电力载波模块检测

[b]一、由负载异常引起的损坏[/b]诚然，变频器的保护电路已经相当完善。对价值昂贵的逆变模块的保护，各个变频器厂家都在其保护电路上做足了功夫，从输出电流检测到驱动电路的IGBT管压降检测，并努力追求以最快的应变速度实施最快速的过载保护！从电压检测到电流检测，从模块温度检测到缺相输出检测等，还未见有哪种电器的保护电路，像变频器这样做得专注而投入。而变频器的销售人员，提到变频器的性能时，也必提及变频器的保护功能，常常不自觉地对用户许诺：用上变频器，其全面的保护功能，你的电机就不容易烧了。这位销售人员不知道，这句许诺，将给自己带来极大的被动！用上变频器，电机真的不会烧吗？我的答案是：相对于工频供电，用上变频器，电机倒是更容易烧了，而电机的容易烧，使得变频器逆变模块也容易一块“报销”掉。变频器的灵敏的过流保护电路，在此处偏偏手足无措，起不到丝毫作用。这是导致变频器模块损坏的一大外部原因。听我道出其中原委。一台电机，在工频状态下能够运行，虽然运行电流较之额定电流稍大，长时间的运行有一定的温升。这是一台带病的电机，在烧掉之前确实是能够运行的。但接入变频器后，会出现频繁过载，以至不能运行。这还不要紧。一台电机，在工频状态下能够运行，用户已经正常使用多年了，请注意“多年”两个字。用户想到要节约电费，或因工艺改造的原因，需要进行变频改造。但接入变频器后，会频跳OC故障，这是好的，保护停机了，模块没有坏掉。可怕的是，变频器并不马上跳OC故障，而是毫无来由地在运行中——运行了才三、两天的光景，模块炸掉了，电机烧毁了。用户赖了销售人员一把：你装的变频器质量差，烧了我的电机，你要赔我的电机！在此之前，电机好像是是真的没有问题，运行得好好的，测测运行电流，因为负荷较轻，才达到一半的额定电流；测测三相供电，380V，平衡和稳定得很。真像是变频器的损坏，连带着损坏了电机。我要是在场的话，就会这样主公道：不怨变频器，是你的电机已经“病入膏肓”，突然发作，捎带着损坏了变频器！运行多年的电机，因电机的运行温升和受潮等原因，绕组的绝缘程度已大大降低，甚至有了明显的绝缘缺陷，处于电压击穿的临界点上。工频供电情况下，电机绕组输入的是三相50Hz的正弦波电压，绕组产生的感生电压也较低，线路中的浪涌分量较小，电机绝缘程度的降低，也许只是带来了并不起眼的“漏电流”，但绕组的匝间和相间，还未能产生电压击穿现象，电机还在“正常运行”。应该说，随着绝缘老化程度的进一步加深，即使还是在工频供电情况下，相信在不远的将来，该台电机终会因绝缘老化造成相间或绕组间的电压击穿而烧毁。但问题是，现在并没有烧毁。接入变频器后，电机的供电条件由此变得“恶劣”了：变频器输出的PWM波形，实为数kHz乃至十几kHz的载波电压，在电机绕组供电回路中，还会产生各种分量的谐波电压。由电感特性可知，流过电感电流的变化速度越快，电感的感生电压也越高。电机绕组的感生电压比工频供电时升高了。在工频供电时暴露不出的绝缘缺陷，因不耐高频载波下感生电压的冲击，于是绕组匝间或相间的电压击穿产生了。电机绕组的由相间、匝间短路造成了电机绕组的突然短路，在运行中——模块炸掉了，电机烧毁了。变频器在起动初始阶段，因输出频率和电压均在较低的幅值内，负载电机存在故障时，虽造成较大的输出电流，但此电流往往在额定值以内，电流检测电路及时动作，变频器实施保护停机动作，模块无炸毁之虞。但若在全速（或近于全速）运行情况下，三相输出电压与频率均达较高的幅值，此时电机绕组若有电压击穿现象，会于瞬间形成极大的浪涌电流，则逆变模块在电流检测电路动作之前，已经无法承受而炸裂损坏了。由此看出，保护电路不是万能的，任何保护电路都有它的“软肋”所在。变频器对全速运行中，电机绕组的突发性电压击穿现象，是无能为力的，起不到有效保护作用的。而不唯变频器保护电路，任何电机保护器，对此类突发故障，都不能实施有效的保护。此类突发故障出现时，只能宣告：该台电机确实已经“寿终正寝”了。此类故障对变频器的逆变输出模块是致命的打击，无可逃避的。其它由供电或负载方面引起的原因，如过、欠压、负载重、甚至堵转引起的过流等故障，在变频器的保护电路正常的前提下，是能有效保护模块安全的，模块的损坏机率将大为减小。在此不多讨论。[b]二、由变频器本身电路不良造成的模块损坏[/b]1、由驱动电路不良对模块会造成一级危害由驱动电路的供电方式可知，一般由正、负两个电源供电。+15V电压提供IGBT管子的激励电压，使其开通。-5V提供IGBT管子的截止电压，使其可靠和快速的截止。