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1、PLC 硬件设计在线路发生故障时，通过设计线路准时推断故障状态是否存在。一旦线路上有故障发生，能准确无误地将型号送入 PLC 上，PLC 通过编程设计对故障类型进展推断，实行相应的保护方式切除故障。对于硬件设计首先要求有一个准确的从线路上得到的采样信号。要求 PLC 输入一个开关量，该开关量使 PLC 内部 24V 电源回路导通。PLC 动作切除故障。在这局部设计中最重要的是开关量的获得。从线路上直接得到的是沟通电，要变成直流电后，在分别与各段保护整定值作比较，而得到一个开关量输入 PLC。比较电路的实际意义在于过流状态不是一种故障状态而是一种非正常状态。保护可行性分析：PLC 把从电网采集到
2、的电压电流信号经互感器转化后变为硬件电路所能承受的电流信号，经过滤波送入 PLC 内部推断，得到结果后发出执行信号，打算断路器是不是动作和是否发出故障信号。PLC 的前向通道，为 PLC 供给了进展推断所需要的各种信号，是 PLC 所需要的信号来源。而软件局部是依据硬件局部传来的信号选择相应的程序去执行，到达合理，快速和有选择地动作。另外，为了使线路故障状态可显示出来，本次设计设计了显示电路，使线路的各种状态以指示灯，蜂鸣器等方式便利的显示出来，以给工作人员提示，警告和相应的信息，使他们便利地进展处理。在做设计之前，结合 10KV 电网的线路首先必需弄清楚以下问题：10KV 线路的中性点承受的
3、接法：承受的是中性点非直接接地接法;自动重合闸的类型：承受前加速型重合闸，使用重合闸时，各保护出口直接动作于断路器。对于采样回路，要从线路上采集电流信号。首先，要把它转化为电压信号就必需有电压回路的形成，但由于经过互感器，变流器后得到的只是 050mA 的沟通电，因此还必需设计整流，滤波，整定回路。PLC 的外围线路可用流程图表示：图 7-1 硬件电路设计原理图PLC 的前向通道有集成电路及一些分立元件构成，包括沟通承受，整流， 滤波，比较，接口电路。比较回路承受了较宽幅的比较器，要使三段电流在肯定范围内可调；对于PLC 而言，输入有：I 端输入，II 段输入，III 段输入，预留的零序输入等
4、。其输出有跳闸，信号回路。沟通采样局部为电流互感器对沟通信号进展采样并起到隔离保护的作用，将高的沟通电压转变为低沟通电压信号，然后通过整流变成直流信号，再通过滤波将其变成接近恒稳的直流信号。这始终流信号在比较回路中与设定好的整定值进展比较，然后将其信号输入模拟电子开关的掌握端，模拟开关的输入输出端与PLC 连接。7.1 互感回路局部电流形成是用互感器来实现的，互感器是一次系统和二次系统间的联络元件。依据电磁转换原理从线路上采样转换各电量。用以分别向测量仪表，继电器的线圈和电压线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障状况。10KV 线路上通过装设互感器后，把大电，大电压变为标准的小电流小电压，
5、再经过变流器把小电流小电压变为我们所需的电流电压，从而使掌握回路得以安全，稳定，牢靠地运行。以下将对互感器，变送器分别加以介绍。7.1.1 电流互感器构造特点：一次绕组匝数很少，有的电流互感器还没有一次绕组，利用穿过其铁心的一次电路作为一次绕组，而且一次绕组导体相当粗；其二次绕组匝数很多，导体较细。工作时，一次绕组串接在被测的一次电路中，而二次绕组则与仪表，继电器等的电流线圈串连，形成一个闭合回路。由于这些电流线圈的阻抗很小。电流互感器的二次回路分为测量回路和保护回路，电流互感器工作时，其二次回路接近于短路状态。1. 电流互感器的主要技术参数的选择（1） 额定一次电压，由所在系统的标称电压确定
6、。可以选用高电压等级的电流互感器在低电压等级的系统中使用，如选用 10kv 的电流互感器在 6kv 系统中使用。（2） 额定一次电流，依据额定电流等级选用。假设一次电流不能依据规定的这些等级选用时，可以依据保护回路和测量回路的变比要求不同时，可承受二次绕组带抽头电流互感器。也可以转变一次抽头的电流互感器，一般分串联和并联接法，可获得倍数变比或半数变比的电流互感器。（3） 额定二次电流：有 1A 和 5A 两类。对建发电厂和变电全部条件时， 宜选用 1A。如有利于互感器安装或扩建工程原有 TA 为 5A 时，及某些状况下为降低 TA 的二次开路电压，额定二次电流可选用 5A。一个厂，站内的额定二
7、次电流可同时选用 1A 和 5A。2. 电流互感器的二次负荷。电流互感器的二次负荷额定值可依据需要选用 2.5、5、7.5、10、15、20、30VA。在某些特别状况下，也可选用更大的额定值。电流互感器的负荷通常有两局部组成：一局部是所连接的测量仪表或保护装置；另一局部是连接导线。计算电流互感器的负荷时应留意不同接线方式下和故障状态下的阻抗换算系数。3. 保护用电流互感器的选择保护用电流互感器的性能应满足继电保护正确动作的要求，首先应保证在稳态对称短路电流下的误差不超过规定值。对于短路电流非周期重量和互感器剩磁的暂态影响，应依据所在系统暂态问题的严峻程度、所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的
