基于遠程網絡化通訊的變頻電源設計

周 敏，宮躍文，金 迪

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基于遠程網絡化通訊的變頻電源設計

周 敏，宮躍文，金 迪

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

變頻電源與模擬能源柜、模擬能源控制箱共同組成地面模擬能源系統。在伺服系統地面測試中，為燃氣/冷氣液壓伺服系統提供模擬飛行過程的液壓動力，完成導彈飛行前各項地面測試任務。在總結多次任務需求的基礎上提出網絡化變頻電源的通用設計理念，并在設計中采用小型化、模塊化的設計方法，給出整個網絡化變頻電源的設計流程，為后續設計奠定基礎，使變頻電源具有通用化和模塊化等特點。

變頻電源；伺服；地面設備

0 引 言

變頻電源與模擬能源柜、模擬能源控制箱共同組成地面模擬能源系統。以往的地面模擬能源系統主要采用模擬器件和繼電器電路進行控制，模擬器件在使用過程中容易損壞，造成設備故障。運行參數的調節均靠模擬量完成，抗干擾能力差。現場設備間通過模擬信號電纜連接，操作復雜，不利于調試、維護和排故。因此，需要建立一套以主/輔液壓系統數字傳感器和具備數字控制接口的主/輔變頻器為對象，現場總線網絡為架構的數字化控制機制，以實現地面模擬能源系統的自動化流程控制功能，提高伺服地面設備的工作效率、易操作性、可靠性及故障自動診斷能力。

系統采用大功率數字式控制智能一體化變頻電源，以及PROFIBUS-DP現場總線為通訊負載的分布式數字化模擬能源控制箱，在地面模擬能源系統中實現了控制流程的自動化控制，采用高可靠性電磁兼容設計方案，在大功率交流電機運行產生的強電磁干擾環境下，保證系統運行的穩定性。

每一級地面模擬能源系統均由變頻電源、模擬能源柜和模擬能源控制箱配套組成。網絡化變頻電源通過數字總線與模擬能源柜和模擬能源控制箱實現數字通訊與控制，為地面模擬能源柜提供動力，對其內部的主/輔電機進行調速。

變頻電源具有自檢、運行、報警等功能。在測試過程中，可以手動或通過可編程邏輯控制器（Programmabel Logic Controller，PLC）數字總線實現對變頻電源的控制功能，如：主/輔變頻器工作頻率的設定、主/輔變頻器工作頻率的啟機/停機；變頻電源能夠監測主/輔變頻器的狀態信息，如：主/輔變頻器的工作頻率、主/輔變頻器的工作電流、故障代碼、故障報警以及“緊急關機”等。

在伺服系統參與的相關測試中，為了提高測試過程的安全性、實現遠程測控以適應地面測試設備智能化的要求，變頻電源采用數字式高性能變頻器與PLC和過程現場總線（Process Field Bus，PROFIBUS）相適應的控制方式。

1 地面模擬能源系統組成及特點

以主/輔液壓系統數字傳感器和具備數字控制接口的主/輔變頻器為對象、現場總線網絡為架構的數字化控制機制，實現地面模擬能源系統的自動化流程控制，提高伺服地面設備的工作效率、易操作性、可靠性及故障自動診斷能力。圖1為地面模擬能源系統。

圖1 地面模擬能源系統

地面模擬能源系統具有以下特點：

a）一體化式結構設計。兼變頻驅動、控制通訊、嵌入式智能儀表于一身的操作臺式結構設計，增強了變頻電源的直觀性和可操作性。

b）高性能多功能變頻器。基于第5代變頻技術靜音式多功能通用變頻器，具備無速度傳感器矢量控制功能，實現無傳感器應用場合的高轉矩及高精度控制；具備電機參數的自動檢測功能，實現各種運行條件下對電機的最佳控制；超強通訊功能，應對多種總線需要；具有故障自診斷功能；具備輸入、輸出多種保護功能，防止外部電源和負載對變頻器的損壞。