当+15V电压不足或丢失时，相应的IGBT管子不能开通，若驱动电路的模块故障检测电路也能检测IGBT管子时，则变频器一投入运行信号，即可由模块故障检测电路报出OC信号，变频器实施保护停机动作，对模块几乎无危害性。而万一-5V截止负压不足或丢失时（如同三相整流桥一样，我们可先把逆变输出电路看成一个逆变桥，则由IGBT管子组成了三个上桥臂和三个下桥臂，如U相上桥臂和U相下桥臂的IGBT管子。），当任一相的上（下）桥臂受激励而开通时，相应的下（上）桥臂IGBT管子则因截止负压的丢失，形成由IGBT管子的集-栅结电容对栅-射结电容的充电，导致管子的误导通，两管共通对直流电源形成了短路！其后果是：模块都炸飞了！截止负压的丢失，一个是驱动IC损坏所造成；还有可能是驱动IC后级的功率推动级（通常由两级互补式电压跟随功率放大器组成）的下管损坏所造成；触发端子引线连接不良；再就是驱动电路的负供电支路不良或电源滤波电容失效。而一旦出现上述现象之一，必将对模块形成致命的打击！是无可挽回的。2、脉冲传递通路不良，也将对模块形成威胁由CPU输出的6路PWM逆变脉冲，常经六反相（同相）缓冲器，再送入驱动IC的输入脚，由CPU到驱动IC，再到逆变模块的触发端子，6路信号中只要有一路中断——（1）、变频器有可能报出OC故障。逆变桥的下三桥臂IGBT管子，导通时的管压降是经模块故障检测电路检测处理的，而上三桥臂的IGBT管子，在小部分变频器中，有管压降检测，大部分变频器中，是省去了管压降检测电路的。当丢失激励脉冲的IGBT管子，恰好是有管压降检测电路的，则丢失激励脉冲后，检测电路会报出OC故障，变频器停机保护；（2）、变频器有可能出现偏相运行。丢失激励脉冲的该路IGBT管子，正是没有管压降检测电路的管子，只有截止负压存在，能使其可靠截止。该相桥臂只有半波输出，导致变频器偏相运行，其后果是电机绕组中产生了直流成分，也形成较大的浪涌电流，从而造成模块的受冲击而损坏！但损坏机率较第一种原因为低。若此路脉冲传递通路一直是断的，即使模块故障电路不能起到作用，但互感器等电流检测电路能起到作用，也是能起到保护作用的，但就怕这种传递通路因接触不良等故障原因，时通时断，甚至有随机性开断现象，电流检测电路莫名所以，来不及反应，而使变频器造成“断续偏相”输出，形成较大冲击电流而损坏模块。而电机在此输出状态下会“跳动着”运行，发出“咯楞咯楞”的声音，发热量与损耗大幅度上升，也很容易损坏。3、电流检测电路和模块温度检测电路失效或故障，对模块起不到有效地过流和过热保护作用，因而造成了模块的损坏。4、主直流回路的储能电容容量容量下降或失容后，直流回路电压的脉动成分增加，在变频器启动后，在空载和空载时尚不明显，但在带载起动过程中，回路电压浪起涛涌，逆变模块炸裂损坏，保护电路对此也表现得无所适从。对已经多年运行的变频器，在模块损坏后，不能忽略对直流回路的储能电容容量的检查。电容的完全失容很少碰到，但一旦碰上，在带载启动过程中，将造成逆变模块的损坏，那也是确定无疑的！[b]三、质量低劣、偷工减料的少部分国产变频器，模块极易损坏[/b]这是国民劣根性的一种体现，民族之痒啊。不错，近几年变频器市场的竞争日趋激烈，变频器的利润空间也是越来越狭窄，但可以通过技术进步，提高生产力等方式来提高自身产品的竞争力。而采用以旧充新、以次充好、并用减小模块容量偷工减料的方式，来增加自己的市场占有率，实是不明智之举呀，纯属一个目光短浅的短期行为呀。1、质量低劣、精制滥造，使得变频器故障保护电路的故障率上升，逆变模块因得不到保护电路的有效保护，从而使模块损坏的机率上升。2、逆变模块的容量选取，一般应达到额定电流的2.5倍以上，才有长期安全运行的保障。如30kW变频器，额定电流为60A，模块应选用150A至200A的。用100A的则偏小。但部分生产厂商，竟敢用100A模块安装！更有甚者，还有用旧模块和次品模块的。此类变频器不但在运行中容易损坏模块，而且在启动过程中，模块常常炸裂！现场安装此类变频器的工作人员都害了怕，远远地用一支木棍来按压操作面板的启动按键。容量偏小的模块，又要能勉强运行，模块超负荷工作，保护电路形成同虚设（按变频器的标注功率容量来保护而不是按模块的实际容量值来保护），模块不出现频繁炸毁，才真是不正常了。这类机器，因价格低廉，初上市好像很“火”，但用不了多长时间，厂家也只有倒闭一途了。这第三种模块损坏的原因本来不应该成为一种原因的，但愿不远的将来，模块损坏的原因，只剩下前两种原因。对国产变频器来说，有时候是一粒老鼠粪坏了一锅汤啊。好多变频器也还是不错的，与国外产品相比毫不逊色，且质优价廉的呀。

