CN113484606A - 一种高压变频器电流谐波监测报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明新型公开了一种高压变频器电流谐波监测报警系统及方法，涉及变频器故障检测技术领域，包括设置采样频率采集电动机定子电流数据，对定子电流数据进行信号频谱分析，获取奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值，根据获取的奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量，设置阈值，若最大奇数次谐波和间谐波最大含量超过阈值，则生成报警信号，将报警信号上报至DCS控制系统，获取故障信息，实现了在不影响主控系统正常运行逻辑基础上实现对输出电流中谐波尤其是间谐波含量信息的正确提取，且设备硬件通过增加干接点和信号节点形成电流谐波在线监测及超标报警的系统方案。

Description

一种高压变频器电流谐波监测报警系统及方法

技术领域

本发明涉及变频器故障检测技术领域，具体涉及一种高压变频器电流谐波监测报警系统及方法。

背景技术

高压变频器在输出侧通过电流传感器对输出电流进行采样，在电流超过额定一定倍数时，变频装置动作，停止输出，分断输出开关，从而保护系统安全，这种基于电流瞬时值的过流保护可在一定范围保护变频装置负载设备安全。

目前，对于电流幅值未超限值但存在含量丰富的奇数次谐波或是间谐波的情况则束手无策。电流中奇数次谐波或是间谐波含量超标可能是变频装置自身故障、电机故障以及负载特性等不同原因引起的，虽然不会直接造成系统失效，但长时运行或会带来系统发热严重、转矩中波动成分增加、电机或是电机所带负载振动加剧、电机或是电机所带负载转轴受损等问题。

因此解决上述是我们迫切需要的。

发明新型内容

有鉴于此，本发明新型目的在于提供一种高压变频器电流谐波监测报警系统及方法，以实现在高压变频器系统正常运行过程中对电流谐波进行在线检测且实现在谐波含量超标后进行报警。

本发明新型通过下述技术方案实现：

一种高压变频器电流谐波监测报警方法，包括：

S10：设置采样频率采集电动机定子电流数据；

S20：对定子电流数据进行信号频谱分析，获取奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值；

S30：根据获取的奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量；

S40：设置阈值，若最大奇数次谐波和间谐波最大含量超过阈值，则生成报警信号；

S50：将报警信号上报至DCS控制系统，获取故障信息。

在本方案中，对变频调速系统运行状态进行检测，当检测到系统处于稳态运行状态时，变频器主控系统采集电机定子电流数据，当变频器主控系统采集到的定子电流数据达到设定值后即进行电流信号频谱分析，电流信号频谱计算完成后，采集各奇数次谐波幅值，且在基频左侧及右侧的两个设定的频段范围内搜索幅值最大的间谐波频率点，并用各奇数次谐波和最大幅值间谐波的幅值除以基频幅值算得奇数次谐波及间谐波含量，将计算得到的奇数次及间谐波含量信息通过485串口通信至触摸屏，通过变频器主控系统4-20mA信号通道将最大含量的奇数次及间谐波实时更新至分散控制系统(DCS)，通过分散控制系统DCS记录奇数次谐波及间谐波含量最大值的历史趋势，从而有助于变频调速系统发生事故后进行故障回溯，根据算得的谐波含量进行报警操作，当谐波含量最大占比超过设定值则主控系统通过干接点信号将故障信息上报至DCS。

在一个可能的实时方式中，在步骤S2中，所述奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值是根据DFT算法解算得到的。

在本方案中，DFT计算时，具体通过每次计算半个频率点结果，并记录下奇数次谐波附近最大值频率及幅值，并对奇数次谐波结果进行排序处理，来获取较高精度的数据。

在一个可能的实时方式中，在步骤S3中，通过分别对所述奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波进行搜索获得幅值最大的间谐波频率点，并用各奇数次谐波和最大幅值间谐波的幅值除以基频幅值算得奇数次谐波和间谐波含量。

在一个可能的实时方式中，在步骤S3中，根据DFT算法解算时，具体表达式为：

其中，X(k)表示经DFT变换后的结果，x(n)为采样信号；

令采样过程采样频率为f_s，则采样周期T_s＝1/f_s，N为采样信号的点数，利用欧拉公式进行替换有：

实部:

