CN1384597A - 基于状态自适应的中高压变频器的监控方法及其系统 - Google Patents

基于状态自适应的中高压变频器的监控方法及其系统 Download PDF

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Abstract

基于状态自适应的中高压变频器的监控方法及其系统属于变频调速控制技术领域,其监控方法的特征在于,它依次含有以下步骤:初始化,设定主电路模拟输入量11个,模拟输出显示量2个,主电路各开关位置和保护触点状态的数字输入量28个,数字控制输出量6个,4种变频器工作状态和4个用于切换控制的D0量的状态集;变频器自检;根据自检结果界定变频器的初始工作状态;变频器工作状态监测;执行工作状态切换控制和变频调速开环控制。同时提出了系统电路原理框图。它很好地解决了监控系统中变频器的工作状态界定、状态切换控制和变频调速控制这些技术难题。

Description

基于状态自适应的中高压变频器的监控方法及其系统
技术领域
一种基于状态自适的中高压变频器的监控方法及其系统,属于变频调速控制技术领域。
背景技术
高压变频技术是把固定频率固定幅值的电压转变成变频变幅电能,使电机产生的电磁力矩与其所驱动的负载机械力矩能柔性配合,以获得较好的驱动特性并最大程度地提高电能利用率的一种高新节能技术,是当今国际电工领域的研究前沿——柔性交流配变电技术,即DFACTS技术的重要分支。
为了保证变频器的安全运行,除需要设计合理的变频器主电路外,还需设计严密、可靠、响应快速的监控系统与其配合。相关领域的监控系统目前大致可分两大类:一类是有关发电厂、变电站的监控系统,另一类是有关电力系统重要元件如变压器,发电机组等的监控系统。高压变频器隶属于电力系统元件,但因技术的前沿性及高度技术保密性,高压变频器的监控系统则尚未有公开报导。
高压变频器的特点在于其响应的快速性(微秒级)、对输出电压和输出频率控制的精确性和抗干扰的相对脆弱性,故其监控系统与上述两类有显著区别。本发明所述的中高压变频器监控系统是基于三电平逆变器之上的,它包括整流器,逆变器、滤波器和监控等四大部分,其中,监控部分是由监控硬件和监控软件组成,各种功能由监控软件实现,而监控硬件则是监控软件实现各种功能的物理基础,如硬件故障则监控软件无法实现其各种功能。故监控系统除了需对变频器主电路的运行状况进行严密监控之外,还需对其自身硬件的工作状况进行严密自检,以保证所采集信号的有效性,提高对变频器监控的可靠性。
另外,在实际应用中,变频器与电机相连构成一完整的变频调速系统,如果电机运行故障也将危及变频器安全,即电机故障具有与变频器故障相同程度的危害性,因此监控系统还需从电机采集各种输入信号,并判断电机的运行状况。
故如何根据变频器的工况和监控硬件系统的工况来判断变频调速系统的状态并实现对各状态的监控便构成监控系统的主要内容,其中关键是变频器工作状态的界定和控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于状态自适应的中高压变频器的监控方法及其系统。
基于状态自适应的中高压变频器的监控方法,其特征在于:它依次含有以下步骤:
(1)初始化:
设定:
变频器主电路的模拟量输入信号AI0~AI10;变频器主电路的模拟量输出显示信号AO1、AO2;变频器中各开关位置和保护触点状态的数字量输入信号DI0~DI27;变频器状态切换控制用的数字量输出信号DO0~DO5;
变频器工作状态特征量:未就绪、就绪、运行和故障共4个状态特征描述量;主断路器MCB分合、制动电路投切、冷却风机投切、故障(含有硬件保护动作、软件保护动作和监控硬件系统故障)共4个状态特征的界定量;
相应于4种变频器工作状态的切换控制数字量输出信号,即DO信号,共6个;
(2)变频器装置自检;
(3)根据自检结果判断变频器的初始工作状态;
(4)变频器工作状态监测;
a.采集AI、DI信号,同时监测AI卡、DI/O卡和变频器装置工况并记录监测结果;
b.脉冲发生器工况自检并记录自检结果;
(5)执行变频器工作状态切换控制;
(6)变频调速的开环控制;
所述的变频装置自检依次含有以下步骤:
(1)初始化AI卡;
(2)启动AI卡采集信号;
(3)判断采集是否正常,若AI卡故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障,若正常则转入下一步骤;
(4)启动DI卡采集信号;
(5)判断DI/O卡工况是否正常,若DI/O卡故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;若正常,则转入下一步骤;
(6)判断变频器是否正常,即底层硬件保护是否动作,若保护动作,表明出现故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;若保护未动作表明正常,转入下一步骤;
