徐國祥 朱如義 張平軍

（1.中國國電諫壁電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006；2.馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司，安徽 馬鞍山 243102； 3.江蘇德爾貝電氣技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213200）

高壓變頻器在國內(nèi)已經(jīng)有十多年的發(fā)展歷程，目前在火電行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗及改進(jìn)生產(chǎn)工藝，但是由于高壓變頻器早期產(chǎn)品本身控制系統(tǒng)存在一定的缺陷，導(dǎo)致故障率較高，變頻器發(fā)生故障時，對發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性造成影響，甚至導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著高壓變頻器控制系統(tǒng)的升級換代，高壓變頻器的故障率大大降低，控制功能和性能大大加強(qiáng)，保障了發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 變頻器的運(yùn)行狀況及設(shè)備分析

國電諫壁電廠在2007年選用廣東某國內(nèi)品牌D系列高壓變頻器裝置應(yīng)用于機(jī)組多臺凝結(jié)泵負(fù)載上，使用效果總體來講比較顯著，改造后操作方面自動化程度整體得到提升，生成工藝得到改善，電機(jī)本體維修維護(hù)工作量大大得到減少，在節(jié)能率方面還尤其明顯，為減少廠自用電指標(biāo)起到了巨大的作用。

變頻設(shè)備在經(jīng)過7年左右的運(yùn)行時間，在此使用的過程中難免會出現(xiàn)一些故障情況，尤其是近段時間，出現(xiàn)過流、過載、通信故障現(xiàn)象比較多，每次問題分析，大都是由主控制器引起。通過對設(shè)備深入的了解與分析，對變頻器控制系統(tǒng)有了更多的了解；該系統(tǒng)采用INTEL 公司80C296 作為主控系統(tǒng)，采用單片機(jī)+CPLD（MACH）+多片定時器（82C54）的架構(gòu)（如圖2所示），該系統(tǒng)主要包括下列功能：

1）12 路AD 輸入，4 路DA 輸出。

2）8 路DI 輸入，8 路DO 輸出。

3）1 路RS232，1 路RS485。

4）10 級單元控制。

5）參數(shù)及故障存儲功能。

控制器主控板結(jié)構(gòu)采用單板設(shè)計，由一塊主板和5 塊光纖子板組成，光纖板插接在主控板上，外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制器的主要優(yōu)點(diǎn)是板件結(jié)構(gòu)相對簡單，但隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，不足之處也隨之凸顯，主要表現(xiàn)在以下方面：

圖1 控制器外形圖

1）結(jié)構(gòu)上主控系統(tǒng)采用一整塊板結(jié)構(gòu)，如果要改動，需要整體重現(xiàn)設(shè)計，不利于系統(tǒng)功能擴(kuò)展及系統(tǒng)升級；且單塊板面積過大在也容易由于承受應(yīng)力不均導(dǎo)致PCB 板件內(nèi)部線路受損；如果主板發(fā)生故障，則需要整塊板件進(jìn)行更換。

5月30日，媽媽進(jìn)入了彌留之際，她始終都很清醒。知道美國專家就在病房外待命，她拉著我的手，貪婪地看著我，似乎要把我刻進(jìn)腦子里。我強(qiáng)忍淚水，微笑著說：“媽媽，等你醒來，我們都很老了，你得照顧我們啊?！睂τ谧约荷?，媽媽一直很內(nèi)疚，覺得拖累了我們，所以，她聽了我的話非常高興，一再說：“好啊好??！”我痛哭失聲：“我會好好生活的，就當(dāng)你出了趟遠(yuǎn)差?！眿寢屢矞I流滿面，她伸出胳膊：“我再抱抱我的兔兔，下一次要很久以后了?！卑雮€小時后，媽媽微笑著閉上了雙眼。隨后，Alcor的工作人員開始介入，完成灌注手術(shù)后，媽媽被運(yùn)往美國。

2）主控芯片采用單片機(jī)80C296，主頻為16M，數(shù)據(jù)處理能力有限；僅適用于簡單的VVVF 控制，不利于增加新控制功能及復(fù)雜算法（如矢量控制算法、四象限運(yùn)行控制等都需要大量的實(shí)時計算）；在保護(hù)功能上也僅限于簡單的保護(hù)，由于數(shù)據(jù)計算精度低，保護(hù)的準(zhǔn)確性也受到影響；在人機(jī)界面數(shù)據(jù)顯示上，受制于計算能力及數(shù)據(jù)傳輸能力，也僅能簡單的顯示綜合的電流有效值，無法準(zhǔn)確的反映每一相電流情況。

3）單元控制PWM 的產(chǎn)生由20 片分離定時器器件82C54 產(chǎn)生，外部邏輯控制芯片由兩片CPLD組成，每個光纖子板都有單獨(dú)的CPLD 芯片，這樣就造成分離元件過多，故障率較高；且使用的芯片已經(jīng)屬于停產(chǎn)芯片，對于設(shè)備后期維護(hù)不利；分離元件過多，每個CPLD 芯片都需要編程，使系統(tǒng)維護(hù)工作量加大；同時由于每個CPLD 邏輯芯片由于其容量十分有限，所有內(nèi)部邏輯單元已經(jīng)基本用完，如果需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和功能增加將變得十分困難，不利于系統(tǒng)功能優(yōu)化。