8、后果和运行阅历等因素来合理考虑。假设保护装置具有减缓电流互感器饱和的影响功能，则可按保护装置的特点来选择适当的电流互感器4. 电流互感器的使用留意事项：1)电流互感器在工作时其二次侧不得开路。2)电流互感器的二次侧有一端必需接地。3)电流互感器在连接时要留意端子极性。在使用电流互感器时肯定要留意其同名端极性的问题，否则可能会导致继电器发生误动作或不动作。7.1.2 电压互感器：电压互感器的根本构造特点：一次绕组匝数很多。二次绕组匝数很少，相当于降压变压器。工作时，一次绕组并联在一次电路中，而二次绕组则并联仪表， 继电器的电压线圈。由于电压线圈的阻抗一般都很大，所以电压互感器工作时其二次侧接近于
9、空载状态。1. 电压互感器的几种常见的接线方案：(1) 一个单相电压互感器的接线 。供仪表，继电器接于一个线电压。(2) 两个单相电压互感器接成 V/V 形。供仪表，继电器接于三相三线制电路的各个线电压。(3) 三个单相电压互感器接成 Y/Y 形。(4) 三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成Y/Y/2. 电压互感器的使用留意事项：(1) 电压互感器工作时其二次侧不得短路。(2)电压互感器的二次侧有一端必需接地。(3)在连接时应留意其端子极性。7.1.3 变送器10KV 线路通过电流互感器后，得到05A 的标准小电流，而我们需要的是05V 低电压，所以必需在电流互感器与电
10、流采集电路之间设置一个接口元件，将05A 的大电流变为掌握回路能承受小电压。我们就需要一个电流电压变换器, 而电流量与电压的转换也可以用变送器来实现1. 产品介绍：本产品承受电磁感应原理，对电网中的交直流电流进展实时测量，承受周密恒流技术和线性温度补偿技术，将其变换为标准的信号输出，具有过载力量强、高隔离等特点。2. 主要特点：多种输出可供选择；线性输出、快速响应时间； 高牢靠，高精度；优良的抗磁场干扰力量；优异的长期稳定性、无积存误差； 安装，接线便利。3. 使用说明：(1)引脚定义： + 关心电源正，- 关心电源负 GND 关心电源地，OUT 跟踪输出；(2) 在输入按箭头方向流淌时，获得
11、正向电压输出；(3) 测量小于额定值 1/2 以下的电流时，可以使用多绕原边匝数的方法获得最正确精度被侧电流*匝数=额定输入安匝。4. 性能参数：见表 7-1表 7-1 变送器性能参数输入规格20A-400A输出规格0-5V4-20mA输出负载300关心电源+12V环境条件-25+707.2 整流局部我们经沟通采样回路设计，得到了一个 05V 的小沟通电压。然而在掌握回路中，我们需要的不仅是小的电压信号，而且是直流电压信号。因此必需设计一套整流回路。整流管和晶闸管是构成整流电路的主要元件。整流管具有单向导电特性，晶闸管具有可控开通单向导电特性。整流电路的原理就是利用二极管的单向导电特性，构成输
12、出单一方向电流的电力变换电路，从而将输入的 05V 沟通电压变为输出的直流电压。小功率整流电路有半波、全波、桥式等整流电路形式。在此设计电路中承受全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。1.单相桥式整流电路的组成单相桥式整流电路、习惯画法和简化画法如下图。它应用了四个二极管。四个二极管的连接方向，任一个二极管不能接反，不能短路，否则会引起管子和变压器烧坏。图 7-2 单相桥式整流电路1. 工作原理习惯画法图 7-3 单相桥式整流电路的画法简化画法设变压器，U2 为其有效值。（1） 当 u2为正半周时，D1和 D 管导通，D 和D324管截止，电流由 A 点流出，方向如下图。u =u ，D 和
13、 D 管承受的反向电压为-u 。在负载电阻上得到正弦O2242波的正半周；（2） 当 u2为负半周时，D2和 D 管导通，D41和D 管截止，电流由 B 点流出，3方向如下图。u =-u ，D 和 D 管承受的反向电压为 u 。在负载电阻上得到正弦O2132波的负半周。由于 D 、D 和 D 、D 两对二极管交替导通，致使负载电阻 R 上在 u的整个周1324L2期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式的电流与电压波形为其电压和电流的波形，实现了全波整流。输出电压平均值和输出电流平均值输出电压平均值7-1)解得7-2)