c）智能化控制。通過變頻控制技術、PLC控制技術、PROFIBUS-DP現場總線技術、RS485總線控制技術實現多臺變頻電源與模擬能源柜和模擬能源控制箱的遠程控制、通訊與監測。

d）嵌入式智能儀表。各種PLC模塊和數字式智能儀表能夠實時監測變頻電源供電參數、多臺變頻器的工作狀態和運行參數。

e）可靠性設計。有效提高了變頻電源自身的電磁兼容性，提高了系統抗干擾能力。

2 變頻電源設計

變頻電源內選用高性能數字式網絡化變頻器、西門子ET200M從站，與模擬能源柜內的PLC ET200M從站IM153-1（簡稱“從站”）和模擬能源控制箱內PLC主站CPU 315-2DP（簡稱“主站”）間通過PROFIBUS-DP現場總線進行數據通訊，實現整個模擬能源系統的網絡化控制和測試功能。

變頻電源的數字式智能儀表可監控交流380 V電網的狀態，具有網絡通訊功能和報警功能，能將電網的檢測參數與模擬能源控制箱實現數字通訊。

變頻電源能發出控制指令，對模擬能源柜內的主電機和輔電機進行驅動和調速。變頻電源與其他模擬能源設備之間，通過PLC的PROFIBUS-DP網絡總線進行通訊，完成主、輔變頻器的工作頻率的設定，遠程控制啟機/停機主/輔變頻器，讀取主/輔變頻器的狀態信息，并對模擬能源柜的狀態參數進行監控。在模擬能源系統遇有緊急狀態時，可以由操作人員對變頻電源實行“緊急關機”。

2.1 系統組成

變頻電源由高性能數字式網絡化主/輔變頻器、具備PROFIBUS-DP總線接口的PLC從站及外圍控制電路組成。其中，I/II級主變頻器55 kW，最大輸出頻率500 Hz，輔變頻器7.5 kW；Ⅲ級主變頻器22 kW，最大輸出頻率1 600 Hz，輔變頻器7.5 kW。變頻電源系統組成如圖2所示[4,5]。

圖2 變頻電源系統組成

2.2 工作原理

該變頻電源符合中國通用電力標準，使用三相五線制（即A、B、C、N、PE）供電電網，通過主/輔變頻器把三相交流380 V、50 Hz工頻電源進行整流，將其變成直流電，再通過逆變器轉換成模擬能源柜所需的交流電（電壓和頻率均可變），并送入模擬能源柜內的交流電動機（感應電機），從而實現對模擬能源柜內主/輔電機的控制。變頻器由高性能智能芯片控制，監視其運行過程，具有過壓、過流、接地短路等數十種保護功能，能及時顯示相應的故障代碼。變頻器內部設有動力端子排和控制端子排。變頻器控制端采用了具有遠程網絡功能的PROFIBUS-DP接口，使PLC從站通過MODBUS協議與模擬能源控制箱PLC主站實現變頻器的控制[6]。

2.3 結構設計

變頻電源采用操作臺式結構，在變頻電源的顯示及操作面板上設有數字式智能顯示儀表、啟機/停機按鈕和選擇開關。變頻電源內部設有前、后2個背板，前背板上裝有高性能網絡化主/輔變頻器各一臺，以及保護電路使用的斷路器、電流互感器、接線端子；后背板上裝有各種控制電路使用的智能網絡化PLC從站、數字I/O模塊、24 V直流電源、斷路器、繼電器、電源濾波器、接線端子排。在變頻電源機柜右側板上有380 V交流電源插座、主電機插座、輔電機插座、通訊插座、緊急停機插座以及地線接線螺釘，還設計了獨立的隔離變壓器裝在機柜的底板上。

