CN101819430A - 高压变频器控制器故障信号处理系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种高压变频器控制器故障信号处理系统及其工作方法，所述系统包括变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、PLC、风机保护单元和电源系统，其中变压器柜的输入端接外部交流电源，变压器柜的输出端串接功率单元柜后通过控制光线与控制单元柜通信，PLC和风机保护单元分别与控制单元柜连接，电源系统给控制单元柜供电。所述方法先将故障分类为静态和动态故障后将静态故障分级。本发明系统稳定性高，同时在采用分级处理运行故障及静态故障后，系统的故障检测分类更加清楚，从而使调试更加方便。

Description

高压变频器控制器故障信号处理系统及其工作方法

技术领域

本发明一种实现高压变频器控制器对于故障处理的方法，目的是保证系统的稳定运行及故障检测，属于电子技术领域。

背景技术

高压变频调速系统作为高压电动机调速节能的一种手段，是必不可少的。目前变频器使用U/f＝C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式，其特点是控制电路结构简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在各个领域得到广泛应用。但是，由于高压变频器电压等级较高，不同于低压变频器，要使用功率单元串联的方式，目前市场上较长见的是6KV系统18个功率单元，10KV系统27个功率单元串联，系统的拓扑结构还不尽如人意，且系统结构复杂、控制曲线会随负载的变化而变化，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，故障率高等。而高压变频器(Highvoltage variable frequency drives，简称HVVFD)在石油化工、电力、冶金等应用场合对高压变频器的可靠性、稳定性提出了更高的要求，

系统控制器使用DSP(数字信号处理器)及相关控制元件协同分级处理系统的运行故障及静态故，系统整体拓扑如图1所示，控制器部分结构如图2所示。

控制单元与每台功率单元之间均采用了两根光纤进行连接和控制。它可以从操作面板，I/O接口或通信通道接收操作命令和给定信号，处理后输出电压、频率给定信号给三个相控单元，在那里转换成PWM控制信号，经电/光转换器转换成光信号，从光发送器端口发往各功率单元。来自功率单元的应答信息经光/电转换器转换成电信号，予处理后送主控制器集中处理。主控制器根据控制命令、给定信号及运行信息、应答信息进行运行控制、状态分析、故障诊断等运算，检测出故障后按故障性质进行故障处理，如封锁系统、高压跳闸等，并给出相应故障信号，还提供故障音响信号。

该处理方法的缺陷是增加了部分故障处理代码，由于系统可处于运行报警状态中，需要人工及时处理.

主控器包括控制箱及PLC模块，装于控制柜的中部及下部，模块外部接线端子。控制箱的主要部件有：

(1)、双DSP系统

其中一个主的管理控制、报警、通信等逻辑处理，另一个从的主要管理调节功能，两者通过一双口RAM芯片互访公共数据，其优点是硬件空间很大，运算速度很高，为提高软件功能提供了充足的硬件平台，外围设备接口比较容易，缺点是系统比较复杂。

面板上有RUN绿色指示灯，当上电正常、程序运行后灯就亮，否则就有故障。

(2)、接口电路

包含以下几部分：

1)模拟量输入

接受来自模拟量输入I/O模块的模入信号，送A/D变换芯片，这是±11位精度的，可以同时采入6路模拟量再逐个变换，保证了采入的6个模拟量的同时性，可以适于一些要求采样同时性较高的场合。变换后的数字量送CPU处理。

2)模拟量输出

接受来自CPU的数字信号，变换成模拟量送模拟量输出I/O模块输出，共有4路，精度±11位，电位隔离输出。

3)开关量输入及开关量输出

接受来自CPU板的数字信号，送开关量输出I/O模块，共有8路。继电器接点输出。面板上有模入、模出插头，通过对较扁平电与模块相连。面板上还有开关量输出指示灯。开关量输出则通过总线板上的端子与I/O模块相连。