14、结论：在输入电压一样的状况下，全波整流输出电压平均值为半波整流电路的两倍。负载电流的平值均7-3)结论：在输入电压一样的状况下，全波整流输出电流平均值为半波整流电路的两倍。整流输出电压的脉动系数 S：桥式整流电路的基波 UOM 的角频率是 u2 的2 倍，7-4)7-5)结论：与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。二极管的选择二极管的电流每只二极管只在半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即7-6)二极管承受的最大反向电压，由电路图可知，7-7)整流平均电流 IF 和最高反向工作电压 UR考虑电源电压波动10，在选用二极管时，至少有10%的余量，选择最
15、大整流平均电流 IF 和最高反向工作电压 UR 分别为7-87-9)单相桥式整流电路的优点：输出电压高、变压器利用率高、脉动小。单相桥式整流电路的缺点：二极管的数量多，二极管的正向电阻不为零，整流电路内阻大，损耗也较大。目前有不同性能指标的集成电路作为桥式整流电路，称之为“整流桥堆”。7.3 滤波局部沟通电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小电流强度还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近稳恒的直流电压。电
16、容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候， 便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去或降低之后，电容器 将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压渐渐上升，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压渐渐降低，直到完全消逝。电容器的容量 越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容器两端电压不能突变的特性，正好可以用来担当滤波的任务。滤波电容容量大， 因此一般承受电解电容，在接线时要留意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。7.3.1 电容滤波器电路图UO的波形图 7-4 单相桥式整流电容滤波电
17、路及稳态时的波形分析当 u 为正半周并且数值大于电容两端电压 u2C时，二极管 D1和 D 管导通，D32和 D 管截止，电流一路流经负载电阻 R ，另一路对电容 C 充电。当 u u ，导致4LC2D 和 D13管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。当 u 为负半周幅值变化到恰好大于 u2C时，D 和 D24因加正向电压变为导通状态，u2再次对 C 充电，uC上升到 u2的峰值后又开头下降；下降到肯定数值时 D2和 D 变为截止，C 对 R4L放电，uC按指数规律下降；放电到肯定数值时 D1和 D 变3为导通，重复上述过程。R 、C 对充放电的影响L电容充电时间
18、常数为 R C，由于二极管的R 很小，所以充电时间常数小，充DD电速度快；R C 为放电时间常数，由于 R 较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因LL此，滤波效果取决于放电时间常数。电容 C 愈大，负载电阻 RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如下图：图 7-5 RLC 不同时的 Uo 波形明显，电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量到达肯定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通 常应依据负载电用和输出电说的大小选择最正确电容量。7.3.2 RC-型滤波器图 7-6 电容滤波整流电路示意图无论是电感滤波器还是 LC 滤波器,都体积
19、大，笨重且易引起电磁干扰的电感, 因此在负载电流不大的状况下,可用电阻 R 代替 L.图 7.5 为 RC-型滤波器,其整流输出电压先经电容 C1滤波,再经 RC2组成的 RC 倒 L 型滤波器滤波,因此也称为复式滤波器,两次滤波使纹波大为减小,而输出直流电压U =U =LL(AV)RRLU=LC1(AV)R +U(7-1C1R + RRLL0)式中,UC1 AV)=UC1 为电容 C1 两端的直流电压。可见,电阻 R 上的直流压降使 RC- 型滤波器的输出直流电压减小,故 R 取值要小。但从滤波的效果来看,R 越大,RL 上的纹波越小,滤波效果越好,因此 R 的选择要兼顾两方面的要求。7.3
