1、 内蒙古科技大学 本科生毕业设计 说明书 （ 毕业 论文） 题 目： 变压器冷却系统 设计 学生姓名： 郝燕杰 学 号： 200540501310 专 业： 自动化 班 级： 自 05-3 班 指导教师： 王臣 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） I 变压器冷却系统 设计 摘 要 对于现在电厂中运行的电力变压器冷却控制系统中存在的自动化程度不高、电气控制中存在的可靠性低、故障率高、控制误差大等故障以及冷却中无法达到节能这一问题，本文提出并研制了一种新型的变压器强迫油循环风冷控制装置。 系统以西门子 S7 200（ CPU224）型 PLC 作为 控制器，并控制西门子 MM430变频器拖动
2、风机和油泵电机，以此构建了变压器冷却控制系统；系统以变压器顶层油温为被控量，提出了 PLC 检测 变频控制风机的变频器的工频信号是否到达以控制是否投入其他风扇电动机，通过检测 变频控制风机的变频器的 0 频 信号是否到达以控制是否切出 其他风扇电动机 的控制策略；此外装置还具有故障定位，报警显示等功能。此外，变频器的使用 使冷却系统能够跟随温度的变化连续平滑调整 ,有利于变压器的安全运行。 关键词： 变压器； 冷却控制系统；可编程序控制器；变频器；负反馈控制 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） II The design of Transformer cooling system Abs
3、tract Nowadays, the power transformer cooling system which is running in electric power plant exists numerous problems , for instance, the low degree of automation, the low reliability, high failure rate in electrical control, the large control errors, as well as energy-inefficient cooling control ,
4、 all the thorny issues mentioned above can not meet the modern control requirements , this dissertation proposed and developed a new type of system called forcing transformer oil circulation and cooling by air system. This system used Siemens S7-200(CPU224)-based PLC as the controller, moreover, it
5、also controlled Siemens MM430 frequency converter to drag fan and pump motor, which could be regarded as building a transformer cooling control system. This system considered the top-level temperature of transformer oil as controlled variable, the dissertation simultaneously put forward the control
6、strategy that letting PLC detect industrial frequency access signal coming from the frequency converter which drag fan motor in order to control whether or not putting into operation of other fan motors; next, letting PLC detect zero frequency access signal coming from the frequency converter which
7、drag fan motor in order to control whether or not ceasing other fan motors; in addition , the system comprised the function of fault location and alarm display. Last, the utilization of frequency convertor can make the cooling system always keep pace with changes of temperature for a smooth adjustme
8、nt, which is conducive to the safe operation of the transformer. Key words: Transformer; Cooling control system; PLC; Frequency converter; Negative feedback control 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） III 目录 摘 要 .I Abstract . II 目录 . III 第一章 引言 . 1 1.1 电厂变压器冷却系统设计背景 . 1 1.2 系统的工艺流程及冷却装置简介 . 2 1.2.1 变压器散热方式 . 2 1.2
9、.2 变压器冷却原理 . 3 1.2.3.冷却系统简介 . 3 1.3 冷却系统的技术目标 . 5 1.4 本章小节 . 5 第二章 系统的控制方法和方案设计 . 7 2.1 电力变压器运行 规程中关于冷却控制的规定 . 7 2.1.1 对变压器的冷却装置的要求 . 7 2.1.2 变压器温度限值 . 7 2.1.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件 . 7 2.2 变压器油温自动控制的控制方法 . 8 2.2.1 综合投、切控制策略 . 8 2.2.2 PLC 变频控制的基本原理 . 9 2.2.3 PLC 变频控制的 PID 参数整定 . 9 2.2.4 变压器冷却 自动控制系统框图 . 1
10、2 2.3 系统组成 . 13 2.4 本章小结 . 15 第三章 冷却控制装置的硬件设计 . 16 3.1 开关器件的选择 . 16 3.1.1 继电器的选择 . 16 3.1.2 接触器的选择 . 16 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） IV 3.1.3 热继电器的选择 . 17 3.1.4 熔断器的选择 . 18 3.2 电动机的选择 . 19 3.3 PLC 的介绍及选型 . 20 3.3.1 PLC 的简介 . 20 3.3.2 可编程序控制器的输入输出 . 22 3.3.3 可编程序控制器的选择 . 24 3.3.4 可编程控制器电源的设计 . 26 3.4 变频器的介绍及
11、选型 . 28 3.4.1 变频器的介绍 . 28 3.4.2 变频器的分类 . 28 3.4.3 变频器的控制方式 . 31 3.4.4 变频器的选择 . 32 3.4.5 变频器参数的设置 . 34 3.5 检 测装置的选择 . 38 3.6 装置电气连接 . 39 3.6.1 油泵电机电路图 . 39 3.6.2 2-6 号风扇电动机电路图 . 40 3.6.3 一号风机电路图 . 41 3.6.4 手自动控制选择和控制电路 . 42 3.6.5 PLC 引脚接线图 . 43 3.6.6 系统总电路图 . 44 3.7 本章小节 . 45 第四章 软件设计 . 46 4.1 程序流程 .