(3)、相控板

其主要功能有正弦波参改电压波生成、三角载波生成、同点、PWM波生成、控制信号生成、调制等。分ABC相共计3块。

6KV系统每板6个对应接收各相6个功率单元的应答信号，予处理后送主CPU。别处，相控板还包括光发送/接收回路共6对，分别与各相6个功率单元的接收/发送回路相连。

(4)、PLC模块共有

模入模块一个，6路，其中两路为0-±10V/0-20ma可送；

模出模块一个，4路，0-±10V，电位隔离；

开入模块一个，共4×4＝16路，～110V输入；

开出模块一个，共2×4＝8路，继电器接点输入-24V/～220V。

6)、操作面板

装于柜门上，其上有指示灯指示运行状态，数码管显示运行数据或参数，键盘输入操作命令或显示修改参数。它通过电源与CPU板的X3操作面板接口相连。

从以上主控制器的构成来看，其系统构成较为复杂，容易出现一些电气干扰与不影响运行的局部故障，这些都要求系统的故障处理有一个合理化的方法。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种高压变频器控制器故障信号处理系统及其工作方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明高压变频器控制器故障信号处理系统，其特征在于包括变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、PLC、风机保护单元和电源系统，其中变压器柜的输入端接外部交流电源，变压器柜的输出端串接功率单元柜后通过控制光线与控制单元柜通信，PLC和风机保护单元分别与控制单元柜连接，电源系统给控制单元柜供电。

所述的高压变频器控制器故障信号处理系统，其特征在于所述控制单元柜包括双DSP系统、上位机、相控板模块、操作面板和接口电路，其中双DSP系统分别与上位机、相控板模块、操作面板和接口电路连接，相控板模块通过控制光线与功率单元柜连接。

所述的高压变频器控制器故障信号处理系统，其特征在于所述相控板模块由三相相控板构成。

高压变频器控制器故障信号处理系统的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、所有的电气故障FELEC由变压器过热故障TROVHF、高压合闸后柜门打开CUDOL、高压合闸后柜风跳闸封锁CUFON、辅助电源合AXON组成，均由PLC完成预处理，然后由控制光线通过MODBUS协议送至DSP统一处理；

(2)、功率单元柜中的功率单元光纤板处理功率部分的故障信号包括电源故障PSF、过压OVVF、流过OVCF1、过流OVCF2、无PWM脉冲NPWM、欠压UNVF、CPLD器件故障CPLD、控制通讯异常CCUA、无相控脉冲NOPF、IGBT不导通、NCOF1、IGBT不导通、NCOF2、备用5V电源1P5故障1P5A、缺相PHFA、电容异常COUA、单元过热OVTA、电压＜90％和DCLA，由相控板ABC相应处理后送到DSP控制器；

(3)、控制器类故障由器件类故障和通讯故障组成；其中器件由CPLD加看门狗电路完成检测；通讯类故障由DSP检测；

控制器故障将产生控制箱封锁(CBDIS)--PS_Fault.12信号，其逻辑关系式是：

CPU_CPLD故障+AD_CPLD故障+AD板电源故障＝控制箱封锁CBDIS。

本发明在6KV和10KV高压变频器在使用之后，系统的无故障运行时间由原来的5000小时上升至8000小时以上，平均无故障运行时间增加60％，大大提高了系统的稳定性。同时在采用分级处理运行故障及静态故障后，系统的故障检测分类更加清楚，从而使调试更加方便。

附图说明

图1：本发明整体结构图。

图2：本发明控制单元柜结构图。

图3：本发明方法流程图。

图4：电气故障(FELEC)。

图5：运行故障RUNFAULT。

图6：控制器故障将产生控制箱封锁(CBDIS)--PS_Fault.12信号的逻辑关系式功能图。

图7：DIS2功能图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

该处理方法的工作原理，流程如框图3所示.其工作方法如下：

1、高压变频器控制器的故障信号输入使用DSP(数字信号处理器)加PLC分布式故障控制的方法。

(1)、所有的电气故障(FELEC)，如图4所示，包括变压器过热故障TROVHF，高压合闸后柜门打开(CUDOL)，高压合闸后柜风跳闸封锁(CUFON)，辅助电源合(AXON)组成，均由PLC完成处理，然后由光纤总线通过MODBUS协议送至DSP统一处理。

