长沙西门子授权代理商触摸屏供应商

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1． 概述

变频器不仅能够节约大量能源，而且可以解决生产工艺上能源的合理应用，近几年我单位因工艺和节能需要，新上了不少高低压变频器，而在我公司水处理泵站新上的1台北京合康公司生产的10kV高压变频器，在节约能源和稳压控制上起到了关键作用，满足了轧钢生产对水压的需求。该项目在设备选型以及电气设计中可以作为一个典型的事例。

2．改造对象的描述

该泵站有两台水泵机组（一用一备），共用一个母管向轧钢不间断供高水压冷却水。该水泵机组的电机采用高压10kV、710kW普通电机，两台分别接在不同母线段上；两台水泵的开、停由值班人员根据生产调度的要求进行正常的开、停泵操作；该水泵机组的母官水压要求为1.2Mpa，流量1100m3/h左右；但由于用户用水情况不稳定，经常产生突变，流量变化为100m3/h—1300m3/h，这样该泵组的水压变化很大，母管压力太高时都可能出现压力，值班人员紧急通过调整出水阀门开度来控制母管压力，水泵内部的压力就高，这样造成能源大量浪费，而且这种情况容易造成水泵和母管的损坏，特别是母管上的卸压阀动作频繁经常损坏每年维修费用就在20万元以上。由于用户的用水变化的特点无法改变，因此只有用变频调速以满足用户供水的要求，同时使供水设备、稳定运行。

该泵站高压水泵电机变频改造范围为1#机和2#机，采用一拖二方式进行变频改造。电机参数如下：

型 号：Y500-4	额定功率：710kW
额定电压：AC10kV	额定电流：49.6A
额定转速：1484rpm/min	频 率：50Hz
绝缘等级：F	功率因数：0.87
接 法：Y	冷却方式：IC01

3．变频改造方案说明

高压变频器应满足该泵站两台电机变频改造的技术要求，变频器采用一拖二带旁路方案，变频器可分别带1#或2#电机，当变频器出现故障时，可自动切换到另一台电机工频旁路运行。高压变频器基本要求如下：

1） 要求直接高压的高高变频器；

2） 要求变频器整流脉冲数在18脉冲以上（含18脉冲整流）；

3） 如果带隔离变压器要求一定为干式变压器；变压器尽量在变频柜内布置。

4．对于变频改造的基本要求

按照改造要求，电机变频将采用如下控制方式：

1） 一套变频器装置通过切换可以分别控制两台电机，即变频器可在1＃、2＃电机之间手动切换运行。变频器两台出线开关之间、工频开关之间以及工频与变频开关之间具有完善的硬接线闭锁功能。

2） 当变频器出现故障，自动切换到工频旁路运行，保持生产的连续性，同时切换动作报警信号送监控后台。

3） 变频器频率可在0—50Hz范围内调节。变频器单设置PI调节功能，4~20mA压力信号直接来自现场总管压力变送器的4~20mA压力信号，自动调节变频器转速达到恒压闭环控制水管压力的要求。

4） 变频器电源柜、工频柜、变频出线柜间的启动停止及闭锁等逻辑需进入现场已有的PLC监控后台。

5） 可在变频器操作键盘上方便地实现电机的启停、速度给定及参数调整等。

6） 在操作室PLC后台系统中可以对变频器的压力、电流、转速、起/停等进行监控。

7） 变频器故障、保护动作、自动切换等需在监控后台进行报警显示。

8） 系统零速至全速起动时间不大于10s

9） 变频器输入输出达到无谐波，谐波分量满足GB/T14549-93及IEEE519-1992标准的要求。

10）功率因素可以达0.95以上，效率可达97％以上（含输入隔离变压器）。

11）控制电源：两路交流电源互为备用+UPS电源，大大提高控制电源性。

12）正常电压波动范围：10.5kV±10%。

5．电气设计几点注意事项

1）地问题

大多数高压变频器均为改造项目，原工频回路的开关柜均为已有，且原开关柜均已加装地。在变频器改造中将该地取消拆除，否则容易造成误操作而发生事故。工频柜地是与本柜断路器实现电气和机械联锁的，与新增加的变频柜不实行联锁，在电机处于变频运行状态时，工频柜下柜是带电的，因此地处于断开位置。特别是在变频器调试前是非常值得关注的问题，的办法是将该地拆除，以杜绝误操作事故的发生。

2）联锁问题

对于高压变频器一拖二的方案，整个变频系统上的开关柜采取联锁保护，采取的联锁措施如下：

l 1#机变频出线柜断路器3DL和工频回路断路器1DL之间的联锁；

l 2#机变频出线柜断路器4DL和工频回路断路器2DL之间的联锁；

l 变频器输出断路器3DL和4DL断路器之间的联锁；

整个系统确保只能由一路电源给电机供电，并**工频电源不会倒送至变频器输出端造成变频器功率器件的损坏。为确保断路器之间的联锁能够，通过试验手段来检验。

3）保护设置问题

新订购的两台变频器出线柜即3DL和4DL柜均加装了微机保护装置，该两台装置的保护功能均设置为退出，该保护装置的主要功能为采集电流和控制断路器分合闸使用，为何采用退出该保护功能设置，主要从保护变频器本身着想。如果在变频运转状态该变频出线开关先于变频器或变频电源柜跳闸，由于功率的突然变化，会导致变频器因负荷IΔ量的突然变化而造成功率单元损坏。因此只需在变频器本身及其电源柜设置相应的速断和反时限保护即可满足要求。而工频柜的保护设置则与此相同。

