基于远程网络化通讯的变频电源设计

周 敏，宫跃文，金 迪



基于远程网络化通讯的变频电源设计

周 敏，宫跃文，金 迪

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

变频电源与模拟能源柜、模拟能源控制箱共同组成地面模拟能源系统。在伺服系统地面测试中，为燃气/冷气液压伺服系统提供模拟飞行过程的液压动力，完成导弹飞行前各项地面测试任务。在总结多次任务需求的基础上提出网络化变频电源的通用设计理念，并在设计中采用小型化、模块化的设计方法，给出整个网络化变频电源的设计流程，为后续设计奠定基础，使变频电源具有通用化和模块化等特点。

变频电源；伺服；地面设备

0 引 言

变频电源与模拟能源柜、模拟能源控制箱共同组成地面模拟能源系统。以往的地面模拟能源系统主要采用模拟器件和继电器电路进行控制，模拟器件在使用过程中容易损坏，造成设备故障。运行参数的调节均靠模拟量完成，抗干扰能力差。现场设备间通过模拟信号电缆连接，操作复杂，不利于调试、维护和排故。因此，需要建立一套以主/辅液压系统数字传感器和具备数字控制接口的主/辅变频器为对象，现场总线网络为架构的数字化控制机制，以实现地面模拟能源系统的自动化流程控制功能，提高伺服地面设备的工作效率、易操作性、可靠性及故障自动诊断能力。

系统采用大功率数字式控制智能一体化变频电源，以及PROFIBUS-DP现场总线为通讯负载的分布式数字化模拟能源控制箱，在地面模拟能源系统中实现了控制流程的自动化控制，采用高可靠性电磁兼容设计方案，在大功率交流电机运行产生的强电磁干扰环境下，保证系统运行的稳定性。

每一级地面模拟能源系统均由变频电源、模拟能源柜和模拟能源控制箱配套组成。网络化变频电源通过数字总线与模拟能源柜和模拟能源控制箱实现数字通讯与控制，为地面模拟能源柜提供动力，对其内部的主/辅电机进行调速。

变频电源具有自检、运行、报警等功能。在测试过程中，可以手动或通过可编程逻辑控制器（Programmabel Logic Controller，PLC）数字总线实现对变频电源的控制功能，如：主/辅变频器工作频率的设定、主/辅变频器工作频率的启机/停机；变频电源能够监测主/辅变频器的状态信息，如：主/辅变频器的工作频率、主/辅变频器的工作电流、故障代码、故障报警以及“紧急关机”等。

在伺服系统参与的相关测试中，为了提高测试过程的安全性、实现远程测控以适应地面测试设备智能化的要求，变频电源采用数字式高性能变频器与PLC和过程现场总线（Process Field Bus，PROFIBUS）相适应的控制方式。

1 地面模拟能源系统组成及特点

以主/辅液压系统数字传感器和具备数字控制接口的主/辅变频器为对象、现场总线网络为架构的数字化控制机制，实现地面模拟能源系统的自动化流程控制，提高伺服地面设备的工作效率、易操作性、可靠性及故障自动诊断能力。图1为地面模拟能源系统。

图1 地面模拟能源系统

地面模拟能源系统具有以下特点：

a）一体化式结构设计。兼变频驱动、控制通讯、嵌入式智能仪表于一身的操作台式结构设计，增强了变频电源的直观性和可操作性。

b）高性能多功能变频器。基于第5代变频技术静音式多功能通用变频器，具备无速度传感器矢量控制功能，实现无传感器应用场合的高转矩及高精度控制；具备电机参数的自动检测功能，实现各种运行条件下对电机的最佳控制；超强通讯功能，应对多种总线需要；具有故障自诊断功能；具备输入、输出多种保护功能，防止外部电源和负载对变频器的损坏。

c）智能化控制。通过变频控制技术、PLC控制技术、PROFIBUS-DP现场总线技术、RS485总线控制技术实现多台变频电源与模拟能源柜和模拟能源控制箱的远程控制、通讯与监测。

d）嵌入式智能仪表。各种PLC模块和数字式智能仪表能够实时监测变频电源供电参数、多台变频器的工作状态和运行参数。

e）可靠性设计。有效提高了变频电源自身的电磁兼容性，提高了系统抗干扰能力。

2 变频电源设计

变频电源内选用高性能数字式网络化变频器、西门子ET200M从站，与模拟能源柜内的PLC ET200M从站IM153-1（简称“从站”）和模拟能源控制箱内PLC主站CPU 315-2DP（简称“主站”）间通过PROFIBUS-DP现场总线进行数据通讯，实现整个模拟能源系统的网络化控制和测试功能。