(7)判断脉冲发生器是否正常,若查询不到脉冲发生器所发脉冲数据且无法对脉冲发生器复位,表明脉冲发生器故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;
(8)调速装置自检结束,转入下一子程序。
所述的变频器初始工作状态的判断依次含有以下步骤:
(1)判断记录系统记录下的故障次数是否大于0,如若故障次数大于0,表明变频器故障,执行以下步骤:判断主断路器MCB的位置,如处于“合闸”位置,则变频器处于故障状态;否则,当前处于未就绪状态;
如若故障次数等于0,表明系统无故障,执行以下步骤:判断主断路器MCB的位置,如处于“合闸”位置,则变频器处于运行状态;否则当前处于就绪状态;
(2)根据判断出的变频器工作状态,去初始化相应的DO信号;
所述的变频器工作状态监测流程依次含有如下的步骤:
(1)对记录系统是否故障的变量清零;
(2)启动AI卡采集AI信号;
(3)判断采集是否正常;
若AI卡故障则使记录系统记录一次故障次数;
若AI卡正常,则计算模拟量有效值或平均值,同时判断软件保护是否动作,若动作则予以标记,并令记录系统记录一次故障次数;
(4)采集DI量,同时监测DI/O卡工况:
若DI/O卡正常,再判断变频器保护是否动作,若动作,表明变频器故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;否则,表示变频器正常;
(5)接着分两种情况判断脉冲发生器工况即:
若此前变频器为“运行”状态,如从脉冲指令的发送至最后执行所经历的延时超过50次的扫描监控所花的时间,表示脉冲发生器故障,予以标记,令记录系统记录一次故障次数;否则表示脉冲发生器在执行工控机指令,工作正常;
若此前变频器为非运行状态,如脉冲发生器已故障,则予以标记,令记录系统记录一次故障次数。
所述的执行状态切换控制的步骤要根据此前变频器的工作状态、当前状态监测结果来执行状态的切换控制,它依次含有以下步骤:
若此前变频器处于“未就绪状态”,当前监测结果为变频器故障,则表明当前仍处于“未就绪状态”,不执行状态切换控制;如当前监测结果为变频器正常,则表明在本次监测期间,变频器故障被排除,则要把当前状态切换到“就绪状态”,执行相应的操作;
若此前变频器处于“就绪状态”,当前监测结果为变频器故障,则表明在本次监测期间,变频器出现故障,则要把当前状态切换到“未就绪状态”,执行相应的操作;如当前监测结果为变频器正常,则表明当前仍处于“就绪状态”,不执行状态切换控制;
若此前变频器处于“运行状态”,当前监测结果为变频器故障,则表明在本次监测期间,变频器出现故障,则要把当前状态切换到“故障状态”,执行相应的操作;如当前监测结果为变频器正常,则表明当前仍处于“运行状态”,则不执行状态切换控制,但要判断是否输入新的调速指令,如果有,则要初始化变频调速控制变量;
若此前变频器处于“故障状态”,则自动把当前状态切换到“未就绪状态”,执行相应的操作;
状态切换完成后,还需给相应的DO量赋值以表征当前状态。
所述的变频调速系统的开环控制流程依次含有以下步骤:
(1)判断在变频器运行状态下充电是否结束;
(2)若充电已经结束,则对各控制变量进行初始化;
(3)判断用户是否通过界面输入新的调速指令;
(4)若有新的调速指令,则更新控制变量;
(5)判断是否刚开始调速。
若刚开始调速,则执行以下步骤:
令当前控制所经历时间为0;
计算当前时刻的频率值;
根据频率计算相应的电压值,再把电压标幺值扩大100倍取整,把频率转化为100倍的相应周期毫秒数,作为发送至脉冲发生器的脉冲指令;
记录已发送的脉冲指令,以备下次脉冲指令查询比较时用;
若非刚开始调速即过程调速,则执行以下步骤:
判断此前所发送的脉冲指令是否已被执行:若查询不到脉冲,令上述从脉冲指令数据的发送到最后指令执行的延时时间大于50次扫描监测所花的时间,并退出调速子程序,以供在下一次监测时可监测出脉冲发生器故障;
若查询到的返回脉冲指令与上次工控机所发脉冲指令不吻合,则累加脉冲被延迟执行的次数,并退出调速子程序;
若查询到的返回脉冲指令与上次工控机所发脉冲指令相吻合,则累加调速控制所经历时间,对记录脉冲被延迟执行次数的变量清0,计算当前控制时刻的频率值,据此算出电压值,并把电压、频率如上所述转换成脉冲指令向脉冲发生器发出;
开环调速控制程序结束。
所述的系统一旦处于故障状态,则依次执行以下操作:跳开主断路器、投入制动电路、把当前的故障状态切换至“未就绪状态”。
基于状态自适应的中高压变频器的监控系统,其特征在于,它含有:经系统主电路依次连向工控机总线的变送电路和AI采集卡、经系统主电路依次与工控机总线双向连接的数字接口电路和DI/O卡,经用于驱动系统主电路的脉冲发生器而与工控机总线双向连接的并行接口电路,与工控机总线相连的显示用AO卡。