4）保护设置引伸问题：

当变频器出现故障时，在控制回路中设计为变频器本体输出一副变频器故障信号接点到变频器电源柜5DL的跳闸回路中去，然后通过5DL常闭接点到变频器出线柜3DL或4DL的跳闸回路中去，先将5DL再将3DL或4DL跳闸，这时启动工频旁路自投回路，将1DL或2DL合上，以保电机的连续运转。但当变频器输出电缆或所带电机出现故障时，变频器检测到故障后同样输出相同的一副变频器故障信号接点，这时变频器不出是内部故障还是区外故障，以上的动作逻辑要执行，后用工频回路的保护将故障切除掉。造成的损害就是发生故障的电气点再次发生短路。这是我们所不希望的，但从保护变频器的角度来看只能如此。

有一种情况是另外，就是有冷却油循环的离心风机上。如果变频运转状态下的离心风机突然接受油压油温等仪控信号，立即跳闸，否则容易对风机造成损坏，严重的甚至造成烧机现象。因此在该类型的风机变频自投切转工频回路的设计上，考虑当有油压油温等仪控信号出现时，实行停机或自动启动备用风机的设计思想。我们采取的设计方案是停机的方案，在工频自投的合闸回路中串一副仪控信号的常闭接点，当油站正常时，接点闭合，合闸回路通路；当有仪控信号出现时接点打开，自投切不成功，同时将信号送PLC后台进行报警显示。在改造中这一点往往是容易被忽视的。

5）变频器风扇控制电源设计问题

高压大功率机电设备的电流大，温升较高，对功率元器件进行良好的通风散热，但通风和防尘又是一对很难解决的矛盾。

因受环境的影响较大，需要保持在一个干燥以及适当温度的环境下运行，为此我们在变频器附近安装了一台空调来**变频器的运行环境。但当变频器运行在一个湿度较大的环境，慎重考虑变频器冷却系统的电源设计。常规设计采用双路电源接入，两路电源能够实现自动切换功能，当一路电源失电另一路能够自动投切上去，在电源输出回路同时加装一定容量的UPS电源。并在变频器的操作步骤上，明确规定，在变频器运行前和停运后均将风冷系统运行10分钟以上，以避免变频器内部忽冷忽热而形成淋露，造成单元的损坏。

6）自动投切问题

钢铁企业生产是连续性，不容许有停机的情况发生，否则会造成很大的损失，甚至发生事故，因此为**所带电机的连续运转，应设置自动投切功能，在变频出故障的情况下能自动投切至工频状态运行。但自动投切不能采用瞬时投切，而应该躲开电动机停机后产生的自感电动势，选择在电磁衰减基本结束后进行投切。这样可以避免电动机定子绕组的电动势和工频电源电压叠加，对电机绕组的绝缘造成破坏。

由电机学理论我们知道异步电动机切断电源后，存在着一个处于同步发电机状态的电磁过渡过程。异步电动机切断电源瞬间，定子绕组的自感电动势将随着磁场的消失而消失；转子的自感电动势将阻止电流的消失，转子绕组中的电流将有一个逐渐衰减的过程，同时转子电生一个逐渐衰减的直流磁场。我们在实际调试过程中，采用模拟试验的方式来测定。一般电磁过渡时间约为5s。

电机的工作频率是由工况决定的，因此变频器发生故障时，究竟在多大频率下工作是无法预知的；故障切换为非同步切换，因此不考虑变频器输出频率与工频电网电压、频率和相位之间的关系。

因此我们对工频自投回路中的延时继电器整定为7s时限，经过测试电机均以较小的启动电流热启动，了工艺，又**了电机的运行。

通常自动投切的情况大致可为两种情况，一是变频器本身故障引起的自动投切，另一种是外部电网发生瞬时电压波动造成变频器跳闸而引起的自动投切。钢铁企业电网发生波动是不能避免的，但可以采取相关技术措施减少因电压波动带来的停机事故的发生。对高压断路器采用低电压延时1s动作时限来设置，对低压接触器采用双路切换的方式，或对低压接触器加装延时模块的方式来解决电压波动引起的跳闸。

6．结束语

变频改造是一个系统工程。安装变频调速装置后，风机可软启软停，减少设备机械冲击，延长设备使用寿命。由于变频调速装置的频率控制精度为0.1%，因此压力控制精度大大提高，保护管网稳定运行。系统投运一年来，运行稳定，调节效果**，节约了大量的电能。经过测算每年可以节约60万元以上的经济效益，经济效益和社会利益**。

一、 概述
在酒店空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是按照建筑物大设计热负荷选定的，且留有余量。在没有使用变频调速的水系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的变化，水泵都长期固定在工频状态下全速运行，能量的浪费是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨，造成酒店运行费用急剧上升，以致它在整个酒店成本费用中占据越来越大的比例，加上目前旅游业竞争大，多数酒店营业额不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为酒店经营管理的关键所在。一般空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20-30%，故节约低负荷时水系统的输送能量，具有很重要的意义。所以，随着热负荷而改变水量的变流量空调水系统显示其的优越性，而得到越来越多酒店的广泛采用。珠海某酒店是耗能大户，由于酒店内部深挖潜力、节能增效；因此委托我公司对其酒店五套空调水系统成功地进行了变频节能改造，并为酒店了明显的经济效益和社会效益。
二、 酒店空调设备参数
1、 东楼
有上海“Carrier”牌主机：30HR—195型（活塞机、5机头、两回路）共5台；其中高区2台，低区3台，单台制冷量为165冷顿（名义制冷量580KW）。蒸发器额定流量为：100m3/h，蒸发器压头损失：36Kpa；冷凝器额定流量为125m3/h，冷凝器压头损失：80Kpa。
冷水系统：
高区冷冻水泵3台 电机功率：30KW 水泵：离心式水泵
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=1.9℃ 型号：XA80/40
运行方式：二开一备 额定电流：57.6A 流量：100m3/h
电机启动方式：△/Y启动 运行电流：72A 扬程：53M