变频电源的数字式智能仪表可监控交流380 V电网的状态，具有网络通讯功能和报警功能，能将电网的检测参数与模拟能源控制箱实现数字通讯。

变频电源能发出控制指令，对模拟能源柜内的主电机和辅电机进行驱动和调速。变频电源与其他模拟能源设备之间，通过PLC的PROFIBUS-DP网络总线进行通讯，完成主、辅变频器的工作频率的设定，远程控制启机/停机主/辅变频器，读取主/辅变频器的状态信息，并对模拟能源柜的状态参数进行监控。在模拟能源系统遇有紧急状态时，可以由操作人员对变频电源实行“紧急关机”。

2.1 系统组成

变频电源由高性能数字式网络化主/辅变频器、具备PROFIBUS-DP总线接口的PLC从站及外围控制电路组成。其中，I/II级主变频器55 kW，最大输出频率500 Hz，辅变频器7.5 kW；Ⅲ级主变频器22 kW，最大输出频率1 600 Hz，辅变频器7.5 kW。变频电源系统组成如图2所示[4,5]。

图2 变频电源系统组成

2.2 工作原理

该变频电源符合中国通用电力标准，使用三相五线制（即A、B、C、N、PE）供电电网，通过主/辅变频器把三相交流380 V、50 Hz工频电源进行整流，将其变成直流电，再通过逆变器转换成模拟能源柜所需的交流电（电压和频率均可变），并送入模拟能源柜内的交流电动机（感应电机），从而实现对模拟能源柜内主/辅电机的控制。变频器由高性能智能芯片控制，监视其运行过程，具有过压、过流、接地短路等数十种保护功能，能及时显示相应的故障代码。变频器内部设有动力端子排和控制端子排。变频器控制端采用了具有远程网络功能的PROFIBUS-DP接口，使PLC从站通过MODBUS协议与模拟能源控制箱PLC主站实现变频器的控制[6]。

2.3 结构设计

变频电源采用操作台式结构，在变频电源的显示及操作面板上设有数字式智能显示仪表、启机/停机按钮和选择开关。变频电源内部设有前、后2个背板，前背板上装有高性能网络化主/辅变频器各一台，以及保护电路使用的断路器、电流互感器、接线端子；后背板上装有各种控制电路使用的智能网络化PLC从站、数字I/O模块、24 V直流电源、断路器、继电器、电源滤波器、接线端子排。在变频电源机柜右侧板上有380 V交流电源插座、主电机插座、辅电机插座、通讯插座、紧急停机插座以及地线接线螺钉，还设计了独立的隔离变压器装在机柜的底板上。

柜体下面有脚轮，可以用来推动机柜，在运输过程中，可以用叉车从下面叉起机柜放进包装箱中，便于移动和运输。柜体前、后各有2个门，每个门上2个百叶窗和1个风机，当变频电源工作时，风机利用防风罩散热。变频电源机柜的4个门及左右侧板均可以打开并取下。变频电源就位后，将4个地脚螺栓旋转到低于脚轮的高度撑住柜体，以免脚轮因长期承受重负荷而损坏。变频电源结构如图3所示。

图3 变频电源结构

2.4 主电路

380 V三相交流电经过变频电源的隔离开关，送到变频电源内部的各元器件上。动力电经过断路器分别送入主/辅变频器的动力输入端子，主/辅变频器的动力输出端子经过动力接线端子及插座，再经过电缆，连接到模拟能源柜的主/辅电机上。在主/辅变频器的动力输入及输出端子上，分别连接电源滤波器，可有效减小干扰。变频电源主电路如图4所示。

图4 变频电源主电路

2.5 网络通讯电路

变频电源内部选用了具有网络通讯接口的PLC从站，与具有网络通讯接口的主/辅变频器通过通讯协议和模拟能源控制箱的PLC主站进行通讯。由控制箱的PLC通过通讯网络，给主、辅变频器发送指令：设定工作频率，启机/停机主/辅变频器，接收主/辅变频器的状态信息（工作频率、主/辅电机电流、报警状态等），实时监测主/辅变频器的运行状态，并在模拟控制箱的触摸屏上显示相关信息，在紧急情况下通过紧急停机按钮实现紧急关机。此外，变频电源内部的PLC从站还配有通讯模块和数字量输入/输出模块，通讯模块实时监测380 V三相交流电源的电压、电流等供电参数。输入、输出模块连接模拟能源柜内的各种器件和仪表，PLC从站上的信息通过PROFIBUS-DP总线传送给模拟能源控制箱内的PLC主站，实现远程网络通讯控制。变频电源与远控箱的网络通讯电路如图5所示[7]。

