高压电容器充放电参数采集装置设计

费晓峰

（日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡 214112）

目前一些高压电容器在放电时可以产生峰值功率高达100 MW 的高功率微波，这种微波含有极高的能量，在医疗、军事、工业等领域有着广泛应用。例如，医疗领域的前沿学科——生物医学电磁学，就是利用高压电容器放电产生的电磁场诊断和治疗各种疾病。高压电容器在实际应用中，不仅要做到快速充电，更重要的是灵活、精准地控制放电，确保电容器的安全使用。在这一背景下，设计一种高压电容器充放电参数采集与控制装置具有重要的应用价值。

1 高压电容器充放电参数采集装置的设计思路

1.1 总体设计方案

本装置主要用于高压电容器充放电参数的采集，所得数据经过后续的处理、分析后，计算机可以智能评估高压电容器的运行状态，并将实测的电压、电流值与预期值进行对比，从而为下一步充放电的自动调控提供依据。该参数采集装置主要由3 部分组成，分别是人机交互触摸屏、控制元件PLC 及前端电信号采集模块。该装置分别连接高压电容器的充电端和放电端，从而实现对电流、电压信号的实时采集，装置的结构组成如图1 所示。

图1 装置设计方案

其中，充电控制电路连接高频恒流充电电源，为电容器组供电，技术人员可以通过上位机的人机交互界面，自定义充电电压值，设定充电时间，然后下达充电指令开始充电；放电控制电路由PLC 控制，通过提前编写控制程序，实现对放电时间、放电次数的自动控制。

1.2 采集监控设备的选择

该装置的采集监控设备分为2 部分。其一是前端传感器。其作用是实时获取高压电容器组的运行参数。如果选择电流传感器，则主要采集电容器组的电流信号。其二是上位机触摸屏。由于采集到的电流信号无法直观地展示电容器的运行情况，因此需要借助上位机触摸屏将数字信号转化成虚拟信号，并且通过触摸屏直观地展示充放电变化曲线。这样一来，设备管理人员就能通过触摸屏实时监控整个充放电过程；另外，设备管理人员还可以根据高压电容器的出厂设置、运行环境等，设定一个安全阈值。如果采集到的实时数据超出了安全阈值的范围，则该装置还会自动进行蜂鸣报警，提醒设备管理人员及时处理故障。

1.3 储能电容器的选择

科学选择储能电容器对提高充放电数据的准确性有一定帮助。对于独立安装的高压电容器来说，通常具有体积偏小、电容值不高等特点。因此在实际的电力系统建设中，通常会选择将多个电容器串并联的方式，组成一个具有一定规模的电容器组，从而达到提高电容器耐压值、电容值的效果。常见的电容器组有“12 并4 串”“8 并2串”等。为了保证储能电容器组的稳定运行，在电容器的选型上应注意以下两点：一是同一电容器组中串并联的电容器，尽量选择相同型号，这样可以提高相互之间的兼容性；二是连接电容器的导线尽量选择过流能力较强的粗导线，通过增大导体横截面积来降低电感应，避免电容器组在频繁的充放电后出现振荡。

2 可编程逻辑控制器的选型

可编程逻辑控制器（PLC）作为一种常用的工业微处理器，可通过编程语言完成多种控制功能。根据结构组成的不同，可以将PLC 分成整体式、组合式2 种基本形式。在高压电容器充放电参数采集装置的设计中，出于安装成本、运行环境等方面的考虑，本文选择了整体式PLC。这种PLC 的主要特点是将多个功能模块及其连接电路均封装在一个密闭空间内，形成微型主机。利用主机的USB 接口可以实现供电、烧录程序等功能。整体式PLC 不仅体积更小，而且封装之后相当于为内部PLC 和电路提供了保护，因此即便是在恶劣环境下也能保持稳定运行。