低区冷冻水泵4台 电机功率：22KW 水泵：离心式水泵
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2℃ 型号：XA100/32
运行方式：二开二备 额定电流：43.1A 流量：135m3/h
电机启动方式：△/Y启动 运行电流：44.4A 扬程：32M

冷却水泵5台 电机功率：30KW 水泵：离心式水泵
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2.5℃ 型号：XA100/32
运行方式：三开二备 额定电流：57.6A 流量：125m3/h
电机启动方式：△/Y启动 扬程：32M

2、 西楼
有法国“Carrier”牌主机：30HT290A901EE型（活塞机、5机头、两回路）共4台，单台制冷量290冷顿。
冷水系统：
冷冻水泵5台 电机功率：30KW 规格：AKP2517C
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2℃ 流量：286 m3/h
运行方式：三开二备 额定电流：58A 扬程：32M
电机启动方式：自耦降压 运行电流：5 效率：82%

冷却水泵5台 电机功率：45KW 规格：200-150-315
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2℃ 流量：374 m3/h
运行方式：三开二备 额定电流：84.9A 扬程：28M
电机启动方式：自耦降压 运行电流：70A 效率：82%

根据以上东楼、西楼设备参数及水泵机组特性曲线和水网管道压力差的科学计算。
东楼、西楼空调水系统的水都大于它们的设计流量，有较大的节能空间。由
于东楼高区冷冻泵原始运行状态存在一些问题；因此我们以东楼空调高区作为具
体设计和分析对象。
三、 酒店东楼高区冷冻泵原始运行状态及其看法
1、 高区冷冻泵原设计为运行一台主机，开一台泵；而现在运行情况是开壹台主机需开两台高区冷冻泵；据有关人员介绍，3台高区冷冻泵5#、6#、7#水泵电机，由于严重负荷，其电机原始绕组都已烧坏，现在的3台电机绕组全部换新的了，并且增大了漆包线的线径，使电机能承载72A；即使加大了绕组线径，但在该电流下每台电机只能间断运行，工作时间多不能过8小时；所以3台水泵按每4小时依次组合（两台泵）循环投入运行。该空调水系统的运行不正常及大量耗电是毋庸置疑的。
2、 根据酒店多年夏季热时记录及现场测得高区空调冷水机主蒸发器进出水温差偏小，温差在2℃以下；说明高区冷冻水泵系统水流量有大大的富余，大量的电能在做无用功，在浪费；使高区空调主机、蒸发器、水泵等都工作在低效状态。
有很大的节能空间。
3、 根据高区空调主机参数可知，冷冻水在额定工况下蒸发器进出口两端压差为36Kpa（0.367㎏f/cm2），而在现场测得，在运行两台高区冷冻泵时，蒸发器进出口压差为2.5㎏f/cm2，水流量是额定流量的2.6倍，即使工作在单泵运行状况下，冷冻水在蒸发器进出口两端的压差为1.5㎏f/cm2,流量也是额定流量的两倍,说明该水系统工作状况调试很差,系统管阻小，水泵扬程存在较大余量，水流量过大,水泵电机严重过载,该水系统有较大的节能空间。
4、 该酒店一部分人的看法是：高区空调冷冻泵水系统不能变频节能；其理由是冷冻水泵电机严重过载，电流大大过了额定值。对变频的认识不够，不理解变频调速系统节能的实质是什么？
四、 变频节能的实质
对于水泵来说，系统流量有富余就有节能；流量富余的判别标准：就是换热器（蒸发器）其进出水温差大小，温差额定值，系统就可节能。变频节能就是把系统富余的流量、扬程节省下来，使系统工作在耗能少的工况下。因此，节能的大小与电机电流的大小无关。
五、 高区冷冻泵改造方案的确定
根据高区冷冻水泵系统存在的一些问题和运行现状，我们提出了3种可解决方案：①对高区冷冻水管路系统进行水力调节，增加各管路设备阻力，使水泵工作点左移，使
水泵运行参数趋于合理，达到减少运行电流的效果。该方法工作量大，需换部分调节阀，增设一些温度检测装置，施工期间将影响酒店营业。②以改变叶轮直径方法调整水泵工作点，对高区冷冻泵的叶轮直径进行调整，减少叶轮直径，适当降低水泵的扬程、流量，在**空调系统各未端流量和房间冷量的前题下，减轻水泵电机负载，使运行电流趋于额定电流值。③对高区三台冷冻水泵均采取变频控制运行，改变水泵运行特性曲线与目前的管路特性曲线交汇后，水泵处于合理的运行状态，此方法节能效果佳，但初投资大。改造后单台机也不能工频运行。
经过综合的分析比较和考虑初投资问题，对高区三台冷冻泵采取②方案与③方案综合并用。先把5#水泵叶轮进行调整，叶轮型号换为XA80/40B型叶轮，其运行电流下降6A，使5#水泵电机（单台）能在工频状态下正常投入运行。另在6#、7#泵上，由于其运行电流过额定电流，所以变频器加大一级。设计安装一台威科平方转矩风机水泵型变频器的冷冻水泵控制系统。型号为VEC-V6-037G3，其容量为37KW，变频控制系统可在2台（6#、7#）30KW冷冻水泵电机之间切换。在其中一台（如6#）30KW冷冻水泵电机由变频器控制运行时，另外一台（7#）冷冻水泵电机可以根据系统需要手动投入工频运行（5#先启动或已在工频运行）或手动退出（此2台水泵变频控制和工频控制互锁），剩余一台（5#）水泵电机可在工频下运行或停止，其控制原理图见图2。这样既能解决原系统运行存在的问题，又能达到节能的目的，投资少，施工期间也不影响酒店的正常营业，有事半功倍的效果。
六、变频调速闭环控制系统的特点
① 采用SPWM变频闭环控制，可按需要进行软件组态；并设定温度或温差进行PID调节，使电机转速随空调热负载的变化而变化，在满足使用要求的前提下，达到大限度的节能。
② 由于软启动、软停机和降速运行，减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，提高了设备的MTBF（平均故障维修时间）值，并减少对电网冲击，提高了系统的性。
③ 变频调速系统主回路与原水泵主回路并联，变频系统控制回路与原水泵工频控制回路互锁；变频系统并入不影响其原系统的正常使用。变频系统需检修，可立即切换到原工频状态运行。
④ 本系统的保护功能较为完善，还设有自动重新启动功能，选择自动重新启动以后，变频系统在跳开后自动启动（变频器不需手动复位）。提高了系统自动化操作能力，使系统的运转率和性大大提高。
六、 变频节能闭环调速系统振动测试
㈠、测试的目的
测振的目的是为了监测水泵运行时的振动情况，避免某些运行频率下的谐振及分析水泵在变频运行中的振动改变情况，一般来讲，变频运行大多数情况下是在降速下运行，振动会有明显改善。同时由于有的人坚持认为变频运行会加大电机的振动，并造成了酒店水泵磨损。为酒店一些人的错误看法，充分证明系统的软启动和降速运行，对电机减少了振动和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命。因此，设备安装完毕我们采用了EMT220系列袖珍式测振仪（其测量精度为±5%测量值±2个字），对改造后的10台水泵进行了振动测试。