虚部：

根据DFT性质，实际信号在各频率点的幅值和相位为：

其中，Amp(k*Δf)为频率k*Δf处的幅值，φ(k*Δf)为频率k*Δf处的频率，Δf为DFT分析的频率分辨率。

在一个可能的实时方式中，在步骤S1中，包括：

更新采样过程采样频率f_s；

更新采样点数N；

更新计算频率点数即最大k值；

更新频率分辨率Δf；

更新左右间隙波搜索范围。

在一个可能的实时方式中，在设置采样频率采集电动机定子电流数据中，采样整数周期倍数时间的输出电流，其中还设置采样频率采集电动机定子电压数据，其定子电压数据可用于电压分析。

此外，本发明提供一种高压变频器电流谐波监测报警系统，包括高压变频器本体、变频调速系统和DCS控制系统；

其中，高压变频器本体，其接入三相交流电控制输出电流至电动机；

变频调速系统，用于在稳态运行时，获取电动机定子电流数据和定子电压数据，并对定子电流数据进行信号频谱分析，得到奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值，再根据幅值数据进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量，并设定阈值，若最大奇数次谐波和间谐波最大含量超过阈值则生成报警信号；

DCS控制系统，其设置干节点和信号节点分别接收变频调速系统的谐波超标报警信号和间谐波最大含量信号，用于记录并储存奇数次谐波和间谐波的含量，并获取报警信号进行故障报警。

进一步地，所述变频调速系统包括：

电流互感器，用于采样整数周期倍数时间的输出电流；

电压互感器，用于采样整数周期倍数时间的输出电压；

主控系统，用于根据DFT算法对采样的输出电流进行计算获取输出电流中各频率成分谐波含量，再分别对奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波进行搜索，计算奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波含量，并判断最大奇数次谐波和最大间谐波含量是否超过设定阈值；

显示装置，其通信连接主控系统，用于实时显示所述变频调速系统的谐波频率、谐波含量信息并将谐波信息实时展示。

PWM调制模块，其基于运行人员根据所述DCS控制系统调制信号幅值、频率来控制高压变频器进而调节电动机运行。

优选地，所述显示装置为触摸屏，所述触摸屏与主控系统通过485串口通信或232串口通信。

优选地，所述变频调速系统还包括用于采样整数周期倍数时间的输出电压的电压互感器，根据采样的输出电压进行电压分析。

本发明新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明新型一种高压变频器电流谐波监测报警系统及方法，利用有限CPU计算资源，在不影响主控系统正常运行逻辑基础上实现对输出电流中谐波尤其是间谐波含量信息的正确提取，将计算得到的奇数次及间谐波含量信息通过485串口通信至触摸屏，通过变频器主控系统4-20mA信号通道将最大含量的奇数次及间谐波实时更新至分散控制系统(DCS)，通过分散控制系统DCS记录奇数次谐波及间谐波含量最大值的历史趋势，从而有助于变频调速系统发生事故后进行故障回溯，根据算得的谐波含量进行报警操作，如果谐波含量最大占比超过设定值则主控系统通过干接点信号将故障信息上报至DCS，从而可为运行人员提供关于高压变频器驱动系统中电机及负载问题的建议信息；且仅通过增加一组干接点和4-20mA信号接点所需硬件即可形成电流谐波在线监测及超标报警。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例中高压变频器电流谐波监测报警方法流程图；

图2为本发明实施例中高压变频器电流谐波监测报警系统结构示意图；

图3为本发明实施例中高压变频器在采样过程、DFT计算的过程示意图；

图4为本发明实施例中间谐波搜索范围搜索获取基频两侧间谐波示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

实施例

发明人研究发现电流中奇数次谐波或是间谐波含量超标可能是变频装置自身故障、电机故障以及负载特性等不同原因引起的。其在长时运行或会带来系统发热严重、转矩中波动成分增加、电机或是电机所带负载振动加剧、电机或是电机所带负载转轴受损等问题进而影响设备的正常使用。

鉴于在监测分析整个主控系统时，不影响主控系统运行逻辑且高效利用CPU计算资源，进一步通过合理采集和DFT计算来实现。

且本发明对原设备进行改造时，仅通过在基础设备上设置组干节点以及4-20mA信号节点来实现电流谐波在线监测和超标报警，节约了硬件成本。

请参见图2，图2为本发明一种高压变频器电流谐波监测报警系统，主要包括电流传感器、变频调速系统，DCS系统及触摸屏几部分。电流传感器用于对输出电流信号的采集；DCS系统通过干接点及4-20mA信号节点分别接收来自变频调速装置的谐波超标报警信号和间谐波最大含量信号；触摸屏通过485工业通信线接收来自变频调速装置的谐波频率及含量信息并将谐波信息实时展示出来；变频调速装置中主控系统是电流谐波在线检测及超标报警方法实现的主要部件，其通过AD转换模块将电流传感器输出的电流信号模拟量转换为数字信号，然后通过DFT算法解算得到输出电流中的谐波频率及幅值信息，最后根据计算结果进行报警置位和相应的信息输出。