图5 变频电源的网络通讯电路

2.6 显示及报警电路

4个按钮指示灯，能够显示主/辅变频器的启机/停机状态，无论变频电源处于“自检”或“运行”状态下，主/辅变频器的启机/停机状态，都可以通过这4个按钮的指示灯显示出来。还有电源报警灯、主机警灯、辅机警灯3个报警指示灯以及1个故障报警声报警器。变频电源在运行过程中，HB3309智能三相综合电参数监测仪实时监测380 V三相交流电源。当检测到电源故障时，其常开触点闭合，发出报警信号，电源故障指示灯亮。变频电源在运行过程中，模拟能源柜和变频电源的各种状态信息、各报警状态，通过开关量送给ET200M，控制箱的PLC主站可以读取报警信息。

HB3309智能三相综合电参数监测仪连接3个电流互感器，可以显示变频电源的380 V三相交流电源的三相电压值、三相电流值等电参数。

计时器可显示变频电源的通电时间、主变频器（及主电机）和辅变频器（及辅电机）的累计工作时间。

2.7 控制功能

在伺服系统参与的有关测试中，为提高测试过程的安全性、实现远程测控以适应地面测试设备智能化的要求，变频电源采用了与PLC和PROFIBUS总线相适应的控制方式，采用了本控与远控、手动与自动相结合的多种选择的双冗余的设计方案，保证了各项试验任务顺利有效的按时完成。

变频电源设计了“本控”、“远控”2种状态的操作，在启机/停机控制过程中设计了互锁保护电路。

当开关在“本控”位置时，可以对变频电源的各种状态参数进行检测。通过2个比例调节旋钮调节主/辅变频器的频率和比例阀电流。操作4个按钮可以使主/辅变频器自身的启机/停机。

当开关在“远控”位置时，控制箱通过对变频电源的远程控制，可以对模拟能源柜的各种状态参数进行检测，实现了设定、启机、调压、接通、断开、停机的流程化管理的自动控制过程。

2.8 自检功能

采用2个二位拨动开关完成自检功能的设计，1个二位拨动开关可以将变频电源切换到“自检”、“运行”两种状态。当该开关在“自检”位置，将另1个二位拨动开关拨到“报警自检”位置，可以检测电源报警灯、主机警灯、辅机警灯3个报警指示灯以及1个故障报警声报警器。同时，将“自检”状态转换成开关量，输入到ET200M，控制箱读取ET200M的信息，得知变频电源处于“自检”状态。

给主/辅变频器相应的功能代码设定合适的参数后，操作2个旋钮能分别调节主/辅变频器的工作频率，操作4个按钮可以使主、辅变频器启机/停机。在2个时间继电器的控制下，主/辅变频器的启机/停机按照时序要求：启机次序为辅变频器、延时继电器（1个时间继电器起作用，延时时间为设定预定时间）、主变频器；停机次序为主变频器、辅变频器（另1个时间继电器起作用，延时时间为设定预定时间）。

2.9 运行功能

将选择开关均拨到“运行”位置，连接变频电源与模拟能源控制箱和模拟能源柜之间的电缆，通过约定的通讯协议以及设定的主/辅变频器的有关代码的参数，模拟能源控制箱可以对变频电源进行远程控制，读取主/辅变频器内部的相关代码和参数，并获取三相电参数综合监测仪的电参数，变频电源驱动模拟能源柜内的主/辅电机按照要求的指令实现对能源柜内部主/辅电机的控制。

2.10 紧急关机功能

变频电源通电以后，在任何需要的情况下，按下变频电源操作面板上的“紧急关机”按键，该按键的2个常闭触点断开，主变频器立即停机，在1个时间继电器的作用下，辅变频器延时停机，同时，声音故障报警器“鸣响”。

在模拟能源控制箱上，也设有1个远程控制“紧急关机”按键，将控制箱的相应电缆与变频电源连接后，控制箱的“紧急关机”按键的作用和效果与变频电源操作面板上的“紧急关机”按键完全相同。