2.1 西门子S7-200CN 型PLC 的技术规范

目前市场上常见的PLC 类型有多种，本文选择西门子S7-200CN 型PLC 作为高压电容器充放电参数采集装置的核心单元。其可以支持7-Micro、WIN4.0 等版本的编程软件在线编程，内置2 个通信接口，4 个中断输入，以及2 个模拟量I/O 口。最大可扩展的模拟量输入/输出点数为38，可直接连接的扩展模块数为7，程序存储器最大容量16384B。从结构上来看，主要包括CPU、存储器和输入/输出单元等，具体结构如图2 所示。

图2 西门子S7-200CN 型PLC 的结构组成

在电容器的充放电参数采集中，前端装置采集到的信号经过输入接口传入到PLC 中，经过一系列的变换和处理后，再由输出接口发送控制信号。这些信号、指令经通信单元到达前端执行器件，实现对现场电容器充放电的自动化控制。

2.2 西门子S7-200CN 型PLC 的工作方式

PLC 通过周期循环扫描的工作方式运行。正常上电后，PLC 有2 种工作状态，分别是RUN（运行）状态、STOP（停止）状态。如果用户想要重新设置PLC 的功能，或者编辑、下达一些控制指令，需要手动调整PLC的工作状态为“STOP”，在设置完毕后再将工作状态切换至“RUN”。在“RUN”状态下，PLC 以周期循环扫描的方式，运行用户编写的程序或者下达的指令，从而确保既定控制功能的顺利实现。PLC 在2 种状态下的周期循环扫描流程如图3 所示。

根据图3 可知。PLC 的“RUN”工作状态实际上包含了“STOP”状态，因此本文只简单分析“RUN”状态的循环扫描工作方式。PLC 成功上电以后，首先进行内部处理，主要包括进行I/O 口的复位检查、中央处理器的自诊断等，判断系统一切正常后，执行下一个程序；如果自检中发现问题，则显示错误的具体类型、发生位置，并将错误信息反馈给设备管理人员，以便于检查、维修。进入通信服务环节后，PLC 的通信单元会正常接收从前端数据采集装置、编程器等发送过来的数据、程序、命令，然后按照相应的类别进行存储。处理完毕后，还要显示处理结果，例如数据的存储位置，程序的执行情况等。之后PLC 开始对传感器传送的数据进行计算、分析，并将程序执行结果输出到状态寄存器中。由于PLC 采用周期循环扫描工作方式，因此每完成一个运行周期，会刷新一次输出结果，这样就能实现对电容器充放电情况的实时、动态监控。

图3 PLC 循环扫描工作方式

3 触摸屏的选型

3.1 触摸屏的工作原理

该采集装置的触摸屏由两部分构成，分别是触摸检测部分和触摸屏控制部分。当然，在实际安装和应用时，可以用鼠标、键盘组合代替触摸屏，也能完成信息输入。其中，触摸屏检测部分本质上可以看作是定位装置，可以检测用户触摸的具体位置，然后将该位置对应的信号发送给触摸屏控制器。控制器分析触摸位置信号，将模拟信号转化成数字信号后，传递给CPU 进行处理。CPU 在识别信息后，了解用户的操作意图，然后作出响应，实现人机交互。

3.2 触摸屏的选择

在充放电参数采集装置的设计中，触摸屏的合理选择也是一项重要内容。根据安装位置、实现功能的不同，对触摸屏各项参数（如分辨率、画面数等）的要求也存在明显差异。本文列举了4 种常用触摸屏的基本参数，见表1。

表1 4 种常见触摸屏的综合比较

在上位机监控设备的设计中，选择西门子700IE型电容式触摸屏，人机界面采用一体化设计，监控视频可以在触摸屏上实时展示，方便管理人员及时掌握现场电容器组的运行工况。另外，该触摸屏还可以显示被控制对象的各项详细参数，并且支持管理人员通过触屏操作，查看不同类型的监控信息。在充放电参数采集监控系统的设计中，选择了西门子Smart 型表面声波触摸屏，供电电源24 V DC（直流稳压电源），以太网接口100 Mb/s，支持掉电保持，掉电保持容量256 MB。

