可编程控制器及变频技术在大型变压器风冷却器系统中的应用.pdf

第4 4 卷第7 期 2 0 0 7 年7 月 月澎 2龙盛 2 忙沙石绒分沈 石 刃 V o l . 4 4 JUIy N O _ 7 2 0 0 7 可编程控制器及变频技术在大型变压器 风冷却器系统中的应用 李晓慧’ ， 郑先择2 1 .郑州电气装备总厂， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ; 2 .河南机电高等专科学校， 河南 新乡 4 5 3 0 0 2 摘要 提出了 基于可编程控制器PL c 及变频技术的大型变 压器风冷却器控制系 统的 应用方案， 进行了 硬件、 软件 设计及节能分析。 关键词 P L C; 变频技术; 风冷却器; 变压器 中图分类号 T M 4 0 3 . 9文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 一 8 4 2 5 2 0 0 7 0 7 一 0 0 6 2 一 0 3 A P P lic a t io n o fP L C a n d F r e q u e n c y F o r c e d 一 A i r C o o li n gs y s t e m in C o n v e r s io n T e c h n o lo g y t o L a r g eT r a n s f o r m e r L I X ia o 一 h u il ， Z H E N GX ia n 一 f e n g Z 1 .Z h e n g Z h o uE le C t r ic a l E q u iP m e n t M a inP Ia n t ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ， C h in a ; 2 . H e n a nM e c h a n ic a l a n dE le c t r ic a i E n g in e e r in gC o lle g e ， X in x ia n g4 5 3 0 0 2 ， C h in a A b at rac t ; T h ea P P l ie dP la no f f o r c e d 一 a irc o o lin gs y s t e m in b a s e do nP L C a n df r e q u e n c yc o n v e r s io nt e c h n o io g y ， 1 5 Ia r g et r a n s f o r m e r ， w h ic his P r e s e n t e d . lt ss o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ed e s ig n e d . It se n e r g ys a v in gisa n a ly z e d . K e yw o rd s P L C ;F r e q a e n c yc o n v e r s io nt e c h n o lo g y ; A ir c o o le r ; T r a n s f o r m e r 1 前言 强迫油循环风冷却器的冷却控制装置大都采用 传统的温度继电器控制模式，由于其控制电路的设 计存在接线复杂、 接点多、 可靠性低及自 动化程度低 等许多不足，已越来越不能满足变电站自动控制的 要求。 笔者提出的基于P L C及变频技术的大型变压 器风冷却器控制方案能提高控制系统自 动化程度。 2 风冷却器控制系统的构成 控制系统构成框图如图 1 所示。系统主要由 P L C 、 变频器、 、 控制台和冷却系统构成。 1 系统以某变电站三台单相 O D F PSZ 一 2 5 0 0 0 0/ 5 00 变压器为例，每台采用四组 Y F Z L 一 2 0 0 风冷却器， 总功率约30k w， 均匀分布在变压器纵向 一 侧， 变电站三台变压器冷却器功率约g o k W。 2风冷却器控制系统采用两路电源， 一路工 作， 一路备用 当工作电源故障时， 启用备用电源。 若 两路电源均故障， 则报警。 3 P L C 根据温度信号、 负载电流、 频率信号及 图 ， 风冷却器控制系统框图 F i g I C o n t rol s y s te m d i a g r a m o fforce d 一 a i rc ool e r 故障信号来控制各个冷却器的投切， P L C 包含PI D 环节， 将设定油温与实测油温进行比较， 经比例积分 发出频率给定命令， 给定变频调速的冷却器频率; 同 时将故障信号传送到控制台。