及充電系統(tǒng)工作狀態(tài)和實(shí)際電壓的顯示;充電系統(tǒng)位于實(shí)驗(yàn)間,包括信號(hào)轉(zhuǎn)換,PLC,調(diào)壓模塊,高壓采樣等,通過接收主控部分的控制命令,完成儲(chǔ)能電容充電等動(dòng)作。為實(shí)現(xiàn)屏蔽間和實(shí)驗(yàn)間的完全隔離,采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。

2.1 觸摸屏

屏蔽間內(nèi)除了放置程控高壓充電系統(tǒng)的主控部分,還包括操作臺(tái),示波器等其他物理實(shí)驗(yàn)需要的儀器設(shè)備,從而要求程控高壓充電系統(tǒng)的主控部分體積小,易于觀測,操作簡便。用觸摸屏作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面,除節(jié)省PLC的I/O點(diǎn)數(shù)之外,還提高了生產(chǎn)監(jiān)控能力,簡化了操作面板[2]。綜合比較后采用10英寸的觸摸屏作為主控設(shè)備,并嵌入操作臺(tái),和其他儀器設(shè)備的操作窗口位于一個(gè)平面,方便操作人員的使用。圖2為觸摸屏控制界面,具有指針和數(shù)字兩種實(shí)際電壓顯示方式,通過鍵盤輸入設(shè)置電壓,控制按鍵按照功能互鎖,避免誤操作。需要注意的是,為了有效提高觸摸屏和PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸效率,在觸摸屏編程過程中,最好將使用的數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置為一段連續(xù)的PLC寄存器地址。

2.2 充電控制

PLC是整個(gè)充電控制的核心,充電開始后,首先輸出一個(gè)0~10 V的直流信號(hào)到調(diào)壓模塊,控制調(diào)壓模塊輸出一個(gè)0~220 V交流電壓到高壓電源,經(jīng)過高壓電源升壓整流后給儲(chǔ)能電容充電,再通過高壓側(cè)并聯(lián)的高壓分壓器,把0~-80 kV的高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~-8 V的低壓信號(hào),隔離調(diào)理后送到PLC,PLC獲取后和設(shè)置電壓對(duì)比,調(diào)整輸出的直流信號(hào),實(shí)現(xiàn)充電過程的閉環(huán)控制。但是,從PLC輸出直流信號(hào)到高壓電源穩(wěn)定輸出高壓,有一個(gè)滯后時(shí)間,如果采用簡單閉環(huán)控制,會(huì)造成控制過程失調(diào),高壓輸出震蕩,無法達(dá)到指標(biāo)要求。因此,系統(tǒng)使用了PID控制方法。

PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值,按比例、積分和微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算,其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制[3],從而減小時(shí)滯,防止超調(diào),獲得穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)。但由于被控對(duì)象的工作過程具有多樣性,使得PID參數(shù)的正確獲取較為復(fù)雜,需要通過反復(fù)調(diào)試,獲取盡可能多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后確定。PID控制在PLC中既可用PID硬件模塊實(shí)現(xiàn),也可用軟件實(shí)現(xiàn)[4],應(yīng)根據(jù)實(shí)際的控制系統(tǒng)規(guī)模以及成本等因素選取。本系統(tǒng)采用的是S7-200系列的PLC,實(shí)際編程中直接使用PLC內(nèi)部的PID控制指令,主要解決高壓過沖和振蕩兩個(gè)問題。