使用证明:它可实现控制预期目的。
附图说明
图1变频器监控系统硬件组成原理图
图2变频器工作状态的切换控制流程图
图3变频器程序流程示意框图
图4变频器监控程序之调速装置自检程序框图
图5变频器监控程序之系统状态界定程序框图
图6~8变频器监控程序之系统状态监测及控制程序框图
图9变频调速监控程序之开环调速控制程序框图
表1模拟输入(AI)量信号
表2模拟输出(AO)量信号
表3数字输入(DI)量信号
表4数字输出(DO)量信号
表5变频器工作状态特征
表6变频器工作状态初始化内容
表7变频器工作状态切换控制策略
具体实施方式
在图1中,工业控制机(简称IPC)的型号为WS-824T98,CPU为Intel PIII700,还有插在其总线槽中的型号为AC1820的AI卡,型号为AC4165的DI/O卡,型号为AC1357的AO卡以及与脉冲发生器进行通信的型号为DB25的标准平行接口(简称SPP)。变送电路用TL074等系列芯片,数字接口电路用CMOS4071等系列芯片。其中,AI卡通过变送电路对变频器的模拟信号进行采集并上传至工控机,以实现控制算法和软件保护,后者用于综合判断变频调速系统的运行状态是否故障,作为底层硬件保护的后备。AI卡的启动由监控程序控制。AO卡把相关控制结果量转换成模拟量,传到控制室供监测用。DI/O通过数字接口电路采集变频器中各开关位置信号和保护触点信号,供监控程序监视变频器的工作状况,同时,DI/O卡负责传送监控系统发出的控制命令,以实现变频器工作状态的切换控制。工控机通过并行口与脉冲发生器通信,向它发送脉冲指令数据,并通过脉冲发生器生成相应的驱动变频器中电力电子元件IGCT工作的控制脉冲,同时还接受脉冲发生器返回的工作状态信息。
监控系统设计的AI量为11个,AO量2个,DI量28个,DO量6个,见附表1~4。所述的DI量涵盖了变频器和电机的各主要部分,故可据此对变频器作全面监测,另外,DI/O卡还有多路备用信号以备扩展。
监控系统的软件部分就是如何根据上述AI量、DI量和监控硬件工作状况自检结果来判断变频器的工作状况并对其进行严密、可靠的监控。本发明所设计的监控软件是基于状态自适应的监控方法,该方法思路如下:①根据变频器的工作特点设计了4种工作状态以表征变频器的不同工作状况;②根据输入量和监控硬件工况自检结果来界定变频器的4种工作状态;③根据每次监测结果来判断变频器的工作状态是否发生变化,如果发生变化则执行相应的状态切换控制。该方法的优点是:步骤②以量化的形式界定系统状态,不但使系统状态定义严密,而且使状态特征明确,便于编程实现,是步骤③执行状态监控的基础。下面按照以上步骤介绍其具体实现:
①变频器工作状态定义
根据变频器工作特点,在监控程序中设计了以下4种变频器工作状态:(1)未就绪状态(NOTREADY):变频器未投入运行,但开关位置未就绪、或变频器有故障、或监控系统有故障,导致不满足运行条件。(2)就绪状态(READY):变频器未投入运行,但一切正常,满足合闸运行条件。(3)运行状态(RUNNING):合闸对直流电容充电,之后变频器根据控制指令自动调节输出基波电压幅值及频率,使电机转速抵达控制目标的要求范围之内。(4)故障状态(FAULT):变频器在运行状态期间突然出现故障时所对应的状态。
②变频器工作状态界定
由于变频器的工作状况是通过DI量、软件保护量和监控硬件的工况自检结果等量予以反映,因此可通过这些量对上述4种变频器的工作状态进行量化界定。而由于保护类DI量、软件保护量和监控硬件的工况自检结果中的任一量异常都表明变频器故障,故这三类量可用一等效量来表示,如“故障”,即当“故障”=无,表明上述三类量均正常,而当“故障”=有,表明至少有一个量故障。这样上述4种变频器的工作状态即可由“故障”和3个开关类DI量共4个量,按表5的形式予以严密界定(表中MCB是主断路器的简称)。理论上讲,上述4个量共有16种状态组合,但由表5可知只有其中的两种组合分别对应于“就绪状态”和“运行状态”,而剩下14种组合中MCB“分”所对应的7种组合对应于“未就绪状态”,MCB“合”所对应的7种组合则对应于“故障状态”。这是因为在实际系统中要求高压变频器的各子系统都正常,变频器才能运行或准备运行,即界定“就绪”和“运行”状态的条件必须严格满足,其组合具有唯一性,故按表5所界定的变频器工作状态与实际要求是相吻合的,并且这种状态界定方法具有严密、可靠、简洁等优点。
根据表5可制定如表6所示的各状态初始化内容。
③变频器工作状态的监控
