基于PLC的耐压试验控制系统设计 - 图文

基于PLC的耐压试验控制系统设计

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。

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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=1μF，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2?0.07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

3

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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：

式中：a为直流分量；

Un为基波(n=l)分量或(n?2)分量的幅值； ?为基波角频率；

??n?t??n? （2）u(t)?a??Unsin

n?1?n为基波(n=l)或(n?2)分量的相位。 可求得：

2Tan??u(t)cons?tdt0T （3）

2T bn??u(t)sinn?tdtT0 （4）

式中: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：

2N2? an??u(k)cosnNk?1N （5）

2N2? bn??u(k)sinnkNk?1N

式中:N为一个周期中的采样点数。

4

（6）

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求得an和bn后，可以计算出交流分量有效值Un。 (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。

22un?an?bn （7）

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。

?u(t)?220(sin?t?30)?10sin2?t?8sin3?t?6sin4?t?4sint5?t （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：

5??

?ui?25i?12i?100%?2u?i312?10.37%?5H612 （9）

5