具体地，通过据DFT算法对采样的输出电流进行计算获取输出电流中各频率成分谐波含量，再分别对奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波进行搜索，计算奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波含量，并判断最大奇数次谐波和最大间谐波含量是否超过设定阈值，获得高压大功率变频器不同运行频率下输出电流中包含的各种谐波成分的频率和含量，并将电流中各谐波成分的频率和含量结果输出至显示装置，针对电流中奇数次谐波或间谐波含量超标情况报警至DCS，并通过将间谐波含量值传至DCS系统，进行间谐波最大含量历史趋势记录。

请参见图1，图1为本发明提供的一种高压变频器电流谐波监测报警方法流程图，主要通过主控系统根据设定的运行频率，通过变频调速装置输出侧电流互感器采样整数周期倍数时间的输出电流，再根据上一步采样的输出电流，根据DFT算法解算出输出电流中各频率成分谐波含量，分别对奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波进行搜索，计算奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波含量对最大奇数次谐波和最大间谐波含量是否过设定标准进行判定，如超过标准则谐波超标报警开关动作报警至DCS。

具体来说，当变频调速系统带动电机运行起来后，变频器主控系统采集电机定子电流数据进行频谱分析，根据计算得到的频谱数据，在基频左侧及右侧的两个设定的频段范围内搜索幅值最大的间谐波以及各整数次谐波，然后将计算得到的谐波含量信息通过485或是232通信至触摸屏进行实时显示，并可根据算得的间谐波含量及奇数次谐波含量是否超过设定标准进行报警操作，如果谐波最大占比超过设定值则报警至DCS，以供运行人员参考制定检修策略。

请参见图3，图3为本发明高压变频器在采样过程、DFT计算的过程示意图，本发明中计算得到高压大功率变频器不同运行频率下输出电流中包含的各种谐波成分的频率和含量，在变频调速装置带动电机正常运行且电机处于稳态运行时，通过置于电机输出侧的电流传感器对输出电流进行采样，采样频率及采样点数根据实际运行频率进行设置。采样过程需要根据设定采样点数实现对10-20个周期的电流信号实现同步采样。变频调速装置主控系统通过DFT算法每两次主循环周期计算出一个频率点的幅值结果，在计算的同时记录各奇数次谐波频率及幅值。当完成所有频率点幅值结果计算后，变频调速装置主控系统首先对记录的奇数次谐波结果按幅值大小进行排序，然后根据间谐波搜索范围搜索出基频两侧间谐波幅值最大值的频率点，紧接着根据奇数次谐波幅值最大值和间谐波幅值最大值含量是否超标进行谐波含量报警操作，最后将计算得到的奇数次谐波和间谐波信息跟新至触摸屏。

具体地，DFT算法公式如下：

上式中X(k)表示DFT变换后的结果，x(n)为采样信号，不妨设采样过程采样频率为f_s，则采样周期T_s＝1/f_s，N为采样信号的点数。利用欧拉公式进行替代有：

实部:

虚部：

根据DFT性质可知，实际信号在各频率点的幅值和相位为：

上两式中Amp(k*Δf)、φ(k*Δf)分别为频率k*Δf处的幅值和频率，其中Δf为DFT分析的频率分辨率，其值与采样过程有关为f_s/N。

请参阅图4，图4为本发明间谐波搜索范围搜索获取基频两侧间谐波示意图，基波频率左侧最大含量间谐波搜索范围为(freqrun-f2)至(freqrun-f1)Hz，右侧最大含量间谐波搜索范围为(freqrun+f1)至(freqrun+f2)Hz。freqrun为变频器实际运行频率，f1及f2可通过触摸屏设置，考虑到谐波分析算法存在能量泄露的情况，可将f1设置为10Hz，f2设置为40Hz。

以上，本发明在计算得到高压大功率变频器不同运行频率下输出电流中包含的各种谐波成分的频率和含量，尤其是利用有限CPU计算资源，在不影响主控系统正常运行逻辑基础上实现对输出电流中谐波尤其是间谐波含量信息的正确提取。

