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1、交直交变流器(AC-DC-AC Inverter)测试台的设计（作者：刘忠明自动控制工程师现任职于西门子城市轨道交通部）摘要介绍了交直交变流器测试台的详细设计和一个基于PLC与虚拟仪器构成的实用数据采集系统。通过软、硬件技术组合，实现了对变流器的的信号采集处理和对测试设备的控制。充分发挥虚拟仪器的优势，采用模块化设计软件方法，设计功能完备的应用软件。关键词交直交变流器 虚拟仪器数据采集串口通讯 PLCDevelopment of Test bench for the AC-DC-AC inverterLiu Zhong Ming(Automation and Electric Engineer
2、ing, Hunan 412001)(Mass transit, Siemens, Hunan)AbstractThe concept of a test bench for AC-DC-AC inverter and its data acquisition system ,which includes Programmable logic controller and virtual instrument, are represented in this paper. Through the technical composition of hardware-software, the t
3、est bench can deal with signal acquisition and control the equipment. Making full use of advantages of the virtual instrument and adopting modular programming design method, the functions of the applicable software are all ready. KeywordsAC-DC-AC inverter; virtual instrument; data acquisition; serie
4、s communication; Programmable logic controller1 概述交直交变流器（AC-DC-AC）用于电力机车中空调电源的供电，它能将机车辅助电源提供的单相交流220V电转换成空调机组需要的多组三相380V电源，向空调机组的室内风机，室外风机，压缩机及电加热管供电。本文介绍了基于PLC控制和数据采集系统的交直交变流器的测试台的设计，该测试台用于变流器的地面检测，它能够模拟机车中的多种恶劣工况，按照铁道部运装技验（2001）277号文件要求对交直交变流器的特性进行检测，同时通过PLC+上位机的控制和数据采集系统辅助测试人员进行测试和数据记录，测试台根据人性化设计
5、提供了舒适的操作环境和友好的人机界面。2 交直交变流器的原理和需求分析2.1 交直交变流器的工作原理交直交变流器用于电力机车空调电源的供电，它主要由整流模块，滤波模块，直流斩波升压模块，推挽模块，逆变模块等模块组成。它用于将单相交流220V电源首先整流成直流电源，通过储能模块和直流斩波模块后将电压抬升，然后通过三相IGBT双臂桥电路进行逆变，经过滤波器滤波后向空调机组供电。交直交变流器的原理框图如下：图1 交直交变流器原理图2.2 测试台的技术需求分析由于机车内负载的情况比较恶劣，容易导致交直交变流器出现故障。维护人员进行修理后需要对产品进行测试，为了保证产品检修后的可靠性，方便快捷地查找故障
6、，避免设备的反复拆卸和减少误诊断，用于地面测试的测试台根据客户的需求进行了设计。该测试台能够根据运装技验（2001）277号文件的要求在地面模拟各种供电模式下，对变流器进行各种特性测试。它能够对变流器在以下几种模式供电：过压(275V)，高压(250V)，常压(220V)，低压(185V)和欠压(165V)。在控制电压处于85V130V之间波动时，逆变器能够稳定工作。同时测试台能提供模拟负载对变流器的输出能力进行检测。另外根据要求还需要模拟在负载不平衡的情况下能够检察电源的供电能力。为了减少逻辑电路设计的规模，同时提高系统的数字化水平，测试台采用了PLC+上位机的控制系统。PLC实现电气的常规
7、控制和数据采集，上位机进行数据的存储，数据显示和示波，报表生成及向操作人员提供操作指导。由于客户的喜好原因，在测试台的操作面板中还保留了传统的数字仪表进行显示。3 系统详细设计3.1 操作台的结构设计操作台根据人体学原理按照合适的高度比例和视觉角度以及操作的便捷性进行设计，设备和操作界面按照功能组进行划分，操作集中的原则进行排布，确保操作人员的操作简便快捷。操作台的内部充分考虑设备的排布的合理性和美观性，方便安装和维护，并且考虑好设备的散热和EMC要求。产品外观图如下：图2 测试台外观图3.2 硬件电路的设计3.2.1 输入电源设计由于需要向变流器提供交流电源和直流控制电,考虑到维护车间内网压
