DX中波发射机风机变频器研究与自动切换电路的设计

海峡之声广播电台 王奇云 刘金星 刘俊峰

一、引言

变频器（VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

在HARRIS公司DX600全固态中波发射机中使用的是“带有浮动阻隔负载的三路90度相移并机设备”，其中，阻隔负载的作用是消耗掉三个PB（PB是指一个DX200功率单元）不平衡所产生的功率。当发射机系统正常运行时，理论上各PB阻隔负载电阻上没有射频电流通过，就没有功率消耗。但各PB不可能完全平衡，会在阻隔负载电阻上产生一定电流，特别是当某个PB发生故障或异常时，该PB阻隔负载电阻上的电流会突然增大，需要靠风机来冷却。DX600发射机的合成器使用了3台冷却风机，通过风机变频控制器控制，可以根据发射机的不同工作状态改变风机的转速，有效地对阻隔负载进行冷却。

二、DX中波发射机风机变频器的作用

在DX型发射机中，风机变频器使用了PWM调制、V/F控制型马达控制逆变器。该型变频器输出的最大频率为400Hz，一般情况下工作24Hz～56Hz之间。同时，该型变频器采用了16BIT微处理器控制PWM与高集成度的固体驱动电路相结合的微机控制方式。在DX系列发射机中，变频器安装在发射机控制单元机柜上，可以通过打开机门来观察其运行状态。变频器本身采用了强制风冷，自身安装有两个+24V,0.15A,3.6W的直流风扇进行风冷散热，确保其运行稳定。

在发射机中，主要通过变频器控制冷却风机转速来满足合成器平衡电阻在不同工作状态时的冷却要求，达到耗散电阻热功率的目的。正常工作时，阻隔负载上没有耗散功率，三台冷却风机低速运行；如果发生一个功放单元关断或阻隔负载上出现有电流时，变频器的输出频率由原先的24Hz逐步增加至54Hz，从而使风机的转速由起初的720转/分钟迅速提高至1800转/分钟，以对阻隔负载进行冷却。直到阻隔负载上的电流下降到正常值，冷却风机又返回到低速运行状态。

三、变频器工作原理

1.风机变频器的基本控制线路

在DX型发射机中变频器的控制线路是三相380V交流电经过滤波器A1FL2送入保险开关盒A1S2的TB1端子上，经三相保险和接线端子送入变频器A1U1，经变频器控制输出的三相电源送入三台风机马达A1B1,A1B2,A1B3，为阻隔负载提供冷却。

在变频器的控制器A1U1中，J5接线端子提供了与主控PLC之间连接的信号，其主要信号如图1所示，其中变频器的J5-6,J5-7是模拟输出信号，提供给CCU模拟I/O比较用的参考值；J5-8是允许信号，其开路是禁止变频器的控制功能，闭合是允许电流流向马达； J5-11～J5-14用于选择程序编程预置速度，这四个外部开关为二进制模式，4位二进制组合16种状态，可以预设15个速度和一个故障复位信号，具体编码数值参见表1；J5-19～J5-22为状态输出信号，其工作状态值见表2，其主要用于发射机显示变频器工作状态和为主控PLC提供控制信号。

图1 J5接线端子信号量示意图

表1 预置速度编码表

表2 状态输出信号参考值

2.基本控制流程

变频器工作控制流程如图2，阻隔电流取样信号在CCU模拟I/O板的电压比较器U27，U28上进行比较产生比较信号送入到PLC模拟输入模块，在PLC处理后送入CCU控制板的EPLD处理，最后通过CCU接口板和马达控制器去控制风机变频器以及提供给人机接口状态显示信号。

图2 变频器工作流程图

四、变频器自动切换系统设计

1. 自动切换电路系统设计的必要性与技术难点

通过前面的分析可以得知，该型变频控制器在DX600发射机中是十分重要，且具有相当的技术复杂性，一旦发生故障不仅立即就会造成发射机停播，而且故障排除难度大，排障时间长，极有可能造成重大停播事故，所以为了保证安全播出，设计安全可靠地备份变频控制器就显得十分重要。

在自动切换线路设计过程中，要首先考虑解决三个技术难点：在变频器切换使用的时候，发射机不会因故障而停机，造成停播事故；在切换后不会对原变频器形成反送电，造成原变频器更大的损坏；变频器在切换时既要保证不再电机高速运转时切换，又要有效利用电机转动的动能保证切换时的冲击电流最小。