柜體下面有腳輪，可以用來推動機柜，在運輸過程中，可以用叉車從下面叉起機柜放進包裝箱中，便于移動和運輸。柜體前、后各有2個門，每個門上2個百葉窗和1個風機，當變頻電源工作時，風機利用防風罩散熱。變頻電源機柜的4個門及左右側板均可以打開并取下。變頻電源就位后，將4個地腳螺栓旋轉到低于腳輪的高度撐住柜體，以免腳輪因長期承受重負荷而損壞。變頻電源結構如圖3所示。

圖3 變頻電源結構

2.4 主電路

380 V三相交流電經過變頻電源的隔離開關，送到變頻電源內部的各元器件上。動力電經過斷路器分別送入主/輔變頻器的動力輸入端子，主/輔變頻器的動力輸出端子經過動力接線端子及插座，再經過電纜，連接到模擬能源柜的主/輔電機上。在主/輔變頻器的動力輸入及輸出端子上，分別連接電源濾波器，可有效減小干擾。變頻電源主電路如圖4所示。

圖4 變頻電源主電路

2.5 網絡通訊電路

變頻電源內部選用了具有網絡通訊接口的PLC從站，與具有網絡通訊接口的主/輔變頻器通過通訊協議和模擬能源控制箱的PLC主站進行通訊。由控制箱的PLC通過通訊網絡，給主、輔變頻器發送指令：設定工作頻率，啟機/停機主/輔變頻器，接收主/輔變頻器的狀態信息（工作頻率、主/輔電機電流、報警狀態等），實時監測主/輔變頻器的運行狀態，并在模擬控制箱的觸摸屏上顯示相關信息，在緊急情況下通過緊急停機按鈕實現緊急關機。此外，變頻電源內部的PLC從站還配有通訊模塊和數字量輸入/輸出模塊，通訊模塊實時監測380 V三相交流電源的電壓、電流等供電參數。輸入、輸出模塊連接模擬能源柜內的各種器件和儀表，PLC從站上的信息通過PROFIBUS-DP總線傳送給模擬能源控制箱內的PLC主站，實現遠程網絡通訊控制。變頻電源與遠控箱的網絡通訊電路如圖5所示[7]。

圖5 變頻電源的網絡通訊電路

2.6 顯示及報警電路

4個按鈕指示燈，能夠顯示主/輔變頻器的啟機/停機狀態，無論變頻電源處于“自檢”或“運行”狀態下，主/輔變頻器的啟機/停機狀態，都可以通過這4個按鈕的指示燈顯示出來。還有電源報警燈、主機警燈、輔機警燈3個報警指示燈以及1個故障報警聲報警器。變頻電源在運行過程中，HB3309智能三相綜合電參數監測儀實時監測380 V三相交流電源。當檢測到電源故障時，其常開觸點閉合，發出報警信號，電源故障指示燈亮。變頻電源在運行過程中，模擬能源柜和變頻電源的各種狀態信息、各報警狀態，通過開關量送給ET200M，控制箱的PLC主站可以讀取報警信息。

HB3309智能三相綜合電參數監測儀連接3個電流互感器，可以顯示變頻電源的380 V三相交流電源的三相電壓值、三相電流值等電參數。

計時器可顯示變頻電源的通電時間、主變頻器（及主電機）和輔變頻器（及輔電機）的累計工作時間。

2.7 控制功能

在伺服系統參與的有關測試中，為提高測試過程的安全性、實現遠程測控以適應地面測試設備智能化的要求，變頻電源采用了與PLC和PROFIBUS總線相適應的控制方式，采用了本控與遠控、手動與自動相結合的多種選擇的雙冗余的設計方案，保證了各項試驗任務順利有效的按時完成。

變頻電源設計了“本控”、“遠控”2種狀態的操作，在啟機/停機控制過程中設計了互鎖保護電路。

當開關在“本控”位置時，可以對變頻電源的各種狀態參數進行檢測。通過2個比例調節旋鈕調節主/輔變頻器的頻率和比例閥電流。操作4個按鈕可以使主/輔變頻器自身的啟機/停機。

當開關在“遠控”位置時，控制箱通過對變頻電源的遠程控制，可以對模擬能源柜的各種狀態參數進行檢測，實現了設定、啟機、調壓、接通、斷開、停機的流程化管理的自動控制過程。