(2)、功率单元光纤板处理其中的功率部分的故障信号包括电源故障PSF、过压OVVF，流过OVCF1，过流OVCF2，无PWM脉冲NPWM，欠压UNVF、CPLD器件故障CPLD，控制通讯异常CCUA，无相控脉冲NOPF，IGBT不导通，NCOF1、IGBT不导通，NCOF2，备用5V电源1P5故障1P5A，缺相PHFA，电容异常COUA，单元过热OVTA，电压＜90％，DCLA等16种。由相控板ABC相应处理后送到DSP控制器。

(3)、控制器类故障主要由器件类故障和通讯故障组成。其中器件由CPLD加看门狗电路完成检测。通讯类故障由DSP检测。

控制器故障将产生控制箱封锁(CBDIS)--PS_Fault.12信号，其逻辑关系式是：CPU_CPLD故障+AD_CPLD故障+AD板电源故障＝控制箱封锁(CBDIS)，功能图如图6所示。

基于系统是否运行来分别进行故障处理的方法，即系统包括非运行故障(静态故障)和运行故障.

(1)、静态故障处理部分(非运行)进行全部的故障处理，包括功率单元故障、电气故障，控制系统共三大类故障.

(2)、运行故障只处理其中的最重要故障，主要包括电源故障PSF、过压OVVF，过流OVCF1，过流OVCF2，无PWM脉冲NPWM，无相控脉冲NOPF，IGBT不导通，NCOF1、IGBT不导通，NCOF2，单元过热OVTA，输出短路OUTSCF，输出过流OOTOCF运行中跳高压等。

由系统反馈的电压、电流等模拟量值及开关量判断系统出现哪些故障及报警信号，并将相应运行故障RUN_Fault寄存器置1。

运行故障寄存器RUN_Fault各位定义：

D0：输出短路(OUTSCF)

D1：输出过流(OUTOCF)

D2：马达过热(MOVHF)

D5：输出电压异常故障(OUTVF)

D7：超速故障(OVSDF)

D8：堵转(BLOCF)

D9：变压器过热(TROVHF)

D10：功率单元平均直流欠压(DCLVF)

由于不同的运行环境所要求的故障门槛也不一梓，可以调节相应P参数来设置运行故障的参数：

参数号	内容	范围	出厂值	权限	备注
						P212	输出短路滤波时间常数	0～2.999(s)，0.1ms	0.01	10	在线
P213	输出短路故障门槛	0～200(％)	180	10	在线
						P215	输出过流滤波时间常数	0～3000(s)，0.1ms	20	10	在线
P216	输出过流故障门槛	0～200(％)	120	10	在线

参数号	内容	范围	出厂值	权限	备注
						P218	I2t滤波时间常数	0～3000(s)，0.1ms	600	10	在线
P219	马达过热警告门槛	0～200(％)	110	10	在线
						P220	马达过热故障门槛	0～200(％)	120	10	在线
P413	最小频率(给定频率限幅)	-200～0(％)	0	10	在线
						P415	最大频率(给定频率限幅)	0～200(％)	100	10	在线
P231	最高频率滤波时间常数	0～2.999(s)，0.1ms	0.16	10	在线
						P232	最低频率滤波时间常数	0～2.999(s)，0.1ms	0.16	10	在线
P233	最低频率故障门槛	0～200(％)	20	10	在线
						P234	最高频率故障门槛	0～200(％)	20	10	在线
P240	变压器过热故障延时时间	0～29.999(s)，0.8ms	5	10	在线
						P241	变压器过热警告延时时间	0～29.999(s)，0.8ms	5	10	在线
P242	直流欠压滤波时间常数	0～2.999(s)，0.1ms	0.08	10	在线
						P243	直流欠压门槛	0～200(％)	76	10	在线

