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变频器信号采集、分析及故障监测系统
介绍一种对变频器的关键电量进行监测和记录的系统的设计,本系统已经在某钢厂的轧钢生产线上应用,帮助在线监控主轧辊的变频器运行状况、分析信号,如分析谐波等。
关键词:变频器;信号采集;信号分析;故障监测;
LabVIEW
维护、维修、测试变频调速器的工作日趋重要。尤其是直接转矩控制的变频器,速度响应快,发生过流故障时,要求在电流超过定值
10
μ
s IGBT
就保护动作,所以,检测和研究变频器需要高速的采集和测试平台。下面是针对高速线材轧辊用的变频器设计的测试平台,主轧辊采用直接转矩控制的交
-
直
-
交型变频器控制。
测试平台采用工控机在线检测系统,真实而快速地显示并存储变频器的主要电量。检测系统由工控机、适合变频器信号采集的霍尔
传感器
,高频数据采样卡和相应的数据分析软件组成。由于变频器允许过流时间很短
(
一般
10
μ
s)
,为了记录故障前后的电量,选用高频差分
16
通道数据采集卡。主要测量变频器的
U
相输入电流,
UV
、
VW
相输入电压,变频器的三相输出电流和电压及变频器的直流电压、直流电流,共
11
个信号。
PCI-MIO-16E-I
是
NI
公司的高性能数据采集卡,采样频率高达
1.25MHz
。数据采集卡本身有一个高速的
CPU
,不依赖工控机,可以实现高速率的数据采集。
采集的
11
路信号都采用霍尔元件作为传感器,其接线原理如图
1
所示。
分析软件选用
LabVIEW
,它内置信号采集、测量分析与数据显示功能。数据采集卡采样频率
1.25MHz
,平均每路信号采样率为
114kHz
。变频器* 大载波频率一般为
15kHz
,所以,对大多数变频器来说都可很好的测试信号及其主要谐波。
对变频器的波形观察和记录的程序如图
2
所示。程序还可用于特殊过程的监测,如起动及制动过程的监测和记录。通过运行程序,从面板
waveform graph
中可以观察到变频器的各个信号的实时状况;需要记录时按
OK
按钮,可在面板上标记为
store
按钮,用软件触发程序开始记录数据。
AIconfig
中的
channels
可根据数据采集卡接线的顺序,正确设定要记录的各个参量的名称。如果研究起动、制动特性,可以在起制动前一时刻或起制动的当时,按下
store
按钮,记录起制动过程中的数据,分析影响变频器起制动的参数设定是否合理。
对变频器正常运行时的信号的定期记录可以采用图
3
所示的程序。
图
3
为定期采集数据的程序,从里到外共三个循环,*里面的循环完成一次要采集和记录全部数据。
max#of scans to
设定了每次要记录的数据总数;
#of scans to write at a time
设定每次程序要写入的数据;如果每天记录的次数较多,占用空间大,* 好选用二进制,因为数据以二进制格式写入*节省空间,如图所示。被采集的
11
个信号���名称分别填写在
AIconfig
的
Channels
内,如变频器的
UV
相输出电压,直流母线电压等等。采样速率由
AIstart
的
scan rate
手动框设定。
每次程序采集并记录的数据文件自动生成,由左上角内标
1
的虚线框完成,例如在
C
盘上建一个
inverter
子目录,在
2004
年
4
月
10
日
15
:
30
:
40
开始执行程序,第 一个数据记录的文件名称为,
c:
\
inverter
\
2005-4-17 time 15.30.40
,以后每个循环所记录的数据也会按照当时开始采集的时间命名。这个时间的写入由内标
2
的程序完成,称头文件。
轧钢时,非常关心变频器的谐波是否影响电网及负荷正常工作,我们采用图
4
所示的程序来监测变频器的某一信号的谐波。本程序用的是平均功率谱函数,
POWER.V
;它可以选择加窗的样式,用
window
设置。如
0
:
Uniform
;
1
:
Hanning
;
2
:
Hamming
;
3
:
Blackman
Harris
。缺省值为
Hanning
窗。按照香农采样定律,对要分析的高次谐波,采样率至少设定为其频率的
2
倍;采样率可达到
1.25MHz
。如果需要记录当前的波形,在程序中设置一个
OK
按钮,按下则记录波形。以后用读数据的程序将数据读出可再进行谐波分析,读程序在这里不再累述。
为记录变频器故障,应用了数字触发功能,程序如图
5
所示。
变频器发生故障时,本身有数字量输出。用数字触发数据采集卡。程序中
AIstart
的
Choose trigger type
设置成
Trigger A
,将变频器的故障输出数字信号联接到数据采集卡的相应数
字触发端。故障前需要记录的数据个数由
AIstant
的
pretrigger scans
设定。故障前后需要记
录总的数据由
AI config
的
buffer size
设定,图中标示为
the namber of scans to aquire
。程序开始记录故障时会同时生成故障文件名称,并存储在事先建好的目录中,如本程序将
其存储在
D
:
inverters
\
faults recorders
子目录下,名称仍然以故障发生的时间自动命名
。
我们运用本系统监测被测变频器,其谐波在国标规定范围内;出现故障的原因主要是参数设
定不当,如起动、制动时间和
PI
调节参数设置不当等。
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