2.变频器自动切换系统设计

（1）自动切换电路结构说明

发射机风机变频器自动切换系统主要包括电源及其保险电路部分（包括输入电源及A1S1和A2S1保险开关盒）、主备用变频器、输出电源控制继电器（K1和K2），自动切换控制继电器（K1）和三台2马力的风机。这里需要说明的就是备用线路的变频器，由于原装变频器价格过于昂贵，考虑到线路改造的性价比，在改造中采用的备份变频器是VFD-B型变频器。该型变频器输出功率达5.5kW，而DX600型发射机内阻隔风机功率约为1.47kW，3台风机的功率约合4.5kW，所以该型变频器满足电路设计要求。

备用变频器主要使用了MI1,MI2,MI3,MI4,FWD五个控制端子，MI1～MI4为变频器输出的电机转速控制量，该端子的值受合成器的EPLD速率控制信号的控制，在备用变频器启动时按指定频率运行；FWD为输出到变频器的电机启动量，该端子值在+24V电压时能启动备用变频器，使风机按指定转速正向转动。K1,K2,K3为+24V直流继电器，K1受主用变频器J5-22端子的Fault输出量控制，正常时该端子输出+24V，K1继电器吸合；当主用变频器发生故障时，此端子输出低电平，K1继电器断开。同理K2,K3也是受主用变频器输出状态量的控制进行吸合与断开的动作。

（2）自动切换电路工作原理分析

该电路系统能否实现自动切换功能的关键就在于各控制信号的工作原理，下面对该电路进行自动切换的流程进行进一步的分析，如图3所示。

图3 自动切换电路流程图

开始时，电路先启动主用变频器来控制风机马达按指定的转速转动，这时备用变频器处于待机状态，同时其输出端的继电器K2处于断开状态，有效的防止了正常运行时电源对备用变频器的反送电问题，而主用变频器输出端继电器K1在J5-22 Fault状态量（此时该状态量值为+24V）控制下导通吸合，风机可以正常运行；若主用变频器出现故障，J5-19 Ready状态量变为+24V高电平，在风机转速降至门限值时J5-21 AT Speed状态栏也变为+24V高电平时K3继电器导通，这是FWD和K2控制端都变为+24V，K2继电器吸合，备用变频器将按CCU的EPLD的速率控制信号输出马达控制信号，风机马达重新启动，且此时由于J5-22 Fault状态量变为0V低电平，K1输出继电器断开，确保了备用变频器启动时，主用继电器无反送电情况。

通过对电路工作流程的分析可以看出，自动电路能够很好的实现变频器自动切换的功能，同样的该电路也能够很好的解决上文提到的三个技术上的难点问题。

首先，该电路将主用变频器用于输出工作状态的四个状态量进行了重新连接，变成了备用变频器的控制量，从而屏蔽了这些状态量与CCU EPLD间通信的通路，确保不会因主用变频器故障而导致的关机造成重大停播事故。

其次，在备用变频器通路的设计中充分考虑到了电源连接中的反送电问题，因为一旦主用变频器故障后，若在启用备用变频器恢复风机运行后，造成了电源从主用变频器的输出端串入，将会对变频器造成二次损坏，并有可能彻底的烧毁电机。所以在该电路系统中设计了K1和K2两个防止反送电继电器接在变频器的输出端，有效的保护了变频器的工作安全。

第三，对于变频器切换时间问题，该自动切换电路系统中的K3就是起着延时切换的作用。当主用变频器发生故障时，继电器K3的控制端子J5-21 AT Speed信号并不会马上输出故障，而是要等到检测马达风机运行速度降至设定频率以下时才会输出+24V控制信号，这个延时时间约为0.5～1s左右，如图4所示③，④就是启用该继电器后变频器切换时间的电流缓冲效果。可以看出通过引入该状态量可以有效的减小切换变频器时的冲击电流。

图4 缓冲效果示意图

五、结束语

本文通过对DX型发射机中4变频器的基本作用、工作原理和流程，以及对自动切换系统设计的必要性、组成结构和工作原理的分析，说明了风机变频器是DX型发射机能否正常工作的重要器件。在发射机的日常维护中，要经常性的监测其通路上各个测量端子的电压，注意元器件的性能变化，同时做好各种情况下的应急措施，这样一旦出现类似故障就可以及时有效的处理避免不必要的停播。变频器自动切换电路的设计与实现，极大地提高了发射机这一部分的安全性与可靠性，切实保障了安全播音工作的顺利进行。

见www.dcw.org.cn