设定油面温升不超过 53K， 变频器频率上限为50H z ， 下限为20H z 。 4每台变压器变频控制采用各冷却器轮换调 第7 期 李晓慧、 郑先锋 可编程控制器及变频技术在大型变压器风冷却器系统中的应用 速的循环软起动冷却控制方式。所有的冷却器 油 泵电机和风扇电机 既可以工频运行又可以连接到 变频器上， 最初变频器带动一台冷却器运行， 输出 频率达到上限时将该冷却器切换到工频电源恒速 运行， 变频器则连接到第二台冷却器上， 依次类推。 温度过低时， 根据输出频率达到下限的信号按照起 动顺序依次切除恒速运行的冷却器即可。在变频器 的有效频率调节范围内，可依据变压器负载情况， 自动调节处于变频运行状态冷却器上的油泵电机 和风扇电动机的转速， 以调整冷却器的单台冷却容 量来适应变压器负载的变化。 由于对冷却器上的油泵电动机和风扇电动机的 转速调节要求不高， 因此采用转速开环恒压频比控 制的变频调速方案。选用变通的通用变频器， 其结 构简单， 成本较低。 5 变频器根据P L C发出的投切指令， 投切相 应的冷却器。若需投人新的冷却器， 则延时断开当 前正处于变频控制的冷却器变频回路接触器， 延时 接通该冷却器的工频回路接触器， 接通应投人冷却 器的变频回路接触器， 使其处于变频状态。若需切 除冷却器， 则按照先启先停原则， 延时3 O m in后， 将 投人最早的冷却器依次切除。 6 电控部分及其他部分包括配电电源、 各冷 却器线路接触器、 热继电器、 电流互感器和油流继 电器等用来反映各冷却器的工作状态及故障信息。 出“ 变压器油温高” 的报警信号。 5自动/ 手动状态为本装置和冷却器组启、 停 及故障检修提供很大的方便。 6 延时切除。当变压器油温下降， 以油温变化 率为依据进行切除延时时间的控制，避免了冷却器 组的频繁启停， 提高了抗干扰性能。 当主变压器停机 时， 停机信号送人P L C装置将延时3 0 m in后再切除 正在运行的所有冷却器组。 3 风冷却器控制系统的功能 1冷却器组的自动投切。能根据温度、 负载电 流及变频器频率精确地进行不同组的投、 切。采用 先启先停原则， 使各台冷却器循环运行， 平衡运行 时间， 避免一些冷却器长期工作而其他冷却器长期 停止而造成的各电机运行时间不均匀。 2 冷却器组的变频起动、 变频调速。能根据温 度及负载电流的变化， 变频起动冷却器， 对其进行 变频调速， 使电机起动平稳， 并通过调速降低电机 噪声， 以达到节能的目的。 3故障检测、 处理、 报警及显示。装置对每台 风机、 油泵电机及油流继电器都设置有故障检测电 路， 当电机发生过载、 短路和缺相等故障或工作、 备 用电源故障时， P L C 将作出相应的处理， 并发出故障 报警信号。对风机、 泵机及油流继电器故障， P L C自 动切除对应电机的电源或自动切除该组冷却器。 4当冷却器全停、 交流电源全消失、 变压器超 温时， 装置将发出“ 变压器跳闸” 信号， 该信号与变 压器的主保护组合后， 控制变压器的跳闸。同时发 4 系统的软件设计 该系统软件主要解决系统的手动及自动切换、 各元件和参数的初始化、 信号及通讯数据的预处理、 冷却器启动、 切换及停止的条件、 顺序、 过程等问题。 当变频器输出频率达到频率上限， 油面温升仍大于 预设值时， 发出加冷却器信号， 投入下 1 台冷却器。 当油面温升小于预设值，变频器输出频率降到频率 下限时， 发出减冷却器信号， 切除在工频运行方式中 的1 台冷却器。系统刚启动时， 情况简单， 首先启动 一号冷却器即可。但考虑几台泵联合运行时情况复 杂， 任意 1 台至4 台冷却器可能正在工频自 动方式 下运行， 而其他泵则可能在变频器控制下运行， 因此 必须预先设定增减冷却器的顺序。即获得加冷却器 信号后， 按照 1 号、 2 号、 3 号、 4 号的顺序优先考虑。 获得减冷却器信号后， 按照4 号、 3 号、 2 号、 1 号的 顺序优先考虑。 本控制系统的软件以西门子公司的SI M A TIC 5 7 系列编程软件进行梯形图设计， 通过专用电缆把 程序下装到P L C中。