根据P参数的门槛参数，根据以下变量即可根据图5得到运行故障RUNFAULT的结果。

K206：输出电流幅值I₀

K207：输出电压幅值U₀

K258：V/F调节器输出电压U_S ^*，判断输出电压异常故障

K252：频率信号f₀ ^*

K226：给定频率经过积分后的输出信号f_RG ^*，与K252比较，判断频率偏差是否过大

K026：.12变压器故障(TRHF).13变压器报警(TRHA)

K209：直流母线电压滤波后的值Udact，判断直流欠压故障

(3)、系统运行时仍可接收主要的静态故障，此时只把运行报警RUN_Alarm寄存器相应位置1。运行报警寄存器RUN_Alarm各位定义：

D0：马达过热(MOVHA)

D1：输出电压异常报警(OUTVA)

D3：频率偏差过大(OVOVA)

D4：变压器过热报警(TROVHA)

D5：单元静止信息故障(PUINHF)

D6：单元ON后信息错误(ON-PUEN)

D7：启动时无PF(ON-NOPF)

D8：启动时不导通(ONNOCOF)

D9：ON键时有F给定(ON PF)

DSP接收到所有故障后采用故障分级的方法进行信号处理。

(1)、DSP采用三级故障处理的办法对所有故障分类。其中的一级属于严重故障，运行时将导致系统停机。二级故障较轻不能影响系统的运行，但开机时不能对系统启动操作。三级属于报警类故障，只作为提示信息处理。

(2)、所有的电气类故障及运行故障等级最高，为一级故障。二三级故障是静态故障的一部分。另外，控制器中的通讯类故障属于一级故障。

(3)、一级故障产生系统事故封锁(DIS2)--ST_Pause.14信号，其逻辑关系式为：接通变流器(ON)&通信异常(RIA)+输出短路故障(OUTSCF)+输出过流故障(OUTOCF)+马达过热故障(MOVHF)+超速故障(OVSDF)+控制箱封锁(CBDIS)+系统跳闸(TRIP)＝系统事故封锁(DIS2)，DIS2功能图如图7所示：

当控制回路接通、正常、变压器柜、功率柜门关上，柜风机接通后，操作面板上“合闸”灯闪，表示允许高压合闸，同时有继电器接点输出“高压允许”去高压合闸联锁。高压合闸后，“合闸”灯持续亮，几秒钟后系统复位一次，如果功率单元都正常则“接通”灯闪，表示变频器接通就绪，可以接通。如果产生电气故障信号FELEC，则相应DIS2置位。

给出接通命令后，(如换操作面板上的键“ON”)，变频器接通，按设定的提升电压输出电压(直流)，运行起电流(直流)，操作面板上定子电压、定子电流有显示值。

此时频率给定f＊＝0，则允许加入给定。一旦加入f＊(例如从操作面，使参数P050＝10HZ)给定积分器缓慢输出f＊，并经V/F变换输出电压给定Us＊，在f＊和Us＊作用下，相控板发出相应的PWM控制脉冲，功率单元输出变频变压的交流电压，使电动机逐渐升速(例如到10HZ对应的转速)。

上述给定方式为安全方式，即接通时f＊必须为0，以防止接通后自动升速到以前设定的f＊，发生意想不到的事故。若接通时f＊存在，则给出运行警告。

根据现场需要也可能屏蔽安全方式，此时将参数P46＝1，在接通变频器运行起直流电流后自动接入原先设定的f＊，电动机可直接转起来。

停车时可以将f＊＝0，变频器输出的频率和电压按给定积分器斜率下降，当实际输出频率接近量时，给定积分器被封锁，实际频率f0＝0，但变频器流过直流电流。

也可以直接经“断开”命令(例如按操作面板上的键off)，监控器将f＊切除，给定积分器输出逐渐回量，当实际频率接近量时，给定积分器被封锁，实际频率f0＝0时，变频器被禁止，不在输出直流电流，处于断开状态。

如果接通断开过程中发生故障，则操作面板上“故障”灯亮或闪，此时表示运行故障，DSI2置位。

频率给定的给定积分器输入的频率给定f＊例如50HZ，须经过给定积分器绘出缓慢变化的输出频率f0，电机才能正常起动，给定积分器的设置参数有：

P401    加速时间        出厂设置30秒

P402    加速时间单位    0.1秒(通常不要改变)