20、.3 电感滤波器Inductance Filter)图 7-7 电感滤波整流电路示意图桥式整流电感滤波器的电路如图 7.7a所示.由于电感 L 的沟通感越大,直流干抗为零,当电流变化时,L 产生反电势以阻挡其变化,因此输出电压 U 中的L纹波大大减小,UL 就比较平滑.当无视L 的损耗电阻时,L 上的直流压降为零,输出直流电压 U 即 U)与整流电路的 U一样,即 U =U=0.9U 。因此,UL 与 LLLAV)LAV)LLAV)2无关,电感L 的作用是抑制纹波.由于RL与L 串联对整流输出中的纹波分压,因此R 越小或输出直流电流越大),电感滤波器的输出纹波越小,当 RLLL时,输出纹波近视
21、为零.电感滤波的特点是,二极管的导通角越大等于 180o,这是反电势的结果), 电源启动时无冲击电流但有反电势产生 , 输出电流大时滤波效果好 ,外特性好,7.7(b)所示,因此带负载力量强.但是,电感 L 笨重,体积大,易引起电磁干扰, 因此电感滤波适用于低电压大电流的场合.7.4 比较整定电路7.4.1 电压回路的形成经过电流互感器、电流电压变换器、整流滤波后沟通电变成我们所需要的小电压，将取出的电压输入三种保护比较回路，即定时限过流保护、瞬时速断保护、限时速断保护，三种保护瞬时速断状态的电流最大，限时电流速断次之，定时限过流保护的电流最小。为了满足三种不同电压要求，我们将电压经过电压比较
22、器进展整定。通过比较回路的整定输出高电平，此电平输入PLC，使PLC 动作。7.4.2 比较回路的形成比较回路我们承受电压比较器，比较器由一个放大器与几个电阻构成。依据对电阻选取参数不同获得不同的基准电压值。V+-A+反相输入端Vi-Vo同相输入端Vi+V-图 7-8 运放LM324 是内含 4 个单元的高增益运放，其特点是既可单电源工作又可双电源工作，并可在较宽电源电压范围内工作，且电源电流很小，输入偏置电流具有温度补偿，无需外接频率补偿元件。LM324 可应用于转换放大器、直流增益单元以及通用型运放的很多应用电路，还可直接用作各种规律电路及其他低压系统的接口电路。LM324 的特点： 1.
23、短跑保护输出；2. 真差动输入级；3. 可单电源工作：3V-32V；4. 低偏置电流：最大 100nA；5. 每封装含四个运算放大器；6. 具有内部补偿的功能；7. 共典范围扩展到负电源；8. 行业标准的引脚排列；9. 输入端具有静电保护功能。图 7-9 LM324 管脚图LM324 的应用电路：应用电路图见图 7-10. 运放的 V通过电位器设以整流电压，在 V为输入电i-i+压，在输出端加一单相整流二极管。假设输入电压大于整流电压，运放的输出就导通；反之，运放的输出则不导通-+图 7-10 比较器应用电路7.5 模拟电子开关CD4066 是双列直插 14 脚四双向模拟开关电路块，在集成电路
24、内有 4 个独立 的能掌握数字及模拟信号传送的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出 端，它们可以互换使用，还有一个选通端又称掌握端，中选通端为高电寻常，开关导通；中选通端为低电寻常，开关截止。使用时选通端是不允许悬空的. 14 脚 vcc+12-18v,7 脚 GND,开关掌握电压一般+5v-+12v图 7-11 CD4066 管脚图7.6 输出回路1. PLC 的常用输出通道PLC 的输出端连接与 PLC 输入端的连接相像，开关量输出端的连接也取决于输出电路构造。当负载电源的类型及掌握动作频率选择 PLC 相应的输出模块。一般可供选择的模块有三种，即继电器、晶体管和晶闸管。其中，晶体管的
25、动作频率最高，晶闸管次之，继电器允许动作频率最低。连接时应引起留意的是：1） 负载电源类型交/直流任意或指定沟通、直流；2） 负载电源幅值和极性要求；3） 负载容量及性质。可编程序掌握器输出端对电源有具体要求。例如选用晶闸管作输出模块时， 假设电源误用直流，则输出一经触发，该管将无法关断。另外，还要考虑输出元件和负载性质。例如承受半导体元件作输出模块时，掌握的负载为感性，那么感性负载在受控通断瞬间产生的反向过电压有害于输出元件。尽管 PLC 已在输出电路构造上考虑了保护电路，但从输出元件使用寿命和安全角度动身，仍应并接过电压吸取电路，以保护输出元件。2. 本设计输出通道包括掌握断路器的分合闸和信号灯指示电路。断路器的合分闸掌握：信号从 PLC 出来不能直接掌握合分闸，需要经中间继电器驱动后才能掌握。信号指示灯掌握：信号灯直流 24V 通道就可掌握。第八章 软件局部软件局部即 PLC 中编程问题,包括信号显示程序,报警程序,故障切除程序等, 把 PLC 与三段式电流保护电流速断保护,限时速断保护,过电流保护)进展良好的结合,使保护范围尽可能的大.软件局部是依据硬件局部传过来的信号 ,调用相应的程序,完成相应的保护类型,它的输出信号掌握断路器的通断.软件局部通过对PLC 的编程设计选择合理的保护方法对线路进展保护,以驱动断路器跳闸,同时后通道将有报警信号输出。其流程图见附录三。