变频器信号采集、分析及故障监测系统

　　摘　要：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10μs 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10μs)，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。变频器最大载波频率一般为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，最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，最好选用二进制，因为数据以二进制格式写入最节省空间，如图所示。被采集的11个信号的名称分别填写在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睭arris。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。
作者：黄灵芝1，刘玉军2(1.辽宁科技学院自控系，辽宁本溪 117022； 2.北台钢铁集团)   来源：仪表技术