P403    加速园角时间    3秒

P404    加速时间        300秒

P405    减速时间单位    0.1秒(通常不要改变)

P406    减速园角时间    3秒

过小的加速时间可能导致限流、过流、过小的减速时间可能导致功率单元过压，为运行故障，导致DIS2置位。

当P401要小于30秒或P404要小于300秒时，需先将P461或P462减小才能设置，它的出厂值分别为30和300，为P401和P404的下限值。这是为了调试中的安全。实际中要根据工况相应调节，避免产生运行故障。

泵和风机类机械由于其负出特性近似为M∝N×N，为减少调频低速运转时的励磁电流(也即无功功率)，变频器的V/F曲线通常设置为提升电压V0的近似

V∝f×f曲线。V0的大小决定了直流电流的大小，直接影响起动时的力矩。当机械的静阻力矩大时V0应增加，但过大的V0可能导致静止过流或低频时的谐波、电流振荡。本设计中V＝Af+Bf×f，A+B＝1其中A＝P458可设定。A影响低频时的力矩，A增大，低频时的力矩增大，但可能导致低频时的谐振、电流振荡。

由f＊决定的电压给定Us＊与P455的设置有关(正弦波参考电压幅值)，在输出交流电压未饱和的范围内，增加P455可使输出的电压比例地增加。通常在电动机额定频率空转时调节P455使电动机电压略高于额定输出电压。

由于输入电压会有波动，影响到功率单元的直流电压及输出交流电压，为补偿此波动，将电压给定Us＊+Vdc(功率单元平均直流电压)作实际电压给定。当输入电压增加时，Vdc比例增加，实际电压给定比例减少，输出交流电压基本不变。在样机上，当电源电压从+10％变到-5％时，输出交流电压变化＜1％。

变频器输出端经三串分压电阻分得每相输出电压送入差分放大器(在模入I/O模块上)即形成输出线电压Uab、Ubc，当输出6KV(有效值)时，送到差分放大器输入端的Uac、Ubc的峰值为5V，它对应于计算机中的100％。通过3/2变换等运算得出三相电压输出电压的幅值U0供显示用，设定相关显示参数P335，当P355＝6000时，额定电压将显示6000(V)，当设定P355＝100时，额定运行时显示100(％)。

设定电流限幅值P442(出厂值110％)，当输出电流幅值达到此值时使发生限流作用，频率很低时，限制电压给定，否则使限制频率给定使电流幅值不超过P442。转换频率可采用P448来设定，出厂值5％，各8.4为静止限流波形(f＝0)，各8.5为模拟试验中加载限流波形。实际运行调整相应参数，以避免产生过电流

的运行故障，导致系统停机。

根据系统运行的参数，功率单元发生过流、无相控脉冲、不导通等故障，由接收CPU收到信息，送至DSP产生相应运行故障。

当变频器输入高压停电时，经一段时间(约400～500ms)功率单元控制板电源异常动作，封锁IGBT，DIS2置位，最终功率单元封锁，电动机安全停车，但在模拟试验中看到，高压短时停电(≤0.3秒)，系统可能维持运行，输出减少，来电在恢复，以避免系统停机。

(4)、功率单元故障及保护

故障分为两大类，一是功率单元静态故障，由功率单元自行诊断后送主CPU处理、报警，二是运行故障，直接由功率控制主CPU控制、处理、报警。功率单元运行故障有：电源故障PSF、过压OVVF，流过OVCF1，过流OVCF2，无PWM脉冲NPWM，欠压UNVF、CPLD器件故障CPLD，控制通讯异常CCUA，无相控脉冲NOPF，IGBT不导通，NCOF1、IGBT不导通，NCOF2，备用5V电源1P5故障1P5A，缺相PHFA，电容异常COUA，单元过热OVTA，电压＜90％，DCLA等16种，功率单元的应答通道异常由DSP检测，以上均属于一级故障。