由测试结果可知：在改造后的5套变频调速系统节能率都在30%以上，达到改造前的要求。通过测试也使我们了解到PID的温度（温差）设定值与节能效果密切相关；客户对此参数的设定应在（不影响使用的前提下）不出空调主机设计温差；尽量提高温差来，提高节能效果。
变频改造后，改善了原水系统的运行状况。特别是高区冷冻泵在未改造时，由于改造前管路系统设计偏大，水泵工作点偏离区右移造成水泵大流量运行，使电机严重负荷（单台水泵投入运行，水泵电机立即发热烧坏）。无论高区冷水机组运行几台主机，高区冷冻泵少运行两台；因此，水系统流量长年处在大流量低温差状态下运行，能源白白浪费。通过变频调速节能改造使这一现象得到了控制，水系统大大改善，高区冷水机主运行壹台主机，仅需运行壹台变频冷冻泵。为此，高区冷冻泵在该条件下运行的节电率为66.6%，酒店方面对改造后的效果非常满意。

九、变频节能系统在使用方面一些值得注意的情况

① PID调节器温度值（温差值）的设定
有些用户在安装了变频节能改造后，由于PID调节器温度值（温差值）设定不当，使变频节能系统，发挥的效果不佳。有的用户设定值不随环境温度、气候、季节、昼夜的变化长期不变设为一定值；有的用户设定为零，有的甚至设为负数长期固定不变；致使变频节能系统长年运行在50Hz，不但不节能，反而增加能量消耗，得到了相反的效果。PID的设定应在系统控制中不发生振荡条件下，不出空调主机设计温差，适当提高温差，来提高节能效果。
② 水系统控制不正常的混水现象
就是开启的主机的蒸发器、冷凝器进出水管道阀门打开，没有开启的主机的蒸发器、冷凝器时出水管道阀门也打开了，使回水水量的一半从开启的主机的蒸发器（冷凝器）流过，另一半开启的主机的蒸发器（冷凝器）流过；因此，形成混水。（如图1所示）促使C点冷冻水出水温度升高，使水系统出现在总流量过剩条件下某些末端设备冷量不足的现象。在冷却水系统中，会出现冷凝器冷却不充分，造成冷凝压力升高，使主机负载电流加大，甚至造成高压跳机。因此变频调速系统如果运行在该混水状态下，将会造成错误的控制，产生对主机不利的节能运行。所以混水大影响运行，在使用中，应严禁杜绝。

0 引 言
随着科学技术的高速发展，人民生活水平的不断提高，人们对建筑物内的环境、使用功能、消防等提出了高的要求。越现代化的建筑对电的依赖越高，但电力故障是不以人的意志为转移，一旦发生灾害事故将导致电力中断或电力中断后发生灾害事故，人民的生命财产将直接受到威胁。因此，《高层民用建筑设计防火规范》和《民用建筑电气设计规范》中严格规定：一级负荷中特别重要的设备增设二路电源。目前，市场上常用的备用电源有发电机组、UPS、EPS等产品，至于它们三种供电方案以及衍生方案并不能**电源**不间断。本文的内容是笔者根据工作几年来从事EPS及UPS项目总结出来的。

1、解决问题的方法
变频器无论是频率控制型还是矢量控制型或者转矩控制型，都是具有变频软起动功能，即电机起动时，因为输出电压和频率均可从零开始，就限制了电机的起动电流，甚至小于额定电流就可以正常起动。变频器的容量，在380V电压等级，功率范围从2,2～1500kW的产品几乎可以覆盖目前所有的应用范围。

目前常用的变频器都是交-直-交类型的电压源型变频器，其中间直流环节的电压约为510～620V，是三相交流电压经过三相不受控整流后得到的。如果在市电停电后能为变频器的中间环节提供另一路510～620V的直流电源，其IGBT逆变器就能不间断地输出三相正弦交流电压，而且其电压为0～380V、频率为O～50Hz连续可调，实现负载的软起动或者达到输出电压380（1±3%）V，输出频率50（1±I%）Hz的精度。例如一组蓄电池，就可以实现对负载的不间断供电。基于这个想法开发出一种新型UPS，即可成为变频型交流不间断电源，使变频器在新的应用领域中得到应用。因UPS输出是三相正弦波且稳压稳频，为了增加设备的性及避免对负载的干扰，在变频器的输出增加变压器和LC低通滤波器。