單相交流調(diào)壓模塊集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體,當(dāng)改變控制電壓的大小,就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角,即實(shí)現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓[5]?？紤]到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)一般都比其額定電流大幾倍,及晶閘管芯片抗電流沖擊能力較差等因素,在選取模塊電流規(guī)格時(shí)應(yīng)留出適當(dāng)裕量。阻性負(fù)載的模塊標(biāo)稱電流應(yīng)為負(fù)載額定電流的2倍;感性負(fù)載的模塊標(biāo)稱電流應(yīng)為負(fù)載額定電流的3倍[6]。另外,調(diào)壓模塊的過電壓能力差,若模塊內(nèi)部未自帶過電壓保護(hù)線路,可以外接阻容吸收回路或壓敏電阻進(jìn)行保護(hù)。 光電隔離模塊的作用是將高壓地和控制地分開,從而保護(hù)后端的模擬采樣等控制線路。選用時(shí)要選擇合適的頻帶范圍和驅(qū)動(dòng)能力,確保不影響正常的數(shù)據(jù)傳送[7]。

按照模擬量隔離模塊的接線方式,其輸入端等效電阻和高壓分壓器的低壓臂電阻并聯(lián),當(dāng)輸入端等效電阻不能明顯大于高壓分壓器的低壓臂電阻時(shí),就會(huì)影響到高壓分壓器的分壓比。除了選擇較大輸入阻抗的隔離模塊外,還可以使用運(yùn)放設(shè)計(jì)中間電路,利用其高輸入阻抗的特性進(jìn)行匹配,或者通過軟件校正。

2.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

S7-200PLC支持多種通信協(xié)議,比如點(diǎn)到點(diǎn)接口協(xié)議(PPI)、多點(diǎn)接口協(xié)議(MPI)、Profibus協(xié)議、用戶定義的協(xié)議等[8]。觸摸屏和PLC之間采用RS 485協(xié)議通訊,為避免實(shí)驗(yàn)過程中儲(chǔ)能電容放電產(chǎn)生的高壓脈沖干擾通過串行總線耦合到屏蔽間內(nèi)部,設(shè)計(jì)了針對(duì)RS 485協(xié)議的光電/電光轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的光纖傳輸。由于RS 485屬于半雙工協(xié)議,標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片都需要控制數(shù)據(jù)流方向,一般采用的方式是用一根信號(hào)線來控制,實(shí)現(xiàn)收發(fā)的切換,這種方式不但需要增加電路,還需要進(jìn)行編程控制。本系統(tǒng)采用的思路則巧妙的由硬件本身完成了接收和發(fā)送的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,電路簡單,抗干擾能力強(qiáng),可靠實(shí)現(xiàn)了RS 485信號(hào)和TTL信號(hào)的轉(zhuǎn)換[9]。

1414T和2412T是一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的光電收發(fā)器件,最高數(shù)據(jù)傳輸速度為5 Mb/s,傳輸距離超過1 km,完全滿足RS 485信號(hào)的傳輸要求。對(duì)于1414T光發(fā)射器必須提供足夠的正向驅(qū)動(dòng)電流才能發(fā)出所需光功率[10],而2412T是集電極開路輸出,通過一個(gè)上拉電阻即可獲得光信號(hào)經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)。根據(jù)光電收發(fā)器件的電器特性,增加必要的驅(qū)動(dòng)、反向等電路后,系統(tǒng)能夠可靠進(jìn)行TTL信號(hào)的光纖傳送和轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)RS 485信號(hào)的長距離光纖傳輸。電路原理圖如圖3所示,其中Q1應(yīng)根據(jù)使用的串口通訊速度選取合適的開關(guān)管,并根據(jù)光纖的長度來調(diào)節(jié)R3的阻值,以改變光發(fā)射功率,確保光傳輸穩(wěn)定可靠。

3 結(jié) 語

此程控充電系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求,已經(jīng)應(yīng)用于多項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn),抗干擾能力強(qiáng),可靠性好。簡單修改觸摸屏和PLC程序,可以配合不同指標(biāo)的高壓電源組成各種充電系統(tǒng),通用性好,使用范圍廣。通過修改通訊協(xié)議,還可以用計(jì)算機(jī)替代觸摸屏,將充電系統(tǒng)納入整個(gè)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)中使用的RS 485光傳輸電路,可以廣泛用于高壓大電流場合,有效提高主控設(shè)備的抗干擾能力。

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