SIM A TICS 7系列编程软件的 依次切除 2号 4号 结束语 图2 冷却器投切流程图 F i g 2 5 初t c b i n g山 a g r a r nof c oole r 第 44卷 梯形图是逐行扫描， P L C软件设计思路是列出所有 冷却器可能的运行状态， 每种状态处理有两种情况， 有温度上限信号、 有频率上限信号时增加冷却器， 当 无温度上限而有频率下限信号时减少冷却器， 按照 先启先停的原则，可列出冷却器运行的所有组合状 态表。 只要列出冷却器的各种状态， 给出相应的处理 程序即可。 器的最大功率为 。 命x 7 2 k w ’ 5 基于M ATLAB 的节能分析 其变电站夏季典型日 负载曲线如图3 所示， 单 相变压器空载损耗 △ Po二 8 5 k w，单相变压器负载损 耗 △ 尺二 3 5 0kw。下面分析该变电站夏季 6 . 1 一 8. 3 1 的功率损耗及节能情况。 假定电网电压、 功率因数不变， 则负载变动时， 变电站三台变压器总损耗 2 传统冷却器日 消耗电能 传统冷却器当负载 电流小于75额定电流， 即负载5 75 S N 时， 三组 冷却器全速工作， PI 7.2 x3二 16. I k w;当5 75 凡 时， 四组冷却器全速工作， 几 7. 2 x 4 二 28. s k w。 3图3 中P L C 控制冷却功率曲线与普通冷却 方式功率能曲线之间的部分反映了采用P L C变频 控制冷却器的日节能情况，其运算结果为 △ W二 7 8 9kw h ， 以夏季一个季度为例， 总节能为△ W ， 二 725 88k w h 。 如考虑其他三个季度、 每个季节变压 器温升及自身散热能力等因素， 则实际节能更多。 、 n n. 、 nA n. 、 n/5 。厂 。厂 0。厂 K 二 。厂 0 十 。厂 K 气 二 二 一少 - 乃N 0 二 、 ，. ， ‘ ， 二 八 _，5 8 ， x ， 3 x ， 5 0 x 命 ’ 式中 5 负载， k w S N 一 一 额定负载， k w 其典型日 损耗曲线如图3 所示。 1 P L C变频控制冷却器 利用上述 PLC变频 控制冷却器可以保持变压器油面温升近似恒定， 由 物体发热方程几二 瑰 时， 温升恒定， 即 △ 凡只 尸 式中 PI 冷却器冷却容量， k w P’用于变压器油箱的散热功率， k w 40X 35 00 30 加 25 X 2 洲 X 15 X 1 0 X 5 oo 0 变压器的日负载曲线 普通冷却方式的功率曲线 变压器的损耗曲线 05 图 3 P L C控制的冷却功率曲线 1 01 52 0 M A T L A B仿真结果 F i g . 3 S i m u l a ti o nr es ul tso f MA T L A B 由此可见， 只 △ 尸 ， 如图3 所示。忽略变压器油 箱的散热能力， 变压器保持油面温升恒定所需的最 大冷却容量PI二 △ 尸 ，与日负载曲线对应所需的冷却 6 结束语 1采用P LC ， 可简化风冷却器控制线路， 控制 功能更强大， 提高控制系统的可靠性， 适应电网智能 化控制的要求。 2 利用P LC 可以精确地控制各冷却器的投切， 较之传统的要么冷却器全投， 要么一部分投或按变 压器温升的几个大致分段投切不同组数的冷却器会 产生明显的节能结果。 另外各冷却器中风扇、 油泵均 属于比较典型的二次方转矩负载， 转速越低， 机械轴 功率随转速的下降而急剧降低，而电网输入的电功 率也急剧降低， 当冷却器电机平滑调速时， 较传统的 冷却器电机全速运行也会有一定的节能效果， 冷却 器功率越大， 变频调速节能效果越显著。 3使用通用变频器且采用各冷却器轮换调速 的循环软起动冷却器控制方式， 变频器功率小， 成本 较低， 加上P L C总成本相对较低。 4各冷却器循环投切， 使各电机工作时间大致 平均， 延长了电机的寿命。 5 使用变频技术， 改善了各冷却器电机的起动 性能， 减小了冲击电流及其带来的影响， 也降低了电 机的噪声。 6提高变压器的带负载能力。 可通过适当提高 变频器的上限频率设定值， 当变压器负载增多时， 适 当提高电机的转速， 增加冷却器的冷却容量， 在一定 范围内提高变压器的带负载能力。 综上所述， 采用P LC 和变频调速技术的变压器 风冷却器控制系统较传统的控制系统具有很多优 点，该技术在变压器风冷却器控制系统的推广应用 具有较好的前景。 收稿日期 2 0 0 6 一 0 5 一 0 9 作者简介 李晓慧 1968一 ， 女， 河南辉县人， 郑州电气装备总厂工程师， 主要从事电气设计工作; 郑先锋 1972一 ， 男， 河南宁陵人， 河南机电高等专科学校讲师， 从事电气绝缘测试和计算机测控研究工作。