根据负载性质，这种可变频UPS同样可以像普通UPS一样设计成后备式和在线式。该电源的过载能力为150%时3s，整机效率为98%以上。

本文以西门子公司通用变频器产品为应用实例来说明这种电源的工作原理、架构组成和设计方法。

2 系统组成和工作原理
该电源主要单元有：矢量型变频器，蓄电池组，DC/DC直流变换器降压充电模块，控制逻辑板，DC/DC降压工作电源（+24V）模块，输出隔离变压器及LC滤波器，数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元，结构图如图1所示。

图1 在线式可变频交流不间断电源

2.1矢量型变频器
本文仍以西门子产品为例，其技术参数为：

输入电压3相380～460V±10%f变频器）;

输出电压3相0～380V或380（1±3%）V;

输入频率50/60（1±6%）Hz：

输出频率0～600Hz或50/60（1±1%）Hz。

2.2蓄电池组
选用阀控式全密封铅酸免维护电池，一般200A·h以上为2V/单只电池。
2.2.1组串联只数N的确定
串联只数M取决于通用变频器中间环节直流电压的大和小允许值。不间断电源在正常运行时，系统处于浮充电状态，电池只数N应为
式中：N为蓄电池组串联只数，

Ue为变频器中间直流环节额定电压，

Uf为单体电池的浮充电电压。

以12V/单只电池为例，浮充电压Uf=13.5V（单体电池的浮充电压Uf=2.25V）。以西门子变频器为例：Ue=510～620V，即Ue（min）=510V×O.9=459V，Ue（max）=620x1.1=682V，是变频器能正常工作的电压上限和下限值，取平均值：Ue=（459V+682v）/2=570.5V。

则N=Ue/6Uf=570.5V/（6x2.25V）=42.25，取N=42只。

浮充时，电池端电压Ud=42×2.25V×6=567V，电压均在设备允许范围内。

2.2.2蓄电池放电终止电压Uz的确定
蓄电池放电终止电压Uz取决于市电停电后，电池组脱离充电模块转为向变频器至终止电压的数值要满足变频器正常工作的电压值。Uz可按式（2）计算：

仍以西门子产品为例，取Ue=510V则Uz=（O.875x510V）/（6×42）=1.77V，考虑到电池和变频器工作的性，电池放电终止电压Uz不要小于1.75V，通常取Uz=1.8V。即单只电池终止电压Uz=1.8x6=10.8V，蓄电池组电压Ud=
10.8×42=453V，略小于变频器允许的小电压值Ue（min）=459V，尚能满足变频器工作要求。

2.2.3蓄电池组容量Q的确定
电池组容量Q（A·h）取决于负载额定电源电流I及市电停电后负载由蓄电池供电延迟的时间T以及电池组放电后的终止电压Uz。可根据电池生产厂家提供的电池放电曲线或放电表进行选择计算。计算具体可根据经验公式，以15kW负载，停电维持时间lh为例，计算结果为：选50A.h电池42只。

2.3DC/DC直流变换器降压充电板
充电模块的工作原理是采用IGBT电力电子器件组成Buck（降压）隔离型直流变换器，耐压为l200V.电流则根据电池容量按0.1C（10）充电，单板可输出电流10～20A，输出电压274～300V可调，可对400A·h以下的电池组进行浮充充电。将电池组分成相等数量的若干组（例如将42只电池分为两组，每组21只，充电电压仅为287～289V），可降低充电模块的输出电压值，使模块结构简单化从而降。这种充电板也可并联使用。

2.4整流二管
采用大功率整流器件二管组成直流隔离开关，当市电正常时，二管处于关断状态，切断电池组与变频器的通路，但缺点是电池组在浮充电时有可能因端电压高与市电经整流后输出的直流电压引起放电而不能充满。当市电停电时二级管瞬时导通，电池组瞬间放电，可以做到负载由市电供电和电池组供电的瞬时转换，是在线式不间断电源的关键环节。

2.5DC/DC降压工作电源（+24V）模块
采用Buck降压型DC/DC直流变换器可将通用变频器直流点电压转换成逻辑控制板所需的电压+24V，供数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元用。

2.6数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元
用数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元组成具有人机操作显示界面的监控系统，其功能为：充电板及电池电压值、输出电流值、输入市电电压值、输出电压值;电源起停操作;运行参数显示;电源工作状态显示;故障状态报警以及通过RS485和上位机通讯实现四遥功能，如图2所示。

图2 数字面板表

2.7电池平衡管理器及电池检测系统
因为不间断电源用的电池较多，根据以往UPS多是电池故障而影响整个系统崩溃的教训，在电池组增加了电池巡检仪（本公司自己开发的）来检测每节电池的电压、内阻、放电电流及环境温度，这类巡检仪多能检测128节电池。另外，为了保持充电及放电时每节电池的电压保持一致,本公司了电池平衡管理器。这样能保持充电放电时电池的一致性，可把落后的电池挑出来，及早发现问题。

2.8输出隔离变压器及LC滤波器
因为变频器输出电压波形是高频的阶梯波，要使输出的波形是的正旋波，所以在隔离变压器后面加上LC滤波器，其电感值选为1.5mH，电容值为20μF。同时为了增加此不间断电源的带载能力和性，避免赶扰负载，在变频器的输出端接一个△/Y隔离变压器，其变比为300：380，变比的选择关系到输出的稳压精度（因电池放电时直流电压逐渐下降至DC459V时，其变频器输出的实际电压为AC325V），这是在线式不间断电源的关键环节，但缺点是会使变频器的功率变小。

3应用实例
根据上述的工作原理，本文作者于2002年研制成功一台22kW在线式可变频交流不间断电源的样机，原理见图1所示，试验成功，并在实际中获得应用，均成功。

3.1应用实例1
北京建筑设计院会议及食堂多功能大楼的应急照明系统，负载功率22kW，后备延时时间为90min，应急照明通道及消防设施在今年过程中不能停电，否则将引起严重后果。机器装机以来一直运行良好，期间曾多次因施工事故停电，但该机不间断供电**该大楼的正常运行。

