DX-600發(fā)射機(jī)阻隔風(fēng)機(jī)備份控制線路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

海峽之聲廣播電臺佛曇分臺 劉俊峰 熊阿偉 盧偉權(quán)

一、線路設(shè)計(jì)背景

ARRIS公司DX600全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)的合成器使用的是“帶有浮動阻隔負(fù)載的三路90度相移并機(jī)設(shè)備”，其中，阻隔負(fù)載的作用是消耗掉三個(gè)PB（PB是指一個(gè)DX200功率單元）不平衡所產(chǎn)生的功率。當(dāng)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，理論上各PB阻隔負(fù)載電阻上沒有射頻電流通過，就沒有功率消耗，但各PB不可能完全平衡，會在阻隔負(fù)載電阻上產(chǎn)生一定電流，特別是當(dāng)某個(gè)PB發(fā)生故障或異常時(shí)，該P(yáng)B阻隔負(fù)載電阻上的電流會突然增大，需要靠風(fēng)機(jī)來冷卻。DX600發(fā)射機(jī)的合成器使用了3臺冷卻風(fēng)機(jī)，通過BALDOR風(fēng)機(jī)變頻控制器控制，可以根據(jù)發(fā)射機(jī)的不同工作狀態(tài)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，有效地對阻隔負(fù)載進(jìn)行冷卻。

正常工作時(shí)，阻隔負(fù)載上沒有耗散功率，三臺冷卻風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行；如果發(fā)生一個(gè)功放單元關(guān)斷或阻隔負(fù)載上出現(xiàn)有電流時(shí)，三臺冷卻風(fēng)機(jī)就被控制到高速運(yùn)行，以對阻隔負(fù)載進(jìn)行冷卻。直到阻隔負(fù)載上的電流下降到正常值，冷卻風(fēng)機(jī)又返回到低速運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)變頻控制器發(fā)生故障時(shí)，不僅風(fēng)機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)，還會發(fā)送故障狀態(tài)信號給發(fā)射機(jī)合成器（CCU）接口板，致使發(fā)射機(jī)無法開機(jī)或直接關(guān)機(jī)，而這將造成重大停播事故。針對這一情況，我們設(shè)想，雖然風(fēng)機(jī)控制器損壞且無法實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)更換，但此時(shí)DX-600發(fā)射機(jī)的其他部分都是完好的，只需有一條備份的冷卻風(fēng)機(jī)控制線路能使冷卻風(fēng)機(jī)恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將原控制器故障信號屏蔽，發(fā)射機(jī)就可以繼續(xù)恢復(fù)運(yùn)行，從而防止發(fā)生因發(fā)射機(jī)風(fēng)機(jī)控制器故障而造成的停播事故，確保安全播出。如果在原線路基礎(chǔ)上，加裝一臺有功率冗余的矢量型交流變頻器作為備份風(fēng)機(jī)控制器，調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，徹底解決了因發(fā)射機(jī)風(fēng)機(jī)控制器故障而造成的發(fā)射機(jī)停機(jī)故障，進(jìn)一步增強(qiáng)了發(fā)射機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。因此，對冷卻風(fēng)機(jī)控制線路進(jìn)行備份改造是十分重要和必要的。

二、阻隔負(fù)載冷卻控制工作原理

DX600發(fā)射機(jī)合成器阻隔負(fù)載冷卻系統(tǒng)控制電路如圖1所示，由輸入電源保險(xiǎn)開關(guān)、合成器控制線路、變頻控制器和冷卻風(fēng)機(jī)四個(gè)部分組成，其中風(fēng)機(jī)變頻控制器為寶德公司15H系列的15H401，采用PWM調(diào)制、V/f控制型馬達(dá)控制逆變器，輸入電壓為460V，輸入頻率為50HZ，功率大小為7.5馬力，輸入端子TB1的L1、L2、L3接三相輸入電源，輸出端子TB2的T1、T2、T3接三相冷卻風(fēng)機(jī)。在DX600發(fā)射機(jī)應(yīng)用中其選用的工作模式是15 SPEED控制模式，在此模式下變頻控制器控制端口J5的定義和實(shí)際連線如圖2和表1所示。

