DX-600發射機阻隔風機備份控制線路的設計與應用

海峽之聲廣播電臺佛曇分臺 劉俊峰 熊阿偉 盧偉權

一、線路設計背景

ARRIS公司DX600全固態中波發射機的合成器使用的是“帶有浮動阻隔負載的三路90度相移并機設備”，其中，阻隔負載的作用是消耗掉三個PB（PB是指一個DX200功率單元）不平衡所產生的功率。當發射機系統正常運行時，理論上各PB阻隔負載電阻上沒有射頻電流通過，就沒有功率消耗，但各PB不可能完全平衡，會在阻隔負載電阻上產生一定電流，特別是當某個PB發生故障或異常時，該PB阻隔負載電阻上的電流會突然增大，需要靠風機來冷卻。DX600發射機的合成器使用了3臺冷卻風機，通過BALDOR風機變頻控制器控制，可以根據發射機的不同工作狀態改變風機的轉速，有效地對阻隔負載進行冷卻。

正常工作時，阻隔負載上沒有耗散功率，三臺冷卻風機低速運行；如果發生一個功放單元關斷或阻隔負載上出現有電流時，三臺冷卻風機就被控制到高速運行，以對阻隔負載進行冷卻。直到阻隔負載上的電流下降到正常值，冷卻風機又返回到低速運行狀態。

當變頻控制器發生故障時，不僅風機無法運轉，還會發送故障狀態信號給發射機合成器（CCU）接口板，致使發射機無法開機或直接關機，而這將造成重大停播事故。針對這一情況，我們設想，雖然風機控制器損壞且無法實現短時間內更換，但此時DX-600發射機的其他部分都是完好的，只需有一條備份的冷卻風機控制線路能使冷卻風機恢復運轉，同時將原控制器故障信號屏蔽，發射機就可以繼續恢復運行，從而防止發生因發射機風機控制器故障而造成的停播事故，確保安全播出。如果在原線路基礎上，加裝一臺有功率冗余的矢量型交流變頻器作為備份風機控制器，調節冷卻風機轉速，徹底解決了因發射機風機控制器故障而造成的發射機停機故障，進一步增強了發射機運行的安全穩定。因此，對冷卻風機控制線路進行備份改造是十分重要和必要的。

二、阻隔負載冷卻控制工作原理

DX600發射機合成器阻隔負載冷卻系統控制電路如圖1所示，由輸入電源保險開關、合成器控制線路、變頻控制器和冷卻風機四個部分組成，其中風機變頻控制器為寶德公司15H系列的15H401，采用PWM調制、V/f控制型馬達控制逆變器，輸入電壓為460V，輸入頻率為50HZ，功率大小為7.5馬力，輸入端子TB1的L1、L2、L3接三相輸入電源，輸出端子TB2的T1、T2、T3接三相冷卻風機。在DX600發射機應用中其選用的工作模式是15 SPEED控制模式，在此模式下變頻控制器控制端口J5的定義和實際連線如圖2和表1所示。

圖1 阻隔負載風機控制電路圖

表1 15 SPEED模式下速度控制真值表

圖2 變頻器15 SPDDE 模式下J5端子定義與連接線

圖3 阻隔風機備份改造線路圖

風機的運行速度是由J5-11、J5-12、J5-13、J5-14組成的二進制數來控制，。當DX600發射機運行正常時，理論上阻隔負載電阻上沒有電流，不會消耗功率，但實際上三個功放單元不可能完全平衡，就會在阻隔負載電阻上產生一定電流，消耗一定功率。正常狀態下，合成器接口板根據檢測到阻隔負載上電流情況輸出二進制的控制信號“0010”到變頻控制器的J5-11、J5-12、J5-13、J5-14端口，使阻隔風機運行在24HZ頻率下；當發射機三個功放單元間出現輸出功率嚴重不平衡時，阻隔負載上通過的電流會增大，消耗功率過大，合成器接口板輸出二進制的控制信號就會不斷增大，當達到“1001”時，控制風機運行速度的電源頻率就會增加到54HZ。

變頻控制器端口J5-19至J5-22是狀態信號輸出接口，其信號輸入到合成器接口板中，以反饋變頻控制器的運行情況，而使發射機進行正確的控制。當變頻控制器運行正常時，J5-19輸出低電平，J5-22輸出高電平，發射機能正常運行；當變頻控制器發生故障時，J5-19輸出變為高電平，J5-22輸出變為低電平，使發射機不能正常工作。

三、改造線路的設計

當發生變頻控制器故障時，一方面阻隔負載風機控制器無變頻電源輸出而不工作，另一方面因故障信號而使發射機不能開機。故從這兩個方面來考慮該故障應急處理的方法：在圖一中，風機控制器經TB2給三臺并聯的風機供電，風機前端都有一個保險盒，且預留了一備用保險盒（F10、F11、F12）。