3.2应用实例2
南京新港开发区博西华工地上用应急电源驱动卷帘门，功率18.5kW，由一台西门子MICRO-MAS

TER440变频器（功率22kW）供电，要求市电停电后接入后备电源**该公司的仓库卷帘门能不间断运行，确保库存的家电能正常出货。2005年我公司为其设计制造一台在线式不间断电源，电池容量为6·h，42只，后备延时60min。

4 结 语
可变频交流不间断电源是适用于各种负载的应用电源，它具备普通交流不间断电源和变频器的双重功能。据查目前国内外电源厂家很多已将此电源改成应急电源，但这方面的文章少，本人写这篇文章希望对国内的电源技术提高尽微薄之力。对于不允许停电的负载负载，选择这种电源要比选择普通UPS具有很高的性能价格比。因此是一种值得推广应用的电源设备。

1 原理概述

基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统的原理框图如图1所示。系统上电后，DSP、FPGA分别由各自的FLASH加载程序，采集与处理系统开始运行。在A/D变换器完成转换后由FPGA向DSP发送中断0申请信号，DSP从A/D FIFO RAM中读取数据，并进行小波变换去噪处理，处理结束后DSP向USB控制器发送中断申请信号，USB控制器将处理后的数据发送至PC机，由主机应用程序显示数据。主机应用程序还可以对整个采集、处理系统进行控制，主要设定三个功能：接收处理后的数据，接收处理前的数据，设定A/D的采样频率和采样点数。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要分为三大部分：DSP部分、FPGA部分、USB部分。

2.1 DSP部分设计

本系统使用的DSP芯片为TI（德州仪器）公司的TMS320VC33，它是TI公司推出的的32位浮点型数字信号处理芯片，是目前在国内外使用为广泛的浮点DSP之一。

TMS320VC33具有以下特点：哈佛结构；流水线操作；的硬件乘法器；特殊的DSP指令；快速的指令周期。另外，TMS320VC33还具有强大的浮点运算能力，运算速度可达　　150MFLOPS（每秒百万次浮点运算），处理能力达到75MIPS（每秒百万次指令周期）。而且，它还采用3.3V I/O电压和1.8V处理器核电压使功耗降低到200mW。

DSP部分的电路设计主要是为TMS320VC33的外围电路设计。TMS320VC33的STRB0和引脚分别连接存储器的片选和使能引脚，实现程序/数据存储器的扩展；引脚接到高电平，INT2引脚接到低电平，实现上电后程序自加载；由TMS、、TDO、TCK、、EMU0、EMU1等引脚组成程序下载口，以方便DSP程序调试。

2.2 FPGA部分设计

因为本系统的逻辑比较复杂，为了有效地减少硬件的体积、提高硬件系统的性，这里把所有的逻辑控制电路、各种存储器/寄存器的地址译码电路都用一块大规模现场可编程逻辑门阵列（FPGA）XC3090来实现。逻辑控制电路包括：命令寄存器、采样点数/采样频率设定寄存器、中断申请信号发生器、将A/D结果写入FIFO RAM的控制电路、USB及其FIFO和A/D FIFO状态检测电路。

2.3 USB部分设计

TMS320VC33与USB控制器AN2136SC之间通过双向FIFO 交换数据,握手信号使用AN2136SC的PC口。当USB为接收缓冲器时,DSP读,AN2136SC写;当USB为发送缓冲器时,DSP写,AN2136SC读。PC(0)～(3)用作二者的读写通道,方向可编程确定; PC(4)用于TMS320VC33向AN2136SC申请中断;PC(5)用于AN2136SC复位USB接收缓冲器;PC(6)用于USB满标志,若已满则禁止AN2136进一步对USB接收缓冲器写入;PC(7)用于USB发送缓冲器空标志,若缓冲器已空则禁止AN2136SC进一步对USB发送缓冲器读出。

3 系统软件设计

系统软件主要包括五大部分：DSP程序（用于A/D采样控制、数据处理、DSP与USB总线之间的信息交换）、USB总线驱动程序、USB固件程序（用于PC机与DSP之间的数据交换与处理）、主机应用程序、FPGA中对地址的译码程序和各个寄存器的实现程序。

3.1 DSP程序

DSP程序对DSP进行初始化（中断初始化、片外选通信号初始化、设定系统默认的采样点数/采样频率等），然后等待中断（中断0的程序主要用于对A/D数据的读取和处理，并向主机发送处理后的数据；中断1的程序主要用于分析主机的命令，针对主机的命令设定系统的采样点数/采样频率，并发送主机需要的数据）。程序框图如图2所示。

3.2 USB固件程序

固件程序代码由USB芯片集成的加强型8051单片机处理。当EZ-USB设备连接到USB口时，主机进行总线枚举，根据设备ID使用系统程序将固件下载到芯片内部，然后进行重枚举，固件作为用户的功能设备开始执行。CYPRESS公司提供的固件程序框架，用来完成控制传输工作和大部分的工作。本接口电路的固件程序就是基于此固件框架开发的，并使用Keil C进行编译。USB接收的DSP中断程序如下：

void　 ISR_IDT(void) interrupt INT0_VECT

{FASTXFR = 0x40; 　　　　　　　　使能快速传模式

AU**TRL=LSB((WORD)&IN4BUF); 　　将自动指针指向端点4缓冲器

AU**TRH=MSB((WORD)&IN4BUF);

for(i=0;i<64;i++)

{AUTODATA=ACC}; 　　　　　　　　 接收数据

FASTXFR=0x0;

IN4BC=64;　　　　　　　　　　　　发送数据大小

EZUSB_IRQ_bbbbb();

