PLC控制的晶閘管交流電子開關設計分析
摘 要:本文簡要介紹了電氣化鐵路串聯補償裝置的工作原理及晶閘管交流電子開關的作用。重點介紹了1600A1000V 晶閘管交流電子開關中可編程控制器（ PLC） 系統的硬件和軟件及其在該裝置中所發揮的作用。*后就該裝置的技術性能做了簡要的總結。
1 概述 電氣化鐵路（ 以下簡稱電鐵）的諧波問題是一個關系到公用電網電能質量和電鐵順利建設的重大問題, 我國從80 年代處就開始致力研究、解決這一問題。串聯補償裝置可以在一定程度上解決這一問題, 而且由于其技術難度低、投資小、易于實現, 因而在單線電鐵的復線改造工程中顯示出了極大的優越性。
串聯補償裝置的工作原理是在電鐵供電線路負荷較重、線路感抗損耗嚴重時通過投入事先串聯在回路中的電容器, 改變電路負載類型, 從而達到提升網壓和改善功率因數的作用。如圖1 所示。由于電鐵負荷是一個運動負荷, 負荷的大小不僅與機車的數量有關, 而且還與機車的載重、機車的運行狀態、線路的坡度等因素密切相關。電容器的投切操作也相當頻繁。如果使用機械（ 有觸點） 開關, 由于其投切時刻相對于網壓相位的隨即性, 觸頭在非過零點吸合時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。因此在串聯補償裝置中必須采用晶閘管交流電子開關來實現對電力電容器的過零投切。
2晶閘管交流電子開關對控制系統的要求及PLC的選用
晶閘管交流電子開關的主電路由兩個反并聯晶閘管支路構成,每個支路分別由兩只晶閘管并聯組成, 共使用四只晶閘管（ 聯接方式如圖2 所示） 。按照電氣化工程設計的要求, 晶閘管交流電子開關安裝于牽引變壓器附近的移動房屋內, 結合應用工況該裝置對控制系統有如下要求:
（1） 應具有高度的可靠性, 以適應電鐵供電網長期處于運行狀態的客觀要求;
（2） 應具有完善的事故報警系統, 發生故障后應該指示出故障類型, 無故障運行時應指示出電力電容器的投切狀態;
（3） 應具有完善的邏輯控制和自動保護功能;
（4） 應確保晶閘管在電壓過零點觸發;
（5） 應具有良好的電磁兼容性能, 能夠適應牽引變電站現場復雜的電磁環境。
完成電子開關的控制功能可以通過三種途徑: ①使用集成電路開發專用控制電路板; ②使用單片機和外圍電路開發專用控制電路板; ③使用PLC 和擴展模塊開發專用控制系統。由于PLC 具有控制可靠、組態靈活、體積小、功能強、速度快、擴展性好、維修方便等特點,不僅減少了系統的硬件接線, 提高了可靠性, 而且通過修改程序可適應新的要求, 因此1600A1000V 晶閘管交流電子開關中選用了西門子公司的小型機S7—200 系列的PLC 作為其控制系統的核心部件。
3 PLC 控制系統的構成及其在交流電子開關中的作用
（1） 硬件構成及其作用
在本裝置的PLC 控制系統中,選用了西門子小型機S7—200 系列的CPU222、模擬量擴展模塊EM231 和文本顯示器TD200。可用硬件系統資源分配圖如下表所示:
CPU222 是PLC 控制系統中的CPU 單元, 負責接收所有的開關量和經過A/D 轉換后的模擬量輸入,并根據控制邏輯輸出控制信號;EM231 負責對主電路的電壓、電流信號進行A/D 轉換, 并將轉換結果輸送給CPU 單元; 文本顯示器TD200 負責監視CPU 單元的輸出狀態, 根據各個輸出量的組合情況指示出晶閘管電子開關的運行狀態和故障類型。
（2） 軟件構成及其功能
在本裝置的PLC 控制系統中,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容和CPU 單元輸出量組合情況的對應關系。
邏輯控制軟件包含了晶閘管電子開關的所有控制邏輯, 在軟件結構上由1 個主程序、2 個子程序、2 個定時中斷程序構成。它的主要功能是: 根據控制要求, 實現對電壓、電流的檢測,適時的發出觸發信號, 以及對過壓、過流、風機、電源等諸類故障的檢測, 并及時發出報警信號, 實現保護功能。該軟件實現的流程圖如圖4 所示。
4 晶閘管的控制策略
晶閘管交流電子開關是串連補償裝置的核心部件, 晶閘管的控制策略則是晶閘管交流電子開關的關鍵技術。要實現對晶閘管的過零觸發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通, 同步信號就會消失, 這是設計晶閘管觸發電路時必須注意的問題之一。另外, 晶閘管未導通時, 其承受的電壓與電力電容器承受的電壓同相, 而導通后由于電路結構的變化, 電路會發生一個過渡過程, 這也是設計晶閘管觸發電路時必須注意的問題之一。
5 結束語
由于PLC 集成度高, 抗干擾能力強, 編程簡單, 系統便于開發、維護和升級等優點, 加之文本顯示器可以清楚明了的指示出晶閘管的導通、截止狀態以及顯示出各類故障狀態, 因此使用PLC 控制系統的晶閘管交流電子開關結構簡單、維護方便, 且具有較高的可靠性、可維護性和靈活性。