圖1 阻隔負(fù)載風(fēng)機(jī)控制電路圖

表1 15 SPEED模式下速度控制真值表

圖2 變頻器15 SPDDE 模式下J5端子定義與連接線

圖3 阻隔風(fēng)機(jī)備份改造線路圖

風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度是由J5-11、J5-12、J5-13、J5-14組成的二進(jìn)制數(shù)來控制，。當(dāng)DX600發(fā)射機(jī)運(yùn)行正常時(shí)，理論上阻隔負(fù)載電阻上沒有電流，不會消耗功率，但實(shí)際上三個(gè)功放單元不可能完全平衡，就會在阻隔負(fù)載電阻上產(chǎn)生一定電流，消耗一定功率。正常狀態(tài)下，合成器接口板根據(jù)檢測到阻隔負(fù)載上電流情況輸出二進(jìn)制的控制信號“0010”到變頻控制器的J5-11、J5-12、J5-13、J5-14端口，使阻隔風(fēng)機(jī)運(yùn)行在24HZ頻率下；當(dāng)發(fā)射機(jī)三個(gè)功放單元間出現(xiàn)輸出功率嚴(yán)重不平衡時(shí)，阻隔負(fù)載上通過的電流會增大，消耗功率過大，合成器接口板輸出二進(jìn)制的控制信號就會不斷增大，當(dāng)達(dá)到“1001”時(shí)，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度的電源頻率就會增加到54HZ。

變頻控制器端口J5-19至J5-22是狀態(tài)信號輸出接口，其信號輸入到合成器接口板中，以反饋?zhàn)冾l控制器的運(yùn)行情況，而使發(fā)射機(jī)進(jìn)行正確的控制。當(dāng)變頻控制器運(yùn)行正常時(shí)，J5-19輸出低電平，J5-22輸出高電平，發(fā)射機(jī)能正常運(yùn)行；當(dāng)變頻控制器發(fā)生故障時(shí)，J5-19輸出變?yōu)楦唠娖剑琂5-22輸出變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)射機(jī)不能正常工作。

三、改造線路的設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)生變頻控制器故障時(shí)，一方面阻隔負(fù)載風(fēng)機(jī)控制器無變頻電源輸出而不工作，另一方面因故障信號而使發(fā)射機(jī)不能開機(jī)。故從這兩個(gè)方面來考慮該故障應(yīng)急處理的方法：在圖一中，風(fēng)機(jī)控制器經(jīng)TB2給三臺并聯(lián)的風(fēng)機(jī)供電，風(fēng)機(jī)前端都有一個(gè)保險(xiǎn)盒，且預(yù)留了一備用保險(xiǎn)盒（F10、F11、F12）。

如圖3所示，在線路中加裝備份變頻控制器（DELTA VFD-B向量性交流馬達(dá)控制器）和電源切換開關(guān)K1、K2。DX-600型發(fā)射機(jī)內(nèi)阻隔風(fēng)機(jī)功率為2馬力，3臺風(fēng)機(jī)的功率為6馬力，約合4.5KW，考慮設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予一定的功率冗余，遂采用了5.5KW的變頻控制器應(yīng)急時(shí)可將主用變頻控制器前端電源斷開，且斷開K2，防止反送電，并將主用變頻器前端的30A保險(xiǎn)（F1、F2、F3）插至備用保險(xiǎn)盒（F10、F11、F12）處給三臺風(fēng)機(jī)供電，然后合上K1給備份變頻器供電來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行；另外，如圖三所示，在線路中加裝信號切換開關(guān)S1將控制器狀態(tài)信號線J5-19接地、J5-22甩開懸空，使其維持正常運(yùn)行狀態(tài)送往CCU接口板，不致產(chǎn)生關(guān)機(jī)指令，使發(fā)射機(jī)能夠得以正常開機(jī)。至此，就可甩開故障的主用風(fēng)機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)在此故障情況下的應(yīng)急播出。通過該項(xiàng)目改造，在處理此類故障時(shí)，能在1分鐘以內(nèi)恢復(fù)正常三并機(jī)播出技改實(shí)物圖見圖4。

此時(shí)，我們還需要考慮另一個(gè)問題，即如何讓備份變頻器能夠像原配控制器一樣根據(jù)阻隔負(fù)載上消耗功率的大小來實(shí)現(xiàn)變頻輸出，從而動態(tài)控制冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在實(shí)現(xiàn)備份功能的同時(shí)還能確保設(shè)備出現(xiàn)異態(tài)時(shí)的安全穩(wěn)定，通過對發(fā)射機(jī)該部分設(shè)備及線路的細(xì)致研究和多次實(shí)驗(yàn)，我們設(shè)計(jì)并應(yīng)用了兩套方案。

方案一：直接利用原有控制信號對備份變頻器進(jìn)行新的編程，使其控制信號、狀態(tài)反饋信號和速度控制信號與原變頻器一致，控制其輸出電源頻率，即可實(shí)現(xiàn)備份功能，如圖5所示。