IN07IRQ=bmEP4; 　　　　　　　　　使能端点4}

3.3 主机应用程序

为了实现与驱动程序的通信，应用程序创建一个事件和一个线程，然后将事件句柄传递给WDM，用线程等待WDM发送的事件消息，接收到事件消息后，就读取驱动程序的数据，显示数据。

在bbbbbbs中，Win32应用程序调用的API函数有五个：CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()和CloseHandle()。

应用程序为打开一个WDM设备驱动程序，使用CreateFile()函数。它的个参数是一个符号链接名。如果用DriverWorks创建一个WDM驱动程序，通常会用类KUnitizedName生成一个设备符号链接名。这个名字的后面有一个数字，一般是一个0。例如，若符号链接名为L“USBDevice”，则传递给CreateFile()的是“.USBDevice0”。

一旦应用程序获得设备的有效句柄，它就能够调用Win32函数，这将产生对应于此设备对象的相应的IRP，发送给驱动程序，完成相应功能。

有关代码如下：

HANDLE hDevice hDevice= CreateFile(“.USBDe-vice0”,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL,OPEN_EXISTING,

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL);　　　　　　　　　　//打开设备句柄

ReadFile(hDevice,buf,n,&nRead,NULL);　　　　//读操作

4 试验结果

本系统软硬件调试均已成功，图3为CCD在半遮挡情况下原始信号的波形。本系统还可以采集和处理图像信号（例如CCD面阵信号）。

1  引言

工程设备的数字化、信息化及施工管理一体化是当前工程设备的发展热潮，自20世纪90年代始，发达国家的制造业就已经开始进行相关技术的探索，大量应用于的工程设备设计中。同时,以微计算机为代表的智能控制器被大量采用，智能节点间的信息增加。将车载电子设备按照一定的协议联网，并加以有效地信息综合，使之达到资源和功能的共享已成为发展趋势。

现场总线技术是指把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通讯息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。CAN（Controller Area Network）总线,又称控制域局域网，属于总线式串行通信网络，早由BOSCH公司在80年代提出，由于性高、实时性强、灵活方便，便于检测维护，因而被广泛应用。在工程设备领域，美国CAT公司生产的CAT980G装载机，日本小松的WA380-3和WA500-3，日本川崎的KLD80ZⅢ等均采用CAN总线技术，提高设备的整体控制技术水平。

根据CAN总线的技术特点，本文设计了一种基于CAN总线的工程设备控制系统，通过分布式智能控制来提高工程设备的控制技术和信息化水平。

2  系统组成与功能特点

2.1  系统组成

传统的工程装备控制系统采用集中式控制，除主控制器外一般都不具备可智能化的条件。基于CAN总线的控制系统采用分布式智能总线控制，将各功能模块做成智能终端，再通过CAN总线连接，并辅之以一定的通讯协议，这样不仅提高了整个系统的性及智能化水平，同时降低了系统的复杂程度。

系统由主控制器、操纵盒、传感器、执行机构和虚拟仪表等组成，各部件采用CAN总线互联。主控制器负责系统的信息协调与处理；作业终端是作业手对作业过程进行干预的主要手段；传感器负责感知系统的状态；执行器负责完成经主控制器处理后的动作；虚拟仪表提供了一种可视化的人机界面，用文字或图形的方式告知作业手器材当前的状态；调试诊断仪负责定位系统故障源。各模块都是自成一体的智能终端，各模块可以有多个，只要给它们分配不同的标识符（ID号）即可，各模块通过4芯屏蔽电缆并联起来，4芯电缆中2根（电源正和电源负）用于给终端供电，另外2根（CANH和CANL）用于终端间通信。本系统组成如图1所示。

图1  基于CAN总线的智能控制系统组成

2.2  系统功能特点

与传统的集中式控制系统相比，本控制系统具有如下功能特点：

（1）    防误操作功能。设计人员可以很地通过软件编程屏蔽掉本系统中可能出现的误操作，而只开放允许的操作，同时还可根据需要发出声光报警，告知作业手有操作错误；

（2）    作业向导功能。操纵盒的智能化和系统数据的共享使得设计人员可以根据作业过程，通过软件编程点亮相应的指示灯，告知作业手许可的操作。实现器材操作的“傻瓜”化；

（3）    系统自我诊断自我恢复。智能化终端可以方便地对自身的状态进行诊断，并向总线发送相关信息供其它智能节点处理用，使器材使用者不用掌握太多的知识就可以容易地判断问题所在；同时对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复

（4）    状态指示。通过虚拟仪表或操纵盒指示灯指示器显示系统当前状态。

（5）    数据共享，信息，性高。系统的所有数据都可在CAN总线上接收到，可以很容易地实现信息共享，减少了数据的重复处理，降低了对主控制器的要求；同时CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。系统采用模块化管理，各模块按其功能分散布置，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了耦合电流的产生，减小了线间干扰。同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力；

（6）    扩充性强，产品升级快，。

（7）    参数配置灵活。可以通过CAN总线进行参数配置，如开关量可以根据厂家需求设置其门限及控制性(正负控)，模拟量可根据厂家提供的传感器性能曲线进行校正，相关位置量也可以方便地进行总线标定，缩短产品调试时间。

3  总线通讯协议设计

CAN 通信协议主要描述设备之间的基于基本CAN通信的应用程序信息传递方式。CAN 通信层的定义与开放系统互连（OSI）参考模型一致，但只定义了下面两层：物理层和数据链路层。由于没有规定应用层，因此CAN协议本身并不完整，需要一个应用层协议来定义CAN报文中的标识符（11/29位）、8字节数据的分配与使用。目前上使用较多的高层协议有CANopen、J1939和DeviceNet等，但是由于工程设备的控制节点一般不多，可以根据自身特点，设计的应用层协议。下面给出几个实用的设计方法。

