PLC硬件设计Word格式文档下载.docx
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交流采样部分为电流互感器对交流信号进行采样并起到隔离保护的作用，将高的交流电压转变为低交流电压信号，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。
这一直流信号在比较回路中与设定好的整定值进行比较，然后将其信号输入模拟电子开关的控制端，模拟开关的输入输出端与PLC连接。
7.1互感回路部分
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。
根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情况。
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，再经过变流器把小电流小电压变为我们所需的电流电压，从而使控制回路得以安全，稳定，可靠地运行。
以下将对互感器，变送器分别加以介绍。
7.1.1电流互感器
结构特点：
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。
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，按照额定电流等级选用。
如果一次电流不能按照规定的这些等级选用时，可以根据保护回路和测量回路的变比要求不同时，可采用二次绕组带抽头电流互感器。
也可以改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。
对新建发电厂和变电所有条件时，宜选用1A。
如有利于互感器安装或扩建工程原有TA为5A时，及某些情况下为降低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根据需要选用2.5、5、7.5、10、15、20、30VA。
在某些特殊情况下，也可选用更大的额定值。
电流互感器的负荷通常有两部分组成：
一部分是所连接的测量仪表或保护装置；
另一部分是连接导线。
计算电流互感器的负荷时应注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分量和互感器剩磁的暂态影响，应根据所在系统暂态问题的严重程度、所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素来合理考虑。
如果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.电流互感器的使用注意事项：
（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须接地。
（3）电流互感器在连接时要注意端子极性。
在使用电流互感器时一定要注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：
电压互感器的基本结构特点：
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.电压互感器的使用注意事项：
（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须接地。
（3）在连接时应注意其端子极性。
7.1.3变送器
10KV线路通过电流互感器后，得到0～5A的标准小电流，而我们需要的是0～5V低电压，所以必须在电流互感器与电流采集电路之间设置一个接口元件，将0～5A的大电流变为控制回路能接受小电压。
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：
本产品采用电磁感应原理，对电网中的交直流电流进行实时测量，采用精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，具有过载能力强、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；
高可靠，高精度；
优良的抗磁场干扰能力；
优异的长期稳定性、无积累误差；
安装，接线方便。
3.使用说明：
（1）引脚定义：
+—辅助电源正，
-—辅助电源负GND—辅助电源地，
OUT—跟踪输出；
（2）在输入按箭头方向流动时，获得正向电压输出；
（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佳精度（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
0-5V
4-20mA
输出负载
≤300Ω
辅助电源
+12V
环境条件
-25～+70℃
7.2整流部分
我们经交流采样回路设计，得到了一个0～5V的小交流电压。
然而在控制回路中，我们需要的不仅是小的电压信号，而且是直流电压信号。
因此必须设计一套整流回路。
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，构成输出单一方向电流的电力变换电路，从而将输入的0～5V交流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。
在此设计电路中采用全波整流电路，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图所示。
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
图7-3单相桥式整流电路的画法
1.工作原理
设变压器
，U2为其有效值。
（1）当u2为正半周时，D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流由A点流出，方向如图所示。
uO=u2，D2和D4管承受的反向电压为-u2。
在负载电阻上得到正弦波的正半周；
（2）当u2为负半周时，D2和D4管导通，D1和D3管截止，电流由B点流出，方向如图所示。
uO=-u2，D1和D3管承受的反向电压为u2。
在负载电阻上得到正弦波的负半周。
由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过，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）
结论：
在输入电压相同的情况下，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）
在输入电压相同的情况下，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）
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，选择最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR分别为
（7-8）
（7-9）
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滤波部分
交流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，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；
放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。
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，正好可以用来承担滤波的任务。
滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、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路及稳态时的波形分析
当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。
当uC>
u2，导致D1和D3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u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；
下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降；
放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。
RL、C对充放电的影响
电容充电时间常数为RDC，因为二极管的RD很小，所以充电时间常数小，充电速度快；
RLC为放电时间常数，因为RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，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，如图所示：
图7-5RLC不同时的Uo波形
显然，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，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。
通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量。
7.3.2RC-π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,都体积大，笨重且易引起电磁干扰的电感,因此在负载电流不大的情况下,可用电阻R代替L.图7.5为RC-π型滤波器,其整流输出电压先经电容C1滤波,再经R\C2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
UL=UL（AV）=
UC1（AV）=
UC1（7-10）
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-π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。
7.3.3电感滤波器（InductanceFilter）
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7.7（a）所示.由于电感L的交流感越大,直流干抗为零,当电流变化时,L产生反电势以阻止其变化,因此输出电压UL中的纹波大大减小,UL就比较平滑.当忽略L的损耗电阻时,L上的直流压降为零,输出直流电压UL（即UL（AV））与整流电路的UL（AV）相同,即UL=UL（AV）=0.9U2。
因此,UL与L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RL越小（或输出直流电流越大）,电感滤波器的输出纹波越小,当ωL>
>
RL时,输出纹波近视为零.
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,因此带负载能力强.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、整流滤波后交流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器进行整定。
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
比较回路我们采用电压比较器，比较器由一个放大器与几个电阻构成。
根据对电阻选取参数不同获得不同的基准电压值。
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许多应用电路，还可直接用作各种逻辑电路及其他低压系统的接口电路。
LM324的特点：
1.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.共模范围扩展到负电源；
8.行业标准的引脚排列；
9.输入端具有静电保护功能。
图7-9LM324管脚图
LM324的应用电路：
应用电路图见图7-10.运放的Vi-通过电位器设以整流电压，在Vi+为输入电压，在输出端加一单相整流二极管。
如果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，在集成电路内有4个独立的能控制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（又称控制端），当选通端为高电平时，开关导通；
当选通端为低电平时，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,开关控制电压一般+5v--+12v
图7-11CD4066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输入端的连接相似，开关量输出端的连接也取决于输出电路结构。
当负载电源的类型及控制动作频率选择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。
连接时应引起注意的是：
1）负载电源类型交/直流任意或指定交流、直流；
2）负载电源幅值和极性要求；
3）负载容量及性质。
可编程序控制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，如果电源误用直流，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。
例如采用半导体元件作输出模块时，控制的负载为感性，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已在输出电路结构上考虑了保护电路，但从输出元件使用寿命和安全角度出发，仍应并接过电压吸收电路，以保护输出元件。
2.本设计输出通道包括控制断路器的分合闸和信号灯指示电路。
断路器的合分闸控制：
信号从PLC出来不能直接控制合分闸，需要经中间继电器驱动后才能控制。
信号指示灯控制：
信号灯直流24V通道就可控制。
第八章软件部分
软件部分即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）进行良好的结合,使保护范围尽可能的大.软件部分是根据硬件部分传过来的信号,调用相应的程序,完成相应的保护类型,它的输出信号控制断路器的通断.软件部分通过对PLC的编程设计选择合理的保护方法对线路进行保护,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。
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