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摘 要：介紹一種對變頻器的關(guān)鍵電量進行監(jiān)測和記錄的系統(tǒng)的設(shè)計，本系統(tǒng)已經(jīng)在某鋼廠的軋鋼生產(chǎn)線上應(yīng)用，幫助在線監(jiān)控主軋輥的變頻器運行狀況、分析信號，如分析諧波等。
關(guān)鍵詞：變頻器；信號采集；信號分析；故障監(jiān)測；LabVIEW
維護、維修、測試變頻調(diào)速器的工作日趨重要。尤其是直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器，速度響應(yīng)快，發(fā)生過流故障時，要求在電流超過定值10μs IGBT就保護動作，所以，檢測和研究變頻器需要高速的采集和測試平臺。下面是針對高速線材軋輥用的變頻器設(shè)計的測試平臺，主軋輥采用直接轉(zhuǎn)矩控制的交-直-交型變頻器控制。
測試平臺采用工控機在線檢測系統(tǒng)，真實而快速地顯示并存儲變頻器的主要電量。檢測系統(tǒng)由工控機、適合變頻器信號采集的霍爾傳感器，高頻數(shù)據(jù)采樣卡和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件組成。由于變頻器允許過流時間很短(一般10μs)，為了記錄故障前后的電量，選用高頻差分16通道數(shù)據(jù)采集卡。主要測量變頻器的U相輸入電流，UV、VW相輸入電壓，變頻器的三相輸出電流和電壓及變頻器的直流電壓、直流電流，共11個信號。
PCI-MIO-16E-I是NI公司的高性能數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率高達1.25MHz。數(shù)據(jù)采集卡本身有一個高速的CPU，不依賴工控機，可以實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)采集。
采集的11路信號都采用霍爾元件作為傳感器，其接線原理如圖1所示。
分析軟件選用LabVIEW，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能。數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率1.25MHz，平均每路信號采樣率為114kHz。變頻器最大載波頻率一般為15kHz，所以，對大多數(shù)變頻器來說都可很好的測試信號及其主要諧波。
對變頻器的波形觀察和記錄的程序如圖2所示。程序還可用于特殊過程的監(jiān)測，如起動及制動過程的監(jiān)測和記錄。通過運行程序，從面板waveform graph中可以觀察到變頻器的各個信號的實時狀況；需要記錄時按OK按鈕，可在面板上標(biāo)記為store按鈕，用軟件觸發(fā)程序開始記錄數(shù)據(jù)。AIconfig中的channels可根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡接線的順序，正確設(shè)定要記錄的各個參量的名稱。如果研究起動、制動特性，可以在起制動前一時刻或起制動的當(dāng)時，按下store按鈕，記錄起制動過程中的數(shù)據(jù)，分析影響變頻器起制動的參數(shù)設(shè)定是否合理。
對變頻器正常運行時的信號的定期記錄可以采用圖3所示的程序。
圖3為定期采集數(shù)據(jù)的程序，從里到外共三個循環(huán)，最里面的循環(huán)完成一次要采集和記錄全部數(shù)據(jù)。max#of scans to設(shè)定了每次要記錄的數(shù)據(jù)總數(shù)；#of scans to write at a time設(shè)定每次程序要寫入的數(shù)據(jù)；如果每天記錄的次數(shù)較多，占用空間大，最好選用二進制，因為數(shù)據(jù)以二進制格式寫入最節(jié)省空間，如圖所示。被采集的11個信號的名稱分別填寫在AIconfig的Channels內(nèi)，如變頻器的UV相輸出電壓，直流母線電壓等等。采樣速率由AIstart的scan rate手動框設(shè)定。
每次程序采集并記錄的數(shù)據(jù)文件自動生成，由左上角內(nèi)標(biāo)1的虛線框完成，例如在C盤上建一個inverter子目錄，在2004年4月10日15：30：40開始執(zhí)行程序，第一個數(shù)據(jù)記錄的文件名稱為，c:＼inverter＼2005-4-17 time 15.30.40，以后每個循環(huán)所記錄的數(shù)據(jù)也會按照當(dāng)時開始采集的時間命名。這個時間的寫入由內(nèi)標(biāo)2的程序完成，稱頭文件。
軋鋼時，非常關(guān)心變頻器的諧波是否影響電網(wǎng)及負荷正常工作，我們采用圖4所示的程序來監(jiān)測變頻器的某一信號的諧波。本程序用的是平均功率譜函數(shù)，POWER.V；它可以選擇加窗的樣式，用window設(shè)置。如0：Uniform；1：Hanning；2：Hamming；3：BlackmanHarris。缺省值為Hanning窗。按照香農(nóng)采樣定律，對要分析的高次諧波，采樣率至少設(shè)定為其頻率的2倍；采樣率可達到1.25MHz。如果需要記錄當(dāng)前的波形，在程序中設(shè)置一個OK按鈕，按下則記錄波形。以后用讀數(shù)據(jù)的程序?qū)?shù)據(jù)讀出可再進行諧波分析，讀程序在這里不再累述。
為記錄變頻器故障，應(yīng)用了數(shù)字觸發(fā)功能，程序如圖5所示。
變頻器發(fā)生故障時，本身有數(shù)字量輸出。用數(shù)字觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡。程序中AIstart的Choose trigger type設(shè)置成Trigger A，將變頻器的故障輸出數(shù)字信號聯(lián)接到數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)數(shù) 字觸發(fā)端。故障前需要記錄的數(shù)據(jù)個數(shù)由AIstant的pretrigger scans設(shè)定。故障前后需要記 錄總的數(shù)據(jù)由AI config的buffer size設(shè)定，圖中標(biāo)示為the namber of scans to aquire 。程序開始記錄故障時會同時生成故障文件名稱，并存儲在事先建好的目錄中，如本程序?qū)?其存儲在D：inverters＼faults recorders子目錄下，名稱仍然以故障發(fā)生的時間自動命名 。
我們運用本系統(tǒng)監(jiān)測被測變頻器，其諧波在國標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)；出現(xiàn)故障的原因主要是參數(shù)設(shè) 定不當(dāng)，如起動、制動時間和PI調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)取?br />