由表5可知,每次监测结束后,通过判断开关类DI量和“故障”等4个界定量的状态是否发生翻转,即可知道变频器当前状态与前次状态是否一致。由于在实际系统中,制动电路投切和冷却风机投切出现误动作的概率极小(即使出现也可由其它保护予以表现),即可不考虑这两个量会误翻转,所以在监测过程中只需监测MCB和“故障”这两个量的状态,从而简化了监测复杂性。这样根据表5即可制定出如图2所示的状态切换控制流程及切换判据(见图中箭头旁边的文字),即从“未就绪状态”切换到“就绪状态”的判据为“故障”无,从“就绪状态”切换到“运行状态”的判据为MCB合,其余类推。再结合表5和表6即可制定如表7所示的切换控制策略。
由步骤①~③可知,状态自适应的监控方法能够很好地解决高压变频器监控系统在实现时所遇到的:如何根据各种输入信号来判断变频器的工作状况、如何判断变频器的工作状况发生变化和如何执行相应的切换控制等诸多难点。
突破以上难点,高压变频器监控程序即可按以下思路予以实现:刚开始运行时,监控程序根据输入信号和监控硬件工况自检结果,按照表5的状态特征,即可确定变频器的初始工作状态,并按表6对该状态进行初始化予以表征,为后续变频器工作状态监控提供状态初值,这样根据第N+1次的监测结果即可知道第N+1次时变频器的工作状态是否与第N次时的工作状态相同,如果不同,则按照图2所示的流程和表7所示的控制策略执行相应的状态切换控制。
图3是基于上述方法的监控程序详细流程示意图,主要包括监控系统初始化、变频器的状态监控、开环调速控制和故障录波等四大部分。而图3中数据刷新部分的功能是用于更新AI量的值、计算本次监测所花时间并为下次监测准备初值、判断并接收是否输入新的调速指令等,由于这部分和故障录波与本发明所设计的状态自适应的监控方法无关,故下文对其不作介绍。监控程序初始化包括变频器自检及其初始工作状态的判断,该部分功能是为后续变频器状态监控提供状态初值,其详细程序流程见图4和图5。变频器的状态监控是监控程序的核心,其实现原理是基于上述状态自适应的状态界定和状态切换控制,详细的程序流程见图6~8。开环调速控制的详细程序流程见图9,下面对各图作简要解释:
图4是变频器自检程序框图,主要包括AI卡自检、DI/O卡自检、变频器装置自检和脉冲发生器自检。首先对AI卡自检,通过调用函数boardAD.InitBoard()对AI卡进行初始化,然后调用函数boardAD.StartSam()启动AI采集,进而判断读取AI量采集结果函数boardAD.ReadSam()的返回值,即如果Bool=true,表明AI卡工作正常,令变量sgSS.bAIFault=false予以标记;否则表明AI卡故障,令变量sgSS.bAIFault=true予以标记,同时令记录变频器出现故障次数的整型变量sgSS.iFaultNum加1。再判断DI/O卡工作状况是否正常,即判断一个设定DI量的采集值是否与其设定值相符,并用变量sgSS.bDIFault予以标记(框图中未标出)。如果sgSS.bDIFault=true,表明DI/O卡故障,令sgSS.iFaultNum加1;如果sgSS.bDIFault=false,表明DI/O卡正常,再对变频器装置进行自检,即通过判断DI/O卡所采集的底层硬件保护信号的值来判断变频器装置是否发生故障,即如果Bool=boardDIO.ipData[DI_TRIP]->isNorm=true,表明底层硬件保护未动作,变频器正常;否则表明保护动作,变频器出现故障,令sgSS.bHardFault=true予以标记,同时令sgSS.iFaultNum加1。最后判断脉冲发生器是否正常,如果查询不到脉冲发生器所发脉冲数据且无法对其复位,即脉冲查询函数的返回值Bool1=DSPCHECK(&m,&ff)和脉冲发生器复位函数的返回值Bool2=DSPRESET()都为“false”,即Bool=Bool1+Bool2=false,则表明脉冲发生器系统故障,令sgSS.bDSPFault=true予以标记,同时令sgSS.iFaultNum加1;否则表明脉冲发生器正常,令sgSS.bDSPFault=false予以标记。最后通过判断变量值sgSS.iFaultNum是否大于0即可判断当前变频器是否发生故障,为变频器初始状态的判断准备了条件。
图5为基于上述自检结果的变频器初始状态判断程序框图,首先判断sgSS.iFaultNum>0是否为真,如果是,表明变频器故障,再判断MCB的位置,如果bMCB=true表明MCB处于“合闸”位置,由表5所界定的工作状态特征可知当前状态为“故障状态”,即令ConData.iState=FAULT;否则表明当前状态为“未就绪状态”,即令ConData.iState=NOTREADY。而如果sgSS.iFaultNum=0,即变频器无故障,再判断MCB的位置,如果bMCB=true,表明MCB处于“合闸”位置,由表5可知当前变频器的工作状态为“运行状态”,即令ConData.iState=RUNNING;否则表明变频器的当前工作状态为“就绪状态”,即令ConData.iState=READY。最后再根据所判断出的系统状态按表6初始化相应的DO量以表征当前工作状态,即调用函数boardDIO.DoInit()。