功率单元运行故障直接使DIS2置位，非运行时产生CPLD封锁(DIS)-ATM_Comda.6信号，逻辑式为：封锁变流器(DIS0)+系统事故封锁报警(DIS2)＝功率单元CPLD封锁(DIS)。

(5)、系统参数异常引起的运行故障

主要有输出短路OUTSCF，输出过流OOTOCF，马达过热故障MOVHF，输出过压OCOOF，接地故障EARTHF，超过OVSDF，堵转BLOCF，变压器过热故障TROVHF，直流欠压DCLVF，直流过压DCOVF，这些参数异常也将使DIS2置位。

(6)、运行故障相应的警告信号

马达过热警告，接地警告，频率偏差过大警告，变压器过热警告，单元静止信息错误，单元ON后信息错误，单元ON后无相控脉冲，单元ON后不导通，ON时有频率给定等。这些信号作为二级故障处理。

所有故障产生后，采用锁存处理，均不能自动消除，但系统复位可清空所有的故障信息。复位操作后，系统重新对故障检并分级处理。

(1)、系统复位清空RUNFAULT相应的故障信息及DIS2清0.

(2)、调试开关

为了在不加高压时能对部分程序，特别是接通逻辑、调节程序中的给定、给定积分器、V/F、输出信息等进行测试，设置了调试开关。可以关闭运行故障的检测。电气故障测试要在端子排上分别短接“高压合闸”和“柜风机合闸”两对输入端子，关上变压器柜和功率柜柜门。将调试参数P246＝1(模块功率单元正常)，P248＝0(不检查ON后功率单元状态)P237＝0(功率单元无电压或应答通信异常不检查)，P243＝30(直流欠压门设为30％已低于此时控制到的直流电压值50％，即功率单元欠压不检查)。这样就可以按键ON，接通变流器(实际是发出允许信号及PWM信号)，并可加上频率给定，进行程序调试。

试毕，拆去短接线，P246＝0，P248＝1，P273＝1，P243＝76。使系统进入运行状态。

Claims (4)

1.一种高压变频器控制器故障信号处理系统，其特征在于包括变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、PLC、风机保护单元和电源系统，其中变压器柜的输入端接外部交流电源，变压器柜的输出端串接功率单元柜后通过控制光线与控制单元柜通信，PLC和风机保护单元分别与控制单元柜连接，电源系统给控制单元柜供电。

2.根据权利要求1所述的高压变频器控制器故障信号处理系统，其特征在于所述控制单元柜包括双DSP系统、上位机、相控板模块、操作面板和接口电路，其中双DSP系统分别与上位机、相控板模块、操作面板和接口电路连接，相控板模块通过控制光线与功率单元柜连接。

3.根据权利要求2所述的高压变频器控制器故障信号处理系统，其特征在于所述相控板模块由三相相控板构成。

4.一种高压变频器控制器故障信号处理系统的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、所有的电气故障FELEC由变压器过热故障TROVHF、高压合闸后柜门打开CUDOL、高压合闸后柜风跳闸封锁CUFON、辅助电源合AXON组成，均由PLC完成预处理，然后由控制光线通过MODBUS协议送至DSP统一处理；

(2)、功率单元柜中的功率单元光纤板处理功率部分的故障信号包括电源故障PSF、过压OVVF、流过OVCF1、过流OVCF2、无PWM脉冲NPWM、欠压UNVF、CPLD器件故障CPLD、控制通讯异常CCUA、无相控脉冲NOPF、IGBT不导通、NCOF1、IGBT不导通、NCOF2、备用5V电源1P5故障1P5A、缺相PHFA、电容异常COUA、单元过热OVTA、电压＜90％和DCLA，由相控板ABC相应处理后送到DSP控制器；

(3)、控制器类故障由器件类故障和通讯故障组成；其中器件由CPLD加看门狗电路完成检测；通讯类故障由DSP检测；

控制器故障将产生控制箱封锁(CBDIS)--PS_Fault.12信号，其逻辑关系式是：

CPU_CPLD故障+AD_CPLD故障+AD板电源故障＝控制箱封锁CBDIS。

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