2.8 自檢功能

采用2個二位撥動開關完成自檢功能的設計，1個二位撥動開關可以將變頻電源切換到“自檢”、“運行”兩種狀態。當該開關在“自檢”位置，將另1個二位撥動開關撥到“報警自檢”位置，可以檢測電源報警燈、主機警燈、輔機警燈3個報警指示燈以及1個故障報警聲報警器。同時，將“自檢”狀態轉換成開關量，輸入到ET200M，控制箱讀取ET200M的信息，得知變頻電源處于“自檢”狀態。

給主/輔變頻器相應的功能代碼設定合適的參數后，操作2個旋鈕能分別調節主/輔變頻器的工作頻率，操作4個按鈕可以使主、輔變頻器啟機/停機。在2個時間繼電器的控制下，主/輔變頻器的啟機/停機按照時序要求：啟機次序為輔變頻器、延時繼電器（1個時間繼電器起作用，延時時間為設定預定時間）、主變頻器；停機次序為主變頻器、輔變頻器（另1個時間繼電器起作用，延時時間為設定預定時間）。

2.9 運行功能

將選擇開關均撥到“運行”位置，連接變頻電源與模擬能源控制箱和模擬能源柜之間的電纜，通過約定的通訊協議以及設定的主/輔變頻器的有關代碼的參數，模擬能源控制箱可以對變頻電源進行遠程控制，讀取主/輔變頻器內部的相關代碼和參數，并獲取三相電參數綜合監測儀的電參數，變頻電源驅動模擬能源柜內的主/輔電機按照要求的指令實現對能源柜內部主/輔電機的控制。

2.10 緊急關機功能

變頻電源通電以后，在任何需要的情況下，按下變頻電源操作面板上的“緊急關機”按鍵，該按鍵的2個常閉觸點斷開，主變頻器立即停機，在1個時間繼電器的作用下，輔變頻器延時停機，同時，聲音故障報警器“鳴響”。

在模擬能源控制箱上，也設有1個遠程控制“緊急關機”按鍵，將控制箱的相應電纜與變頻電源連接后，控制箱的“緊急關機”按鍵的作用和效果與變頻電源操作面板上的“緊急關機”按鍵完全相同。

2.11 安全性

變頻電源設有隔離開關，隔離開關未閉合而變頻電源連接的外部動力配電柜已經給變頻電源通電時，可以操作變頻電源面板上的轉換開關，檢測380 V三相交流電壓，如果電壓不合格，則不允許給變頻電源通電，即可從技術安全的角度確保設備的安全。

主/輔變頻器有過電壓、過電流、欠電壓、短路、斷路、缺相、過熱等數十種自動保護功能，在超出變頻器技術條件規定的情況下，主/輔變頻器能夠自動保護。

在主/輔變頻器的輸入端，隔離變壓器的輸入和輸出端，24 V直流電源的輸出端設置了保護電路，安裝了斷路器，在軸流風機的火線上安裝了保險管。如果發生過電流，則斷路器會跳閘，切斷故障電路，防止危害進一步擴大。

變頻電源在與模擬能源控制箱和模擬能源柜連接后，控制箱可以讀取變頻電源內主/輔變頻器的狀態信息，讀取380 V交流電源的狀態信息，即對變頻電源進行實時監測，如果發現變頻電源或者模擬能源系統有異常，則控制箱的觸摸屏提示操作人員進行判斷處理，也可以操作變頻電源的“緊急關機”按鈕，使變頻電源停止工作，進而使模擬能源柜的主電機（主泵）、輔電機（輔泵）停機。