图5所判断出的初始状态将为后面首次状态切换控制提供状态初值。
图6~8为变频器状态监测及状态控制程序流程图,这部分与上述变频器自检的很多功能相同,不同之处在于:
1.每次监控前,需对记录变频器故障次数的整型变量sgSS.iFaultNum清零,即令sgSS.iFaultNum=0。
2.如果AI卡工作正常,还需调用函数ValCal()来计算交流AI量的有效值和直流AI量的平均值,并根据这些值判断软件保护是否动作,以综合判断变频器的工作状况。如软件保护判断函数Protect()的返回值为真,即Bool=true,表示软件保护动作,变频器故障,则令sgSS.bSoftFault=true予以标记,同时令sgSS.iFaultNum加1。否则表明正常,令sgSS.bSoftFault=false。
3.不同工作状态下脉冲发生器工作状况的监视方法不同。当变频器处于“运行状态”时,如脉冲发生器在工作且所发脉冲与工控机所发的脉冲指令相符,则表明脉冲发生器正常,否则表明故障。程序中是通过判断函数DSPCHECK(&mm,&ff)的返回值来判断脉冲发生器是否在工作,返回值为“真”表示在工作,否则表示不在工作。由于从指令的发送到最后指令的执行有一定的延时,程序中通过判断从脉冲指令的发送至最后执行所经历的延时是否超过设定值来判断脉冲发生器是否在执行工控机所发的脉冲指令,程序中该延时设定为50次的系统扫描监测所花时间,并用变量sgSS.iNoRefreshTime来记录脉冲指令被延迟执行的扫描监测次数。如果脉冲发生器在工作且sgSS.iNoRefreshTime<50,表明脉冲发生器正常;否则表明脉冲发生器故障,令sgSS.bDSPFault=true予以标记,同时令sgSS.iFaultNum加1。当变频器不处于“运行状态”,则令sgSS.iNoRefreshTime=0,同时判断此前脉冲发生器的工作状况,如sgSS.bDSPFault=true,表明脉冲发生器系统此前已故障,令sgSS.iFaultNum加1;否则表明脉冲发生器正常(见图6);
4.每次监测结束后,需结合前次变频器的工作状态和本次监测结果按照图2所示的切换流程执行状态切换控制(见图7、8):
如变频器前次工作状态为“未就绪状态”,则判断在本次监测期间故障是否被排除,如sgSS.iFaultNum>0,表明故障仍存在,故当前状态仍为“未就绪状态”,从而不需进行状态切换;如sgSS.iFaultNum=0,表明故障已被排除,故需将当前状态切换到“就绪状态”,“切”制动电路,不报警,即令ConData.iState=READY,boardDIO.DoWrite(DO_BLK,true),boardDIO.DoWrite(DO_ALARM,false)。
如变频器前次工作状态为“就绪状态”,则判断在本次监测期间是否发生故障,如sgSS.iFaultNum>0,表明有故障发生,故需将当前状态切换到“未就绪状态”,并显示报警,即ConData.iState=NOTREADY,boardDIO.DoWrite(DO_ALARM,true)。如果本次监测期间没有发生故障,则判断MCB是否在本次监测期间已“合闸”,如bMCB=true表明已合闸,则需将当前状态切换到“运行状态”,并投冷却风机,显示MCB“合”即令ConData.iState=RUNNING,boardDIO.DoWrite(DO_FAN,true),boardDIO.DoWrite(DO_MCBSHW,true),并令程序中断运行10秒钟即Sleep(10000)(该时间远远超过变频器充电所需时间),进而再判断充电是否结束,即判断直流电容电压值Ucap->fValCur是否超过设定值4000V,如果Ucap->fValCur>4000V,表明充电结束,进而根据设定好的调速指令对调速控制变量赋初值;如果充电还没有结束,表明变频器充电故障,需将当前状态切换到“故障状态”即ConData.iState=FAULT,并执行相应的切换控制,即分MCB,“投”制动电路,显示报警:boardDIO.DoWrite(DO_MCBOPN,false),boardDIO.DoWrite(DO_BLK,false);boardDIO.DoWrite(DO_ALARM,true)。如果MCB处于分闸位置,表明变频器的工作状态仍为“就绪状态”,故不需执行状态切换控制(见图7)。