2.11 安全性

变频电源设有隔离开关，隔离开关未闭合而变频电源连接的外部动力配电柜已经给变频电源通电时，可以操作变频电源面板上的转换开关，检测380 V三相交流电压，如果电压不合格，则不允许给变频电源通电，即可从技术安全的角度确保设备的安全。

主/辅变频器有过电压、过电流、欠电压、短路、断路、缺相、过热等数十种自动保护功能，在超出变频器技术条件规定的情况下，主/辅变频器能够自动保护。

在主/辅变频器的输入端，隔离变压器的输入和输出端，24 V直流电源的输出端设置了保护电路，安装了断路器，在轴流风机的火线上安装了保险管。如果发生过电流，则断路器会跳闸，切断故障电路，防止危害进一步扩大。

变频电源在与模拟能源控制箱和模拟能源柜连接后，控制箱可以读取变频电源内主/辅变频器的状态信息，读取380 V交流电源的状态信息，即对变频电源进行实时监测，如果发现变频电源或者模拟能源系统有异常，则控制箱的触摸屏提示操作人员进行判断处理，也可以操作变频电源的“紧急关机”按钮，使变频电源停止工作，进而使模拟能源柜的主电机（主泵）、辅电机（辅泵）停机。

变频电源机柜有单独的地线，将变频电源机柜的壳体与外部380 V交流动力配电柜的保护地线相连接，防止操作人员触电。

变频电源的电装，绝大部分导线采用压接方式连接，执行航天电装的标准。

在设计上，变频电源所选用的插头、插座结构上有差别，在插头、插座处有标识，防止电缆接插错误。

模拟能源柜可能在有防爆要求场合下使用，连接模拟能源柜的主/辅电机电缆插头，均选用防爆插头（模拟能源柜的主/辅电机插座为相应的防爆插座）。

2.12 可靠性

a）设计了独立的供电隔离电源为HB3309智能三相综合电参数监测仪和PLC模块供电；

b）设计了各种保护电路有效地保护了误操作对能源系统运行的危害；

c）对变频电源的功率电路进行了降额设计，在其功率和电流值上，对各自的应用对象（即电机）有20%以上的余量，使变频电源稳定工作。

2.13 电磁兼容

变频电源的控制功能和动力功能均满足使用要求。由于变频器为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）工作方式，在对中频电机进行驱动和调速的过程中，会产生高次谐波干扰，严重时会影响弱电测控设备的正常工作。

变频电源选用施耐德公司55 kW和22 kW变频器，内部安装直流电抗器，变频器的电磁兼容性等级（Electro Magnetic Compatibility，EMC）为A级，保证了使用网络控制的模拟能源系统的工作的可靠性。

变频电源的220 V交流元器件使用了隔离变压器和220 V交流滤波器，有效地减小主、辅变频器带主、辅电机运行时对远程数字控制站点模拟量和开关量信号的干扰。

变频电源的电缆设计采用了屏蔽电缆，变频电源内部动力线和控制线分别布局以及内部接地的分别处理保证了变频电源的稳定运行。

3 结 论[8]

基于远程网络化通讯的变频电源已应用于多个地面模拟能源控制设备的研制生产，实现了对地面模拟能源系统的控制，在控制系统仿真实验室、综合试验室、靶场和总装厂均参加了相关的试验，在试验过程中，设备运行状态良好、可靠性高。应用此技术的设备与同级别设备相比较，具有一定的先进性，应用前景十分广阔。

a）通过PLC控制技术、PROFIBUS-DP现场总线，实现对地面模拟能源系统的通讯、监测及控制。

b）变频电源选用具有网络功能的通讯模块，完成现场和远程通讯、测控，实现了变频电源与PLC从站和主站之间的网络通讯功能。

c）采用HB3309智能三相综合电参数监测仪监控380 V交流电网的状态，具有网络通讯功能，通过总线方式与控制箱进行通讯，实时远程监控电网状态。

d）采用了操作台式嵌入式数字面板表式结构，增强了变频电源的直观性和可操作性。

e）在动力电缆设计上改用了屏蔽电缆设计，进一步提高了变频电源自身的电磁兼容性。

f）总线技术减少了传统布线，提高了系统抗干扰能力。

g）通过总线控制，变频电源不仅可以进行单元测试，还可进行系统测试，实现现场无人测试。

h）掌握PLC硬件架构、软件编程、人机交互界面设计，实现设备现场远程控制，并应用于多个地面模拟能源控制设备。

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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，高级工程师，主要研究方向为变频电源设计