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摘 要：随着无线技术的速度发展，无线抄表系统得到了迅速的发展。作为短距离无线通信一员的ZigBee技术也得到迅速发展，基于ZigBee的无线网络电能管理系统也成为一个非常理想无线抄表系统。本文介绍了基于ZigBee无线通信模块的设计，包括软硬件设计。本文还介绍了模块在ZigBee无线电能管理系统中使用情况及整个系统运行情况。关键词：ZigBee，通信模块，无线技术，电能管理系统Abstract: By the rapid development of the wireless technology, the wireless meter system development become fast. ZigBee ,as one of the small distance wireless technology, also develops quickly. This paper introduced the design of ZigBee wireless communication model, including the design of hardware and software. this paper also introduced the model’s application in ZigBee wireless energy management system and the work state of this energy management system.Key Word: ZigBee; Communication Model, Wireless Technology; energy Management System1 　引言　　随着全球范围内智能电网建设正逐步展开，用户端是智能电网重要组成部分，用户端的核心内容包括智能配电与能量管理、智能电器、用电安全、电力计量等多个方面。目前能量管理系统都会考虑采用多种通信技术混合组网的方式，以克服现有技术固有的一些不足，从而达到满足系统性能和投资回报的要求。目前工业以太网、电力线载波及无线短距离通信被认为是AMR自动抄表系统可用的解决方案。其中无线短距离通信是一个很好的本地通信网络的解决方案，工业以太网、GPRS及CDMA等远距离通信可以作为远程通信网络，以这样方式的混合组网被公认为一种很好的解决方案。随着一种新兴的短距离、低速率无线网络技术ZigBee技术的兴起，基于ZigBee技术的本地无线自动抄表系统成为了一个热点。本文主要介绍了一款基于ZigBee技术无线模块的设计及其在ZigBee无线自动抄表系统中的应用。2 　ZigBee技术的特点　　ZigBee无线技术的特点是低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高。它的网络拓扑主要支持3种自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(Cluster Tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。这使ZigBee技术在低耗电、低成本、低数据速率、可靠性强的无线抄表系统中发挥巨大的作用。3 　ZigBee无线模块的设计　　本文设计的ZigBee无线模块采用导轨式安装的安装方式，可以方便地安装在35mm的标准导轨上，这使模块能灵活的安装在各类配电箱、配电柜中。其外观侧视图如图1所示。ZigBee无线模块的技术指标如表1所示。　　ZigBee无线模块分为两类，其中ZigBee信号转RS485信号的模块称为ZigBee采集模块；而ZigBee信号转以太网信号的模块称为ZigBee网络终端，它是整个ZigBee网络的组网发起者，即ZigBee网络中的中心节点。3.1 硬件设计　　ZigBee无线通信模块主要由开关电源部分、ZigBee无线传输部分及接口转换部分组成，其原理框图如图2所示。　　开关电源电路部分主要采用美国PI公司TOP221Y（TOPSwitch），使用反激式功率变换电路，把交流电源转换成我们需要的直流电源；无线传输部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，内部带有MCU芯片和无线收发器，它的原理图如图3所示；功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能，其原理图如图4所示；信号转换电路分RS485转换电路和以太网转换电路，其中以太网部分采用周立功的IPORT以太网模块。