如圖3所示，在線路中加裝備份變頻控制器（DELTA VFD-B向量性交流馬達控制器）和電源切換開關K1、K2。DX-600型發射機內阻隔風機功率為2馬力，3臺風機的功率為6馬力，約合4.5KW，考慮設計時應給予一定的功率冗余，遂采用了5.5KW的變頻控制器應急時可將主用變頻控制器前端電源斷開，且斷開K2，防止反送電，并將主用變頻器前端的30A保險（F1、F2、F3）插至備用保險盒（F10、F11、F12）處給三臺風機供電，然后合上K1給備份變頻器供電來控制風機運行；另外，如圖三所示，在線路中加裝信號切換開關S1將控制器狀態信號線J5-19接地、J5-22甩開懸空，使其維持正常運行狀態送往CCU接口板，不致產生關機指令，使發射機能夠得以正常開機。至此，就可甩開故障的主用風機控制器，實現發射機在此故障情況下的應急播出。通過該項目改造，在處理此類故障時，能在1分鐘以內恢復正常三并機播出技改實物圖見圖4。

此時，我們還需要考慮另一個問題，即如何讓備份變頻器能夠像原配控制器一樣根據阻隔負載上消耗功率的大小來實現變頻輸出，從而動態控制冷卻風機轉速，在實現備份功能的同時還能確保設備出現異態時的安全穩定，通過對發射機該部分設備及線路的細致研究和多次實驗，我們設計并應用了兩套方案。

方案一：直接利用原有控制信號對備份變頻器進行新的編程，使其控制信號、狀態反饋信號和速度控制信號與原變頻器一致，控制其輸出電源頻率，即可實現備份功能，如圖5所示。

分析BALDOR風機變頻器的工作原理和發射機對變頻器的控制原理。結合發射機圖紙和BALDOR變頻器說明書，可以發現，發射機通過其TCU單元的CCU接口板送出的控制信號對風機變頻器進行控制。其中，CCU接口板的J11-3和4分別是低電平有效的開機使能信號“enable”和開機信號“forward”，可以實現對變頻器的開機、關機控制。J11-5、6、7、8是低電平有效的速度控制信號“speed B1”至“speed B4”，可以根據發射機送出的不同指令，實現風機變頻器輸出的24 Hz、36 Hz、48 Hz、54Hz變頻，從而改變阻隔風機的轉速。J11-10、11、12、13是變頻器的狀態反饋信號，這些信號都是開關量，通過變頻器內部狀態反饋繼電器的動作，實現對地的開路或短路，使發射機的PLC系統能監測到變頻器的不同工作狀態，并通過發射機的觸摸屏予以狀態顯示。各引腳的具體功能如下：J11-10“ready”反映變頻器的就緒狀態，通地表示“就緒”，斷開表示“未就緒”；J11-12“at speed”反映變頻器風機的速度狀態，通地表示“正常”，斷開表示“速度錯誤”；J11-13“fault”反映變頻器的故障狀態，通地表示“變頻器故障”，斷開表示“正常”；J11-10、11、12還同時反應風機變頻器與PLC系統的連接狀態，它們三個當中，有任何一個通地，就表示變頻器與PLC系統連接正常，否則觸摸屏將顯示“offline”故障。

圖4 技改實物圖

圖6 溫控儀參數設置示意圖

圖5 變頻器配線圖

根據發射機對變頻器的控制原理，對備份變頻器進行編程：(1)將變頻器的多功能數字輸入端FWD(圖五中紅框位置所示)的高、低電平定義成有效的使能信號和開機信號，實現對變頻器的開機、關機控制。(2)將MI1、MI2、MI3和MI4(圖五中紅框位置所示)定義成低電平有效的速度控制信號，根據發射機送出的不同指令，實現24 Hz、36 Hz、48 Hz、54Hz變頻，改變阻隔風機的轉速。(3)對變頻器中4個狀態反饋繼電器的輸出進行編程，使其功能和輸出電平與發射機CCU接口板的J11-10、11、12、13相對應，將變頻器的工作狀態送到發射機的PLC系統中。(4)將風機銘牌上的額定電壓、電流、轉速和功率的數值輸入到變頻器中，修改變頻器的“加速/減速”時間參數，最后將所有參數保存，即完成了對變頻器的編程，備份變頻器加電后就可以按設置的編程指令執行輸出了。

方案二：通過XMT60X型溫控儀將阻隔負載溫度的取樣變換成4～20mA信號，并作為備份變頻器的ACI輸入信號來控制其輸出電源頻率，實現備份功能，如圖6所示。

原配的BALDOR控制器是由其主板上的16位單片機來控制的，而備份控制器則是采用國產的變頻器來替代，由于兩者內部芯片不同，在進行編程設計和功能實現上也會有所區別，達不到與原配的控制器完全一樣的功能。不過可以另辟蹊徑，當DX600發射機運行過程中一旦出現單個PB故障脫機，造成阻隔負載出現不平衡的時候，電流必然會加大，負載上消耗的功率就大，若此時風速不變，并機網絡柜內必然會產生溫度升高的情形，那就可以嘗試利用阻隔負載溫度的變化來實現控制器的變頻輸出。