4）A/D 芯片為12 位A/D，采樣精度不夠高，控制與保護(hù)準(zhǔn)確度受到影響。

5）A/D 輸入無電壓采樣功能，不利于控制算法升級，如矢量控制算法及瞬時停電再起動、飛車起動控制等實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)這些功能需要另外增加硬件資源。

6）通信端口無冗余，如果端口發(fā)生損壞，只能整體更換控制箱；通信端口僅限于232 和485 端口，不能適用于某些高端需求。

7）最多10 級單元控制，無法適用于更多單元級聯(lián)的更大功率設(shè)備的需求。

從上面的控制器存在的不足之處可以肯出，該系統(tǒng)具有早期研發(fā)產(chǎn)品的典型特征，已經(jīng)嚴(yán)重不能適應(yīng)產(chǎn)品的升級換代需求。為了降低設(shè)備運(yùn)行的故障率，提高系統(tǒng)的控制性能，在廠家的配合下，電廠拿出對生產(chǎn)安全影響相對較小的凝結(jié)泵變頻器控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級，已觀察改造效果。

2 新主控系統(tǒng)的改造及運(yùn)行

高壓變頻器新的主控系統(tǒng)硬件采用了的DSP+FPGA 架構(gòu)，DSP 采用TI 公司最新浮點(diǎn)算法控制器TMS320F28335，廣泛應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動、新能源及電能質(zhì)量等電力電子領(lǐng)域；FPGA 采用賽靈思160 萬門邏輯芯片XC3S1600E，具有強(qiáng)大的組合邏輯與時序邏輯能力。新控制系統(tǒng)主要具有下列功能（如圖3所示）。

1）18 路AD 輸入，8 路DA 輸出。

2）16 路DI 輸入，16 路DO 輸出。

3）2 路RS232，一路RS485，一路CAN 通信。

4）具有時鐘芯片，能更加準(zhǔn)確進(jìn)行故障存儲和報告。

5）參數(shù)及故障存儲功能。

6）12 級單元控制。

7）預(yù)留AD 采樣及其他功能插槽。

圖3 控制器功能框圖

控制器結(jié)構(gòu)上采用6U 控制機(jī)箱（如圖4、圖5所示），將各功能板塊單獨(dú)形成板件，包括主控板、DI/DO 板、模擬信號板、通信板、電源板、光纖板及底板。與改造前的控制系統(tǒng)相比較，新的主控系統(tǒng)主要具備下面的優(yōu)點(diǎn)：

圖4 主控制器外形圖

圖5 現(xiàn)場控制柜安裝圖

1）結(jié)構(gòu)上設(shè)計采用電力電子領(lǐng)域主流式框架機(jī)箱，如果某一部分發(fā)生故障，僅需更換單板，方便系統(tǒng)維護(hù)。

2）主控芯片為浮點(diǎn)算法DSP，主頻150MHz，有非常強(qiáng)的計算能力，有利于增加新控制功能及復(fù)雜算法。

3）A/D 輸入達(dá)到了16 路，增加了對輸入輸出電壓采樣也，有利于控制算法及保護(hù)升級。

4）通信端口有冗余及有CAN 通信接口，能夠更大范圍的滿足用戶需求，能夠?qū)崟r傳輸更多運(yùn)行數(shù)據(jù)至人機(jī)界面，且運(yùn)行穩(wěn)定。

5）能夠適用于更多的功率單元級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超大功率的電機(jī)控制。

6）模擬量處理及數(shù)字量處理速度更快，抗干擾能力強(qiáng)，且穩(wěn)定性好。

7）瞬時停電再起動功能及飛車起動功能軟硬件都集成到了新的控制器上，無需額外增加板件，可靠性提高。

8）采用工業(yè)專用的6U 機(jī)箱設(shè)計，如需功能改動，只需要改動單塊板件，系統(tǒng)主板可以預(yù)留功能位置，非常有利于單項(xiàng)功能升級的擴(kuò)展。

改造后新的控制系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行超過半年時間，相比原來系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，原來控制系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致的過流、過載等故障不再誤報；人機(jī)界面增加了電機(jī)運(yùn)行電流、運(yùn)行頻率等曲線顯示，運(yùn)行人員能夠更直觀的了解系統(tǒng)運(yùn)行情況。

3 結(jié)論

從上面控制器的功能優(yōu)劣比較中可以看出，原來凝結(jié)泵使用的高壓變頻器設(shè)備屬于早期研發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品，由于受到當(dāng)時器件發(fā)展和控制理論發(fā)展及產(chǎn)品發(fā)展的限制，僅能在一段時間適用于產(chǎn)品的需求，隨著器件、控制理論算法、產(chǎn)品需求、用戶需求、市場需求的發(fā)展，已經(jīng)不適用于當(dāng)下設(shè)備；新的控制器設(shè)計順應(yīng)了發(fā)展的要求，將在未來較長一段時間內(nèi)滿足各方面發(fā)展的需求，對于現(xiàn)運(yùn)行的未經(jīng)改造的設(shè)備，尋找合適的時間，對產(chǎn)品的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)升級，進(jìn)一步保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，是十分必要的。

[1] MLVERTS-D 系列高壓變頻器用戶手冊[Z].廣東明陽龍源電力電子有限公司,2008.

[2] 吳斌.大功率變頻器及交流傳動[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 張平軍.高壓變頻調(diào)速技術(shù)在熱電廠給水泵上的應(yīng)用[J].變頻技術(shù)應(yīng)用,2006(3).