8、德波动情况，为测试台定制了一台多抽头干式电力变压器，该变压器的输入为AC380V，输出为AC 285/255/220/165/135V，额定容量为10KVA。通过PLC控制多个交流接触器从变压器的输出向变流器供电。由于变流器的控制电源为DC110V，采用了一个AC220V/DC110V可调节电源。为了给PLC和各种仪表以及接触器进行供电，采用了一个DC110/DC24V的5A开关电源。输入电源部分电路图如下：图3 输入电源电路示意图3.2.2 控制电路设计本测试台的控制部分主要由PLC控制5个交流接触器实现不同电压的切换，并且通过PLC的模拟输入模块采集数字电压表的模拟输出进行数据的纪录。控制
9、电路中还为三相输出配备了三相单控断路器，用以实现模拟负载三相不平衡的条件。根据控制触电的规模以及通讯的需要，PLC选择了西门子S7200系列的S7-222CN小型产品，它CPU模块自带的8DI/6DO就能够满足开关量的需求，并根据模拟量的数目选择了3块EM231四模拟输入的模块。控制电路图如下：图4 PLC的配置接线图3.2.3 测量电路的设计由于需要对变流器的输入电压，输出电压，输出电流及频率进行监测，而客户又要求提供传统的数字仪表，因此选择了24V供电，自带传感器且具有420mA输出的可自校正智能数字仪表。数字仪表的输入接变流器的各个测试点，输出点连接到PLC的模拟量输入模块。3.2.4
10、系统的抗干扰设计考虑到现场的恶劣电磁干扰环境，上下位机之间RS485进行通讯，RS485电缆采用带屏蔽单端接地的方式，电缆的长度控制在5米以内，可以有效抑制现场由变压器及逆变器工作带来的强电磁辐射带来的干扰。所有信号线统一接地。3.2.5 模拟负载的设计为了消耗变流器产生的能量，并且按照比较恶劣的情况下考核变流器的带载能力，模拟机车空调机组的负载是按照机组的额定负载的1.5倍进行模拟。由于空调机组具有压缩机，室外通风风机，室内通风风机以及电加热器等负载，模拟负载也分为四种类型。所采用的三相阻性附载按照星形接法连接。模拟负载柜设计为单独的柜体，与测试台通过机车电缆连接，电缆双端采用便捷的铁路专用
11、连接器与两个柜体相连。为了给模拟负载散热，负载柜采用底部进风，顶部抽风的散热设计。为了给操作人员直观的感觉，在负载柜给每种负载也设计了模拟指针式电流表。同时为了模拟负载缺相，在负载柜还设计有三相单断断路器。产品外观如下：图5电气负载柜外观图3.3 软件设计系统的软件结构采用下位机（PLC）+上位机（PC）的模式，下位机完成数据的采集，滤波以及电气的控制，上位机采用虚拟仪器技术，完成数据的处理，存储，提供人机交互界面以及提供操作指导。上下位机之间通过RS485全双工握手协议进行通讯。3.3.1 PLC控制程序的设计PLC需要完成变压器电压的转换工作以及各种模拟量的采集，以及电路的保护功能，系统的
12、控制框图如下：图6 PLC程序框图3.3.2 通信程序的设计上位机通信接口部分采用VB语言来编写，采用MSComm控件进行串行通信。在编程过程中只要设置MSComm控件的属性就可以实现串行通信。重新定义好控件的属性CommPort(传输数据的通信端口号)、Settings(设置数据传输的波特率、奇偶校验、数据位以及停止位，注意，此参数一定要与PLC通信程中设置的参数相一致)、PortOpen(设置通信端口的状态)、InputMode(读取接收缓冲区的格式)等。为减少丢失数据的现象，在程序初始化串口以后，程序为串口设立一个定时器，利用该定时器定时检查串口状态，如果有数据则开始接收处理，否则该定时
13、器消息无处理。为避免出现在数据处理未结束时下一个定时器消息可能发生的现象，除了加大定时器间隔，我们把程序设置为在发现有数据时关闭定时器，在数据接受完再打开。上位工控机是主机，PLC为从机，所以只有上位工控机才有权主动发送请求报文(Request Message，或称请求帧。)PLC收到后返回响应报文。上位工控机发送报文的格式如图2所示:图7 发送报文的格式3.3.3 上位机的程序设计上位机采用VB进行界面设计，采用ACCESS作为软件的数据库，它的功能包括与下位机的通讯，对数据进行平滑滤波处理，利用虚拟仪器技术显示各种开关量和模拟量，还可以动态示波，并提供操作指导界面，引导用户逐步完成测试过程
14、。对于测试的每一个过程的数据进行记录，可以自动生成报表。系统还提供显示报警，并记录自开始到测试结束期间的过程数据，并提供历史检索工具，以数值和波形的形势再现历史数据。系统的主界面如下：图8 虚拟仪器界面图系统的功能框图如下：图9 数据采集系统功能框图4 总结该测试台综合利用PLC技术，串口通讯，虚拟仪器技术等，实现空调电源的检测，规范了测试流程，并使得检修数据有据可查，整体提高了测试的水平。该产品用于山西大同湖东机务段，获得客户好评，并通过铁道部2007年科技查新3等奖。5 参考文献1） S7200硬件手册西门子自动化驱动产品样本2） PLC分析与设计应用，周万珍，高鸿，电子工业出版社3） 电力电子变流技术，王兆安，机械工业出版社4）Visual Basic 6中文版循序渐进教程, 微软，北京希望出版社5）运装技验（2001）277号文件铁道部文件