3.1  报文ID的设计

在通信标识符，即ID号分配时，对于关重信息帧或要求快速响应的信息帧采用低号ID，如装备控制中需要实时反馈信号的各作业机构到位信号；对于传递仅用于监测而不参与实时控制信号的信息帧应采用高ID号，如油温、油压、车姿等状态信息。

另外，在验收滤波器中对验收代码寄存器（ACR）和验收屏蔽寄存器（AMR）正确设置可以屏蔽与该节点不相干的ID号信息，可以提高有效信息的响应速度。

3.2  报文的循环发送与查询发送

对于参与控制的重要信息帧一般应采取定时循环发送方式，保信息的实时刷新；而对于软硬件版本查询、参数标定等需要临时数据服务的则主要采用C/S（客户机/服务器）方式进行信息帧发送，即进行特定的信息帧定义，当服务器收到客户机的参数查询或标定请求后再处理并发送相应的回馈信息帧。

3.3  “心跳”检测

当数据源节点退出总线后（故障或人为退出），接收节点相应的接收数据缓冲区的数据进行复位，防止数据不一致造成非期望事件发生。因此，一般要求源节点定时发送“心跳”信息，即设计一特定的信息帧或把特定信息帧中的某一位设计成代表该节点的“心跳”，节点启动工作后每隔一定时间发送“心跳”信息帧或定义的“心跳位”高低电平变化一次，这样如果在一定的时间内没有收到该节点“心跳”信息，则可以判断节点不在总线上，进而做出相应的事件处理。

图2  数据标定流程图

3.4  传输错误检验

为了提高数据通讯的性，对于关键数据帧（如标定数据帧），采用和校验的方式防止错误，即数据源节点将后一个数据字节定义为校验字节，采用累加和等校验等方式，将运算结果的低8位（即低位字节）作为校验数据值。数据接收节点收到数据帧后，通过运算进行比较，结果无误后再进行相应的赋值处理。

3.5  数据查询与参数标定

数据查询和标定采用重复发送控制信息直到得到特定反馈信息才结束的通信方式，流程如图2所示。

4  CAN总线作业终端设计

将作业终端设计成一个智能节点，采用CAN总线通信，则可以减少连接线缆芯数的数量，提高工作性；同时内容丰富，可以传递状态信息，也可以传送报文信息，提高信息化程度；并可增加通信距离，提高工作的适应性。

（1）硬件设计

基于带CAN总线控制器的单片机PIC18F458系统设计，通过CAN总线收发器MCP2551与其它节点总线相连，外围有开关量输入电路、模拟量输入电路、数码管显示电路、开关量输出电路、CAN收发器和电源电路等，见图3。

图3  CAN总线作业终端硬件原理框图

5  主控制器设计

主控制器为主要的操作信号采集的执行单元，它将系统的操纵信号进行防误操作处理后控制作业机构的执行元件。

主控制器采用EPEC 系列高性可编程控制器（PLC）设计，该系列控制器在国内外工程机械中应用较广泛，具有两个CAN通讯口，本身即可兼做多协议的网关。该型控制器具有以下优点：抗电磁干扰、抗振动、耐油、适应环境能力强、结构紧凑、密封性好、具有自我保护能力的特点，可以长期在野外恶劣环境条件下工作，可以直接驱动多种执行器，如电液比例阀、伺服马达等，特别适用于移动设备的使用。当然，就CAN系统作业集成角度来看，STW，INTER CONTROL等控制器的性能也较好，各有其特色，可以根据控制需求进行选择。

6  虚拟仪表设计

虚拟仪表主要用于终端显示，以提供各种作业信息。选用PC104主板作为嵌入式计算机系统的硬件，硬件配置表如表1所示，软件采用实时性好的VxWorks操作系统，利用VxWorks BSP包完成移植。

表1 虚拟仪表硬件配置表

        

虚拟仪表可以完成工作状态显示、传感器数据标定、视频显示等，提供了良好的人机交互界面，并可以通过RS232接口接入导航信息，提高装备的信息化程度。

7  CAN总线调试诊断仪设计

调试诊断仪基于BIT技术，采用嵌入式系统架构，硬件以ARM控制器为。ARM系列处理器采用32位嵌入式RISC结构，内部集成多级流水线以提高处理器指令的执行速度，其强大功能与外围电路的配合，将信号采集、处理、故障诊断及网络通信等功能集于一体，特别适合作为智能仪器设备的开发平台。HMS30C7202是基于ARM720T的32位处理器，包括了PC机的所有基本功能。具有低功耗的特点，片内资源非常丰富，具有高的集成度，非常适用于嵌入式系统应用。调试诊断设备硬件由基于ARM芯片HMS30C7202的模块加外围电路组成，见图4。为了充分发挥ARM芯片的效率，提高任务级的响应时间，采用实时内核µC/OS-II来进行资源管理。µC/OS-II是一个完整、可移植的抢占式实时多任务操作系统，具有执行、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强的特点。用户界面基于MiniGUI平台进行开发，大地提高了人机交互性能。

图4 调试诊断仪硬件架构

8  结语

智能化、信息化是工程机械装备的发展方向，将的现场总线技术应用其中必将使装备智能化、信息化易实现。文设计的基于CAN总线的工程设备控制系统具有功能完善、通用性好、使用方便等特点，并且技术架构，符合工程设备控制系统向分布式智能控制的总体发展方向。通过多项与民用设备的应用实践表明，系统工作，实时性好，功能拓展方便，维修性和测试性好，具有良好的推广应用前景。

本文点是将CAN总线技术应用于工程设备控制系统，使其智能信息化程度高、通用性、维修性和测试性好，以提高工程设备的综合性能。通过相关设备控制系统的配套，成果应用已产生经济效益近20万元