12、 46 4.2 本系统子程序介绍 . 47 4.2.1 系统状态及 PID 初始化子程序 . 47 4.2.2 油泵电机 控制程序 . 47 4.2.3 1 号风机变频启动程序 . 47 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） V 4.2.4 2-6 号风机投入控制程序 . 47 4.2.5 2-6 号风机切出控制程序 . 47 4.2.6 故障诊断与报警程序 . 47 4.3 本章小节 . 48 结束语 . 49 参 考 文 献 . 50 附 录 . 52 致 谢 . 65 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章 引言 1.1 电厂变压器冷却系统设计背景 在电厂输变电系统当中
13、，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中存在着损耗，一种是空载损耗，它与负荷大小无关；另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器负荷大小的变化，将引起热功率也发生变化，而变压器 运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。 传统的控制方法是根据变压器顶层油温及负荷电流的变化采用传统的电磁型继电器控制交流接触器进行分组投切控制 ,达到散热的目的 ,运行实践表明这种传统的控制系统存在着许多缺陷 : 1现行的变压器冷却系
14、统控制回路设计有缺陷； 2变压器负荷变化时由温度继电器启动电磁型开关控制引起冷却器组频繁启停 ,开关故障率较高； 3.冷却器组容量不能随温度及负 荷电流的变化连续平滑调整 ,几组冷却器组同时投入时易产生油流冲击 ,并且变压器油较高速流动易产生油流带电 ,容易形成变压器内部故障隐患 ,影响其安全、稳定运行； 4.冷却器组噪声较大； 5.自动化水平较低； 6.所有冷却风机和油泵电机均在工频状态下运行，无法实现节能，使冷却成本变高。 上述问题严重地影响了变压器的可靠运行，降低了变压器的正常冷却效率和使用寿命，已不适应于现如今电网的发展。鉴于以上分析 ,本文提出了一种基于可编程控制器为控制核心实现运算
15、、逻辑功能控制，以变频器为节能设备的智能化的冷却器控制系统 ,可使变 压器的损耗与散热功率达到一种平衡关系 ,实现变压器冷却系统的最优控制。 PLC 控制系统作为一种现代工业新型控制系统，其主要核心控件 PLC 具有以内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 下优点： 1.可靠性高，抗干扰能力强 ； 2.适用性强 ，应用灵活； 3.编程方便，易于使用； 4.维护方便 ，维修 工作量小 ； 5.控制系统设计，安装，调试方便； 6.功能完善。 此外，随着电力电子技术的发展，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动
16、生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度 、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。变频器的主要优点为： 1变频调速的节能； 2变频调速在电动机运行方面的优势； 3能有效的提高工艺水平。 综上所述，采用 PLC 和变频器配合使用的控制方法对变压器冷却装置的控制，可以实现对变压器油温的精确控制，而控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，提高了装置本身的可靠性，此外还进一步完善了对冷却器的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命，对变压器及电网安全、可靠运行有重要意义和实用价值。 1.2 系统的工艺流程及冷却装置
17、简介 1.2.1 变压器散热方式 变压器散热过程中常遇到的不是单一的传热方式 ,而是变压器油流过铁芯表面、变压器油流过冷却器箱体内表面、空气流过冷却器箱体外表面时发生的对流、热传导和热辐射联合作用的传热过程。 热传导是物体不发生相对移动，从高温物体到低温物体之间的热量传递，单纯的热传导现象只有在密实的固体中才能观察到。热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。只要绝对温度不为零度(0 K),物体都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量 ,同时又不断地吸收来自内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 外界物体的辐射能 ,当物体向外界辐射的能量与从外界吸收的辐射
18、能不相等时 ,该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。 1.2.2 变压器冷却原理 变压器运行中绕组和铁芯产生的损耗转变为热量通过热对流、热传导和热辐射使变压器油温升高，变压器油上升进入散热器，形成变压器油的自然对流；强迫油循环冷却器中潜油泵的作用就是加速变压器油的流动，强制变压器油对流，加速热对流，在变压器油对流给热过程中同时发生着热传导和热辐射。变压器箱壁内侧热量从变压器油中以热对流、热传导和 热辐射的形式传给冷却器 。变压器箱壁外侧 热量从箱壁以热对流、热传导和热辐射的形式传给空气，同时风扇吹风强迫空气流动，加速热对流。变压器散热如图 1.1 所示： 图 1.1 变压器散热
19、过程示意图 1.2.3.冷却系统简介 冷却系统是变压器的重要组成部分，它的工作保证了变压器各部分的温度保持在规定值以内。强迫油循环风冷却系统由风冷却器和风冷控制控制装置两部分组成，下面对冷却系统风冷却器的工作原理进行分析和介绍，而对于风冷控制装置将在第三章中进行分析和介绍： 变压器的风冷却器包括两部分：内部冷却系统，它保证绕组、铁 芯的热散入油中；外部冷 却系统，它保证油的热散入 周围介质中。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 由于大型变压器采用油自然循环冷却系统不能满足散热的要求，故采用强迫油循环的冷却系统。强迫油循环风冷却器（简称风冷却器）与油自然循环风冷却器的主要区别是采用潜油泵强迫油进行循环，这样油流速度加快，冷却效率得以提高。 风冷却器的总体结构如图 1.2 所示： 图 1.2 风冷却器的总体结构 风冷却器的工作过程是潜油泵把变压器顶层高温油送入冷却管内几次折流后，热量就传给冷却管壁，再由管壁向空气放出热量。与此同时，在空气侧，由