如变频器前次工作状态为“运行状态”,则判断在本次监测期间是否发生故障,如sgSS.iFaultNum>0,表明发生故障,故需将当前状态切换到“故障状态”,即ConData.iState=FAULT,并执行相应的其它控制;如果本次监测期间没有发生故障,再判断MCB是否在本次监测期间已“分闸”,如bMCB=true表明MCB仍处于合闸位置,此时需判断在本次监测期间是否有新的调速指令输入,即判断变量KeyStep的值,如KeyStep=-1表明有新的调速指令,此时需按上述类似的方法对调速控制变量赋初值,并令KeyStep=-2,表示新的调速指令已被处理;如其值不等于-1,表明没有输入新的调速指令,故无需执行状态切换控制。如MCB已分闸,则需将当前状态切换到“未就绪状态”,即ConData.iState=NOTREADY,并执行相应的其它控制(见图8)。
如变频器前次工作状态为“故障状态”,则将当前状态自动切换到“未就绪状态”,即ConData.iState=NOTREADY,并显示MCB分。
图9为变频调速开环控制程序框图,如当前控制时刻满足ConData.fCurTime<0.0001,表明是刚开始调速,则令调速控制控制所经历时间等于本次扫描监测所花时间ConConst.fStepTime,即ConData.fCurTime=ConConst.fStepTime,否则如果ConData.fCurTime>0.0001,表明调速控制早已开始,这时需查询此前所发的脉冲指令是否已被执行,如函数DSPCHECK(&mm,&ff)的返回值为“假”,即bVAl1<>true,表明查询不到脉冲指令,即脉冲发生器故障,此时令sgSS.iNoRefreshTime=55(大于设定的门槛值50)并退出调速子程序,这样在下一次监测时即可监测出脉冲发生器故障;如果函数返回值bVal1=true,但返回的脉冲指令与上次工控机所发脉冲指令不吻合即bVal2<>true,则累加脉冲被延迟执行次数即sgSS.iNoRefreshTime加1,并退出调速子程序;如果脉冲查询函数返回值为“真”且返回的脉冲指令与上次工控机所发脉冲指令相吻合,即bVAl1=true且bVAl1=true,则累加调速控制所经历时间,即ConData.fCurTime=ConData.fCurTime+ConConst.fStepTime,且令当前脉冲被延迟执行的时间为0,即令sgSS.iNoRefreshTime=0,并计算新的频率标幺值和相应的电压标幺值:如ConData.fOutF<0.1,则ConData.fOutU=0.5*ConData.fOutF,如ConData.fOutF>=0.1,则ConData.fOutU=1.056*ConData.fOutF-0.056。再将电压标么值扩大100倍取整即ConData.iM,频率转化为100倍的相应周期毫秒数即ConData.iF,作为脉冲指令。图中DSPTo(ConData.iM,ConData.iF)为发送脉冲指令至脉冲发生器的函数,用变量ConData.iM0和ConData.iF0标记已发送的脉冲指令,以备下次查询比较脉冲指令时用。
综上分析可知,基于状态自适应的变频调速监控系统的核心思想是对照已界定好的变频器工作状态特征,结合前次变频器的工作状态和本次监测结果(即为状态切换控制判据),按照“对号入座”原则确定本次变频器的工作状态并执行相应的状态切换控制。其中能全方位反映变频器工作状况的AI量、DI量以及能可靠反映监控硬件工作正常与否的自检结果是“状态自适应”法有效的硬件基础,而逻辑严密的状态界定则是“状态自适应”法有效的软件保证。该方法的优点是根据事先设计好的工作状态,按照图2、表5~7的方式制定相应的状态特征表和状态切换控制表,使监控程序的实现严密、可靠、简洁。
基于“状态自适应”的监控系统设计方法对其它电力电子装置系统的监控系统设计、实现也具有重要的参考价值。表1  模拟输入(AI)量信号
编号  监控信号名称 注释 备注
AI0  I_IOA 逆变器A相输出电流
AI1  I_IOC 逆变器C相输出电流
AI2  I_IFA 输出滤波电容A相电流
AI3  I_IFC 输出滤波电容C相电流
AI4  I_IF0 输出滤波电容零线电流
AI5  I_UDC1 直流电容电压正
AI6  I_UDC2 直流电容电压负
AI7  I_TINV 逆变柜温度
AI8  I_UBAT 辅助电池电压
AI9  R_REF1 参考设定1
AI10  R_REF2 参考设定2
表2  模拟输出(AO)量信号
编号  监控信号名称 注释 信号值 备注
AO1  R_MOT_IO 变频器输出电流 0-20 mA
AO2  R_MOT_VO 变频器输出电压 0-20 mA
表3  数字输入(DI)量信号
类型 编号  监控信号名称 注释 备注
开关位置信号 DI0  DI_FAN 冷却风机投/切
DI1  DI_BLK 制动电路投/切
DI2  DI_MCB MCB分/合
保护触点信号 DI3  L_PS1FLT 辅助电源一故障 来自于变频器
DI4  L_PS2FLT 辅助电源二故障