3.2 软件设计　　如图5所示为ZigBee模块网络建立的流程图，整个ZigBee网络是由中心节点（即ZigBee网络终端模块）发起组建的，当网络建立成功后，此时在同一个网络频段上，并且拥有和ZigBee相同网络ID的ZigBee采集模块可以自动加入此ZigBee网络，并且每个ZigBee采集模块获得各自独立的网络地址。此时，整个ZigBee网络建立成功，可以准备数据的收发，ZigBee网络终端通过广播的方式传输数据。　　如图6所示为ZigBee采集模块数据传输的流程图。首先ZigBee采集模块接收来自ZigBee网络终端模块的数据。然后判断是不是传递给自己的数据，如果是自己的数据则上传相关的回复数据，如果不是则按照自己发现的路由表中的地址以广播的方式转发来自ZigBee网络终端模块的数据。最后完成所有工作后进入休眠模式，等待下次的访问。　　ZigBee采集模块及ZigBee网络终端都是采用透明传输，即直接把以太网的数据转换成ZigBee信号，其中不会增加多余数据，只把数据部分转发，自动去掉帧头、帧尾；RS485信号转换ZigBee信号也是一样的原理。4 　基于ZigBee电能管理系统的应用　　如图7所示为ZigBee电能管理系统，本文远程通信网络采用工业以太网络，网络中电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再通过单点对多点的通信模式，以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器，通过ZigBee采集器传递给485总线上的各个表计，如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合，则做出相应的数据回复，通过原路返回给监控主机。　　整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等，还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。　　目前整个系统在江阴某制造企业实施运行，按照分项计量的原则，把厂区内的各路进线和出线进行分项计量，图8就是该厂区的配电图，整个系统对所有的进线回路进行监控，并全部使用ZigBee采集模块进行数据采集监控，其中包含电流、电压、电能等参数，及一些简单的开关量的控制。系统还对一些支路进行监视，譬如生产线、办公楼、空调等等进行全方位的监视，这样方便工厂了解各项数据，以便制定更详细的节能方案。　　目前，整个ZigBee无线电能管理系统采用的无线模块为21个，包括各类表记82个块。图9为ZigBee无线电能管理系统中的通信图，它列出了整个系统包含的所有表计。其中配电室的14个表通过485总线连接到一个ZigBee采集模块进行无线通信，各个空调插座由于比较分散，各采用一个ZigBee采集模块，等等。具体视表计的离散情况，集中在一起的用485总线连接一个模块，分散的分别连接一个模块。以这样的方式比较灵活，减少布线带来的困难。　　整个系统运行良好，已经在现场运行了一段时间。图10为一段时间内主进线电流趋势图，它实时反映了工厂这段时间内的电流情况，从而反映整个厂区的负荷情况。　　图11所示为一段时间内的进线回路各项参数的具体数值，它详细地记录了进线回路三相电压、电流、有功电能、无功能电能、功率因素、频率参数。整个厂区各回路电能汇总如图12所示，它记录了一段时间内各个回路的耗电情况，包括各回路进行柜的总电能及分支电能。5 　总结　　随着无线通信及ZigBee技术的迅速发展，基于ZigBee的电能管理系统也将渐渐得到人们的关注。ZigBee可以很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题，而且组网灵活性很高，在电能管理系统中应用前景非常广泛，而且在智能电网领域内也有着广泛的应用前景。　　本文介绍的ZigBee无线模块在ZigBee无线电能系统中得到了成功的应用，整个系统很好地对厂区中各路进线回路进行了监测，并能真实的反映厂区的负荷情况，将为节能减排做出应有的贡献。而为了使ZigBee无线电能管理系统能更好地发挥它的优势，还需不断优化系统中的软硬件设备。