触摸屏与控制中心之间采用RS485 端口通信，可同时满足前端数据反馈和终端指令下达的需要。由于RS485 端口在数据传输时，采用的是差分传输模式，从而有效避免了信道堵塞、响应延迟的问题。另外，考虑到高压电容器与监控中心之间的距离较远，使用RS485 端口通信还可以解决信号长距离传输中被噪声干扰的问题，对提高信号质量也有一定帮助。

4 系统充放电电路设计

4.1 电路系统组成

该装置的核心功能是收集充放电参数，然后方便对高压电容器充放电过程的定时与定压控制，这样既可以保证高压电容器所在的电路系统可以实现稳定运行，同时也能为检修工作的安全开展创造良好条件。在实际中，经常会出现多台高压电容器串并联的情况，因此充放电电路也比较复杂。本文为了研究方便，对充放电电路进行了简化，其结构如图4 所示。

由图4 可知，充放电电路整体上采用闭环控制，用户需要在上位机的触摸屏上输入电容器放电或充电的电压值，在触摸屏上点击“确认”后将该控制指令传递到前端的执行单元，开始进行电容器的放电、充电。当高压电容器正常充/放电时，电压检测电路也同步启动，并且以特定的频率采集电容器两侧的电压值。采集到的数值同步上传到上位机，由上位机将采集到的实际值与预设值进行对比，判断电容器的充电或放电是否达到了设定要求。只要“实际值小于预设值”，则维持当前的充电或放电状态；直到最新采集的数据显示“实际值等于预设值”，则自动停止电容器的充电或放电。在该系统的设计中，选择了高频脉冲式恒流充电电源为电路供电，可以保证稳定、持续供电，支持短时间内频繁的充放电，对提高控制结果的精确性有积极效果。

图4 电路系统组成结构图

4.2 电路参数设计

在充放电电路的设计中，放电线圈的电感值（L）、电阻值（R），以及电容器组的电容值（C）等参数，都会对充放电参数采集装置的实际运行效果产生直接影响。根据以往的经验可知，在电容器充放电控制系统中，减小回路导线的电阻、降低回路开关的电感等措施，都可以直接影响到充放电控制结果的精确度。需要注意的是，在这些电路参数中，有些参数（如放电线圈的电阻值）是可以借助于测量仪器进行直接测量的，还有一些参数（如放电回路的电感值）无法直接测得，只能通过仿真实验进行估测。为了使电路参数尽可能的精确，还需要设计系统电路并进行求解。这里以电容电压（uc）为例，其求解过程如下。

假设某高压电容器充放电电路中需要充入电压U0，此时测量放电回路的电阻值为R，电感值为L，完全放电状态下测得电容器的电容值为C。当电容器与放电线圈并联回路中的开关断开时，该电路的放电过程符合二阶电路的零输入响应，故满足以下等式

式中：uR表示放电回路总电压，uL表示电容器并联电路电压，两者的计算式为

式（2）中：i 表示线圈脉冲放电电流。将式（2）和式（3）求和后即可计算出电容器充放电系统中电容电压（uc）的值。

5 结束语

高压电容器由于自身的电容量较大，使得充放电周期变长、控制难度较大。在电子信息技术和自动化控制技术的发展下，设计和使用一种可以智能控制电容器充放电的装置，无论是保障高压电容器的使用安全，还是对于体现控制的自动化、人性化均有积极帮助。本文设计的一种以PLC 作为中心控制单元，同时融合了触摸屏技术、信号采集技术的充放电参数采集装置，可以实现对高压电容器组充放电参数的实时监控、精准测量。在此基础上由计算机对比当前实际电容量与预期电容量之间的差距，然后生成充电、放电指令，实现对充放电的自动控制，以便于更好地发挥高压电容器组的使用价值。