DI5~I18  I_IGCT_FLT IGCT或其驱动电源故障
DI19  I_BRDG_SHRT 桥臂短路
DI20  I_INV_OC 逆变输出过流保护
DI21  I_FLT_OC 滤波电容器过流
DI22  I_UDC_UV 直流电容欠压保护
DI23  I_UDC_OV 直流电容过压保护
DI24  T_OVTMP 电机过温保护 来自于电机
DI25  M_OVSPD 电机过速保护动作
DI26  M_OVI 电机过流保护动作
DI27  DI_TRIP 保护跳闸信号 总保护出口信号
表4  数字输出(DO)量信号
编号  监控信号名称 注释
DO0  DO_BLK 制动电路投/切
DO1  DO_FAN 冷却风机投/切
DO2  DO_MCBCLS MCB合闸脉冲
DO3  DO_MCBOPN MCB分闸脉冲
DO4  DO_MCBSHW 主开关跳闸显示
DO5  DO_ALARM 变频器报警显示
表5  变频器工作状态特征
      界定量状态   MCB     制动电路 冷却风机 故障=硬件保护动作+软件保护动作+监控硬件自检故障
未就绪状态(1)   分     × ×     ×
就绪状态(2)   分     切     无
运行状态(3)   合     切     无
故障状态(4)   合     × ×     ×
注1:表中符号“×”表示当前状态下该量的值不定。注2:表中括号数字为状态代号。表6  变频器工作状态初始化内容
状态 初始化内容
    1 “分”MCB,“投”制动电路,“切”冷却风机,显示报警,显示MCB“分”
    2 “分”MCB,“切”制动电路和冷却风机,不显示报警,显示MCB“分”
    3 “切”制动电路,“投”冷却风机,不显示报警,显示MCB“合”
    4 “分”MCB,“投”制动电路,“切”冷却风机,显示报警,显示MCB“合”
表7  变频器工作状态切换控制策略
状态切换 切换控制策略
1→2 “切”制动电路和冷却风机,不显示报警
2→1 显示报警
2→3 “合”冷却风机,显示MCB“合”,
3→1 “切”冷却风机,显示MCB“分”
3→4→1 “分”MCB,“切”冷却风机,“投”制动电路,显示MCB“分”,显示报警,

Claims (8)

1.基于状态自适应的中高压变频器的监控方法,包括变频器工作状态的界定和控制,其特征在于,它依次含有以下步骤:
(1)初始化:
设定:
变频器主电路的模拟量输入信号AI0~AI10;变频器主电路的模拟量输出显示信号AO1、AO2;变频器中各开关位置和保护触点状态的数字量输入信号DI0~DI27;变频器状态切换控制用的数字量输出信号DO0~DO5;
变频器工作状态特征量:未就绪、就绪、运行和故障共4个状态特征描述量;主断路器MCB分合、制动电路投切、冷却风机投切、故障(含有硬件保护动作、软件保护动作和监控硬件系统故障)共4个状态特征的界定量;
相应于4种变频器工作状态的切换控制数字量输出信号,即DO信号,共6个;
(2)变频器装置自检;
(3)根据自检结果判断变频器的初始工作状态;
(4)变频器工作状态监测;
a.采集AI、DI信号,同时监测AI卡、DI/O卡和变频器装置工况并记录监测结果;
b.脉冲发生器工况自检并记录自检结果;
(5)执行变频器工作状态切换控制;
(6)变频调速的开环控制;
2、根据权利要求1的基于状态自适应的中高压变频器的监控方法,其特征在于,所述的变频装置自检依次含有以下步骤:
(1)初始化AI卡;
(2)启动AI卡采集信号;
(3)判断采集是否正常,若AI卡故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障,若正常则转入下一步骤;
(4)启动DI卡采集信号;
(5)判断DI/O卡工况是否正常,若DI/O卡故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;若正常,则转入下一步骤;
(6)判断变频器是否正常,即底层硬件保护是否动作,若保护动作,表明出现故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;若保护未动作表明正常,转入下一步骤;
(7)判断脉冲发生器是否正常,若查询不到脉冲发生器所发脉冲数据且无法对脉冲发生器复位,表明脉冲发生器故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;
(8)调速装置自检结束,转入下一子程序。
3、根据权利要求1的基于状态自适应的中高压变频器的监控方法,其特征在于,所述的变频器初始工作状态的判断依次含有以下步骤:
(1)判断记录系统记录下的故障次数是否大于0,如若故障次数大于0,表明变频器故障,执行以下步骤:判断主断路器MCB的位置,如处于“合闸”位置,则变频器处于故障状态;否则,当前处于未就绪状态;