在線路設計中，我們在阻隔電阻機柜內安裝了一個高敏度的K型熱電偶，并通過該熱電偶將實時溫度傳至溫控器(如圖4中所示，選用帶變送功能的智能控制儀)，再由溫控器根據接收到的感應溫度來輸出4-20mA的變送信號至備份變頻控制器，作為主頻率命令設定的來源ACI信號，如圖5中紅線所示。

根據多次的實驗測量數據，我們得知在正常運行情況下，阻隔負載溫度保持在大約44℃左右，而在進行并機切換時，如果風機仍保持24Hz低速運行，阻隔負載溫度將快速上升至72℃左右，接下來將依據這兩個溫度數值對溫控儀進行設置。溫控儀采用的是XMT60X型智能控制器，從功能上講就是一臺指示報警儀。可以接受多種測量信號。它有兩副動作點可以在量程范圍內設定繼電器輸出，可以用來進行一些邏輯控制，具體功能實現要根據控制要求來設計方案。還有一路信號輸出(變送)，可以作為多處顯示，或作為調節器、DCS的信號，配上執行機構組成調節系統，本次改造即利用了其信號變送輸出的功能。

在對溫控儀設置完畢后，我們通過操作面板再對變頻器進行設置(如圖6所示)，先將備份變頻器輸出頻率上下限設置為25-50HZ，再將頻率指令來源設定為由外部端子ACI輸入模擬信號DC 4-20mA來控制，最后對頻率遞進速度進行設置，即可實現變頻器在不同情況下在25HZ-50HZ范圍內的動態變頻輸出。(不同品牌變頻器的設置方法會有差異，但大致原理相同。)

四、改造線路的應用說明

該備份線路改造完工后，即可以實現在阻隔風機控制器出現故障時及時恢復DX-600發射機的播出，在具體實踐上需要掌握好以下幾個步驟：

1.確認故障后立即將切換開關打至“備份”位置，將J5-19至J5-22兩個故障檢測信號切換為正常信號輸送至CCU，使發射機不會產生關機信號；

2.立即以三并機狀態開機，恢復播出；此時雖然阻隔風機未轉，但此時平衡狀態下短時間的冷卻風機停轉不會對阻隔負載造成損壞；

3.將主電源保險插入空的保險插座內，使原主電源保險座斷開，而原來的空保險座充當主電源保險座；

4.合K1，恢復各保險座與各自對應的風機電源線路的聯通，同時斷開K2，切斷原風機控制器電源輸出口與各保險座之間的聯通，防止反送電，造成對原控制器進一步的損害；

5.按備用控制器面板上“RUN”鍵(也可以通過設置，使其得電后自動運行)，控制器根據設置既可以選擇按內部編程指令來執行輸出頻率，也可以選擇根據從溫控儀送來的模擬信號DC 4-20mA信號來控制輸出電機電源的頻率，風機開轉，恢復冷卻。

從上述步驟可以看出，實際上真正恢復播出的步驟只需1和2步，操作時間完全可以控制在1分鐘以內，需要注意的是，如果在執行三并機開機之前就已經發現有不確定因素存在，或開機過程中出現單個PB未成功啟動，應立刻關機，待把3、4、5步完成后再進行開機操作。

自該改造線路投入使用后，經過了多次運行試驗，線路運行一直穩定可靠，可快速切換備份線路控制阻隔風機運行，備份變頻器在運行過程中，工作穩定，操作方便，能根據發射機的指令及阻隔負載上的溫度變化，實時變換輸出頻率，對阻隔風機進行控制，很好地完成對阻隔負載的冷卻，變頻器的工作狀態也能順利反饋至發射機PLC；風機運轉控制正常，風量符合要求，冷卻效果很好，而且該備份線路幾乎不對設備原有線路產生任何影響，無論是電源和信號通路都實現了主、備隔離。該改造進一步完善了發射機阻隔風機控制系統的備份措施，使發射機運行更加穩定可靠，提高了播出的安全可靠性。

隨著社會的發展進步，變頻技術越來越成熟，已經廣泛應用于我們的日常生活當中。原裝BALDOR風機變頻器價格昂貴，購買和維修成本都較高。而市場上變頻器的型號比較多，價格相對便宜，可根據需要選擇購買。我們在實施項目改造時，采用的是與DX600發射機原裝變頻器性能相近的變頻器，該變頻器編程容易上手，操作方便，經過多次試驗和長時間運行，各項指標均符合要求，性能可靠。而且我們選擇的矢量型變頻器額定功率比原裝變頻器大，工作狀態也十分穩定，有效避免了當原裝變頻器發生故障時，較長時間停播事故的發生。

此項技改項目的實施，有效節約了備件購買經費，后續的維修維護也十分方便。該項目可借鑒度高，推廣性強，目前已在我臺范圍內得到實際應用，也值得其他兄弟臺站借簽。

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