變頻電源機柜有單獨的地線，將變頻電源機柜的殼體與外部380 V交流動力配電柜的保護地線相連接，防止操作人員觸電。

變頻電源的電裝，絕大部分導線采用壓接方式連接，執行航天電裝的標準。

在設計上，變頻電源所選用的插頭、插座結構上有差別，在插頭、插座處有標識，防止電纜接插錯誤。

模擬能源柜可能在有防爆要求場合下使用，連接模擬能源柜的主/輔電機電纜插頭，均選用防爆插頭（模擬能源柜的主/輔電機插座為相應的防爆插座）。

2.12 可靠性

a）設計了獨立的供電隔離電源為HB3309智能三相綜合電參數監測儀和PLC模塊供電；

b）設計了各種保護電路有效地保護了誤操作對能源系統運行的危害；

c）對變頻電源的功率電路進行了降額設計，在其功率和電流值上，對各自的應用對象（即電機）有20%以上的余量，使變頻電源穩定工作。

2.13 電磁兼容

變頻電源的控制功能和動力功能均滿足使用要求。由于變頻器為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）工作方式，在對中頻電機進行驅動和調速的過程中，會產生高次諧波干擾，嚴重時會影響弱電測控設備的正常工作。

變頻電源選用施耐德公司55 kW和22 kW變頻器，內部安裝直流電抗器，變頻器的電磁兼容性等級（Electro Magnetic Compatibility，EMC）為A級，保證了使用網絡控制的模擬能源系統的工作的可靠性。

變頻電源的220 V交流元器件使用了隔離變壓器和220 V交流濾波器，有效地減小主、輔變頻器帶主、輔電機運行時對遠程數字控制站點模擬量和開關量信號的干擾。

變頻電源的電纜設計采用了屏蔽電纜，變頻電源內部動力線和控制線分別布局以及內部接地的分別處理保證了變頻電源的穩定運行。

3 結 論[8]

基于遠程網絡化通訊的變頻電源已應用于多個地面模擬能源控制設備的研制生產，實現了對地面模擬能源系統的控制，在控制系統仿真實驗室、綜合試驗室、靶場和總裝廠均參加了相關的試驗，在試驗過程中，設備運行狀態良好、可靠性高。應用此技術的設備與同級別設備相比較，具有一定的先進性，應用前景十分廣闊。

a）通過PLC控制技術、PROFIBUS-DP現場總線，實現對地面模擬能源系統的通訊、監測及控制。

b）變頻電源選用具有網絡功能的通訊模塊，完成現場和遠程通訊、測控，實現了變頻電源與PLC從站和主站之間的網絡通訊功能。

c）采用HB3309智能三相綜合電參數監測儀監控380 V交流電網的狀態，具有網絡通訊功能，通過總線方式與控制箱進行通訊，實時遠程監控電網狀態。

d）采用了操作臺式嵌入式數字面板表式結構，增強了變頻電源的直觀性和可操作性。

e）在動力電纜設計上改用了屏蔽電纜設計，進一步提高了變頻電源自身的電磁兼容性。

f）總線技術減少了傳統布線，提高了系統抗干擾能力。

g）通過總線控制，變頻電源不僅可以進行單元測試，還可進行系統測試，實現現場無人測試。

h）掌握PLC硬件架構、軟件編程、人機交互界面設計，實現設備現場遠程控制，并應用于多個地面模擬能源控制設備。

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Viable Frequency Power Design based on Remote Network Communication

Zhou Min, Gong Yue-wen, Jin Di

(Beijing Institute of Precise Mechanical and Electrical Control Equipment, Beijing, 100076)

Ground simulated power system including variable frequency power supply, simulated power cabinet, and simulated power control box. It can be used to provide hydraulic power for the cold gas hydraulic servo system during ground test of servo system. In this paper, a general design concept of networked variable frequency power is put forward based on the requirements for several model missions. Miniaturization and modularization are adopted during the design and the design flow is presented to obtain higher efficiency variable frequency power of modularization and generalization, and to lay the foundations for the future design.

Variable frequency power; Servo; Ground equipment

1004-7182(2016)03-0101-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20160324

V448.25

A

2015-03-10；

2015-07-15

周 敏（1965-），女，高級工程師，主要研究方向為變頻電源設計