如若故障次数等于0,表明系统无故障,执行以下步骤:判断主断路器MCB的位置,如处于“合闸”位置,则变频器处于运行状态;否则当前处于就绪状态;
(2)根据判断出的变频器工作状态,去初始化相应的DO信号;
所判断出的初始工作状态将为后面首次状态切换控制提供状态初值。
4、根据权利要求1的基于状态自适应的中高压变频器的监控方法,其特征在于,所述的变频器工作状态监测流程依次含有如下的步骤:
(1)对记录系统是否故障的变量清零;
(2)启动AI卡采集AI信号;
(3)判断采集是否正常;
若AI卡故障则使记录系统记录一次故障次数;
若AI卡正常,则计算交流模拟量有效值和直流模拟量平均值,同时判断软件保护是否动作,若动作则予以标记,并令记录系统记录一次故障次数;
(4)采集DI量,同时监测DI/O卡工况:
若DI/O卡正常,再判断变频器保护是否动作,若动作,表明变频器故障,则予以标记,同时令记录系统记录一次故障次数;否则,表示变频器正常;
(5)接着分两种情况判断脉冲发生器工况即:
若此前变频器为“运行”状态,如从脉冲指令的发送至最后执行所经历的延时超过50次的扫描监控所花的时间,表示脉冲发生器故障,予以标记,令记录系统记录一次故障次数;否则表示脉冲发生器在执行工控机指令,工作正常;
若此前变频器为非运行状态,如脉冲发生器已故障,则予以标记,令记录系统记录一次故障次数。
5、根据权利要求1的基于状态自适应中高压变频器的监控方法,其特征在于,所述的执行状态切换控制的步骤要根据此前变频器的工作状态、当前状态监测结果来执行状态的切换控制,它依次含有以下步骤:
若此前变频器处于“未就绪状态”,当前监测结果为变频器故障,则表明当前仍处于“未就绪状态”,不执行状态切换控制;如当前监测结果为变频器正常,则表明在本次监测期间,变频器故障被排除,则要把当前状态切换到“就绪状态”,执行相应的操作;
若此前变频器处于“就绪状态”,当前监测结果为变频器故障,则表明在本次监测期间,变频器出现故障,则要把当前状态切换到“未就绪状态”,执行相应的操作;如当前监测结果为变频器正常,则表明当前仍处于“就绪状态”,不执行状态切换控制;
若此前变频器处于“运行状态”,当前监测结果为变频器故障,则表明在本次监测期间,变频器出现故障,则要把当前状态切换到“故障状态”,执行相应的操作;如当前监测结果为变频器正常,则表明当前仍处于“运行状态”,则不执行状态切换控制,但要判断是否输入新的调速指令,如果有,则要初始化变频调速控制变量;
若此前变频器处于“故障状态”,则自动把当前状态切换到“未就绪状态”,执行相应的操作;
状态切换完成后,还需给相应的DO量赋值以表征当前状态。
6、根据权利需求1的基于状态自适应的中高压变频器的监控方法,其特征在于,所述的变频调速系统的开环控制流程依次含有以下步骤:
(1)判断在变频器运行状态下充电是否结束;
(2)若充电已经结束,则对各控制变量进行初始化;
(3)判断用户是否通过界面输入新的调速指令;
(4)若有新的调速指令,则更新控制变量;
(5)判断是否刚开始调速。
若刚开始调速,则执行以下步骤:
令当前控制所经历时间为0;
计算当前时刻的频率值;
根据频率计算相应的电压值,再把电压标幺值扩大100倍取整,把频率转化为100倍的相应周期毫秒数,作为发送至脉冲发生器的脉冲指令;
记录已发送的脉冲指令,以备下次脉冲指令查询比较时用;
若非刚开始调速即过程调速,则执行以下步骤:
判断此前所发送的脉冲指令是否已被执行:若查询不到脉冲,令上述从脉冲指令数据的发送到最后指令执行的延时时间大于50次扫描监测所花的时间,并退出调速子程序,以供在下一次监测时可监测出脉冲发生器故障;
若查询到的返回脉冲指令与上次工控机所发脉冲指令不吻合,则累加脉冲被延迟执行的次数,并退出调速子程序;
若查询到的返回脉冲指令与上次工控机所发脉冲指令相吻合,则累加调速控制所经历时间,对记录脉冲被延迟执行次数的变量清0,计算当前控制时刻的频率值,据此算出电压值,并把电压、频率如上所述转换成脉冲指令向脉冲发生器发出;
开环调速控制程序结束。
7、根据权利要求1、5所述的基于状态自适应的中高压变频器的监控制方法,其特征在于,所述的系统一旦处于故障状态,则依次执行以下操作:跳开主断路器、投入制动电路、把当前的故障状态切换至“未就绪状态”。
8、基于状态自适应的中高压变频器的监控系统,其特征在于,它含有:经系统主电路依次连向工控机总线的变送电路和AI采集卡、经系统主电路依次与工控机总线双向连接的数字接口电路和DI/O卡,经用于驱动系统主电路的脉冲发生器而与工控机总线双向连接的并行接口电路,与工控机总线相连的显示用AO卡。
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