此外，通过在高压大功率变频器原有设备基础上仅通过增加一组干接点和4-20mA信号接点所需硬件即可形成电流谐波在线监测及超标报警的系统方案。

本发明在具体应用时，在变频调速系统带动电机(风机或水泵等)运行起来后，变频器主控系统采集电机定子电流数据进行频谱分析，根据计算得到的频谱数据，在基频左侧及右侧的两个设定的频段范围内搜索幅值最大的间谐波以及各整数次谐波，然后将计算得到的谐波含量信息通过485或是232通信至触摸屏进行实时显示，并可根据算得的间谐波含量及奇数次谐波含量是否超过设定标准进行报警操作，如果谐波最大占比超过设定值则报警至DCS，以供运行人员参考制定检修策略。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明新型的保护范围，凡在本发明新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压变频器电流谐波监测报警方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置采样频率采集电动机定子电流数据；

对定子电流数据进行信号频谱分析，获取奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值；

根据获取的奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量；

设置阈值，若最大奇数次谐波和间谐波最大含量超过阈值，则生成报警信号；

将报警信号上报至DCS控制系统，获取故障信息。

2.根据权利要求1所述的一种高压变频器电流谐波监测报警方法，其特征在于，在对定子电流数据进行信号频谱分析，获取奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值中，所述奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值是根据DFT算法解算得到的。

3.根据权利要求1所述的一种高压变频器电流谐波监测报警方法，其特征在于，在根据获取的奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量中，通过分别对所述奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波进行搜索获得幅值最大的间谐波频率点，并用各奇数次谐波和最大幅值间谐波的幅值除以基频幅值算得奇数次谐波和间谐波含量。

4.根据权利要求2所述的一种高压变频器电流谐波监测报警方法，其特征在于，在根据获取的奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量中，根据DFT算法解算时，其表达式如下：

其中，X(k)表示经DFT变换后的结果，x(n)为采样信号；

令采样过程采样频率为f_s，则采样周期T_s＝1/f_s，N为采样信号的点数，利用欧拉公式进行替换有：

实部:

虚部：

根据DFT性质，实际信号在各频率点的幅值和相位为：

其中，Amp(k*Δf)为频率k*Δf处的幅值，φ(k*Δf)为频率k*Δf处的频率，Δf为DFT分析的频率分辨率。

5.根据权利要求4所述的一种高压变频器电流谐波监测报警方法，其特征在于，在设置采样频率采集电动机定子电流数据中，包括：

更新采样过程采样频率f_s；

更新采样点数N；

更新计算频率点数即最大k值；

更新频率分辨率Δf；

更新左右间隙波搜索范围。

6.根据权利要求1所述的一种高压变频器电流谐波监测报警方法，其特征在于，在设置采样频率采集电动机定子电流数据中，采样整数周期倍数时间的输出电流，其中还设置采样频率采集电动机定子电压数据。

7.一种高压变频器电流谐波监测报警系统，其特征在于，包括高压变频器本体、变频调速系统和DCS控制系统；

高压变频器本体，其接入三相交流电控制输出电流至电动机；

变频调速系统，用于在稳态运行时，获取电动机定子电流数据和定子电压数据，并对定子电流数据进行信号频谱分析，得到奇数次谐波幅值、最大幅值间谐波和基频幅值，再根据幅值数据进行计算得到奇数次谐波和间谐波的含量，并设定阈值，若最大奇数次谐波和间谐波最大含量超过阈值则生成报警信号；

DCS控制系统，其设置干节点和信号节点分别接收变频调速系统的谐波超标报警信号和间谐波最大含量信号，用于记录并储存奇数次谐波和间谐波的含量，并获取报警信号进行故障报警。

8.根据权利要求7所述的一种高压变频器电流谐波监测报警系统，其特征在于，所述变频调速系统包括：

电流互感器，用于采样整数周期倍数时间的输出电流；

电压互感器，用于采样整数周期倍数时间的输出电压；

主控系统，用于根据DFT算法对采样的输出电流进行计算获取输出电流中各频率成分谐波含量，再分别对奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波进行搜索，计算奇数次谐波和基频左右侧最大幅值间谐波含量，并判断最大奇数次谐波和最大间谐波含量是否超过设定阈值；

显示装置，其通信连接主控系统，用于实时显示所述变频调速系统的谐波频率、谐波含量信息并将谐波信息实时展示。

PWM调制模块，其基于运行人员根据所述DCS控制系统调制信号幅值、频率来控制高压变频器进而调节电动机运行。

9.根据权利要求7所述的一种高压变频器电流谐波监测报警系统，其特征在于，所述显示装置为触摸屏，所述触摸屏与主控系统通过485串口通信或232串口通信。

10.根据权利要求7所述的一种高压变频器电流谐波监测报警系统，其特征在于，所述变频调速系统还包括用于采样整数周期倍数时间的输出电压的电压互感器，根据采样的输出电压进行电压分析。

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