分析BALDOR風(fēng)機(jī)變頻器的工作原理和發(fā)射機(jī)對變頻器的控制原理。結(jié)合發(fā)射機(jī)圖紙和BALDOR變頻器說明書，可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)通過其TCU單元的CCU接口板送出的控制信號對風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行控制。其中，CCU接口板的J11-3和4分別是低電平有效的開機(jī)使能信號“enable”和開機(jī)信號“forward”，可以實(shí)現(xiàn)對變頻器的開機(jī)、關(guān)機(jī)控制。J11-5、6、7、8是低電平有效的速度控制信號“speed B1”至“speed B4”，可以根據(jù)發(fā)射機(jī)送出的不同指令，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變頻器輸出的24 Hz、36 Hz、48 Hz、54Hz變頻，從而改變阻隔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。J11-10、11、12、13是變頻器的狀態(tài)反饋信號，這些信號都是開關(guān)量，通過變頻器內(nèi)部狀態(tài)反饋繼電器的動作，實(shí)現(xiàn)對地的開路或短路，使發(fā)射機(jī)的PLC系統(tǒng)能監(jiān)測到變頻器的不同工作狀態(tài)，并通過發(fā)射機(jī)的觸摸屏予以狀態(tài)顯示。各引腳的具體功能如下：J11-10“ready”反映變頻器的就緒狀態(tài)，通地表示“就緒”，斷開表示“未就緒”；J11-12“at speed”反映變頻器風(fēng)機(jī)的速度狀態(tài)，通地表示“正?！?，斷開表示“速度錯(cuò)誤”；J11-13“fault”反映變頻器的故障狀態(tài)，通地表示“變頻器故障”，斷開表示“正常”；J11-10、11、12還同時(shí)反應(yīng)風(fēng)機(jī)變頻器與PLC系統(tǒng)的連接狀態(tài)，它們?nèi)齻€(gè)當(dāng)中，有任何一個(gè)通地，就表示變頻器與PLC系統(tǒng)連接正常，否則觸摸屏將顯示“offline”故障。

圖4 技改實(shí)物圖

圖6 溫控儀參數(shù)設(shè)置示意圖

圖5 變頻器配線圖

根據(jù)發(fā)射機(jī)對變頻器的控制原理，對備份變頻器進(jìn)行編程：(1)將變頻器的多功能數(shù)字輸入端FWD(圖五中紅框位置所示)的高、低電平定義成有效的使能信號和開機(jī)信號，實(shí)現(xiàn)對變頻器的開機(jī)、關(guān)機(jī)控制。(2)將MI1、MI2、MI3和MI4(圖五中紅框位置所示)定義成低電平有效的速度控制信號，根據(jù)發(fā)射機(jī)送出的不同指令，實(shí)現(xiàn)24 Hz、36 Hz、48 Hz、54Hz變頻，改變阻隔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。(3)對變頻器中4個(gè)狀態(tài)反饋繼電器的輸出進(jìn)行編程，使其功能和輸出電平與發(fā)射機(jī)CCU接口板的J11-10、11、12、13相對應(yīng)，將變頻器的工作狀態(tài)送到發(fā)射機(jī)的PLC系統(tǒng)中。(4)將風(fēng)機(jī)銘牌上的額定電壓、電流、轉(zhuǎn)速和功率的數(shù)值輸入到變頻器中，修改變頻器的“加速/減速”時(shí)間參數(shù)，最后將所有參數(shù)保存，即完成了對變頻器的編程，備份變頻器加電后就可以按設(shè)置的編程指令執(zhí)行輸出了。

方案二：通過XMT60X型溫控儀將阻隔負(fù)載溫度的取樣變換成4～20mA信號，并作為備份變頻器的ACI輸入信號來控制其輸出電源頻率，實(shí)現(xiàn)備份功能，如圖6所示。

原配的BALDOR控制器是由其主板上的16位單片機(jī)來控制的，而備份控制器則是采用國產(chǎn)的變頻器來替代，由于兩者內(nèi)部芯片不同，在進(jìn)行編程設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)上也會有所區(qū)別，達(dá)不到與原配的控制器完全一樣的功能。不過可以另辟蹊徑，當(dāng)DX600發(fā)射機(jī)運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)單個(gè)PB故障脫機(jī)，造成阻隔負(fù)載出現(xiàn)不平衡的時(shí)候，電流必然會加大，負(fù)載上消耗的功率就大，若此時(shí)風(fēng)速不變，并機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)必然會產(chǎn)生溫度升高的情形，那就可以嘗試?yán)米韪糌?fù)載溫度的變化來實(shí)現(xiàn)控制器的變頻輸出。

在線路設(shè)計(jì)中，我們在阻隔電阻機(jī)柜內(nèi)安裝了一個(gè)高敏度的K型熱電偶，并通過該熱電偶將實(shí)時(shí)溫度傳至溫控器(如圖4中所示，選用帶變送功能的智能控制儀)，再由溫控器根據(jù)接收到的感應(yīng)溫度來輸出4-20mA的變送信號至備份變頻控制器，作為主頻率命令設(shè)定的來源ACI信號，如圖5中紅線所示。

根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，我們得知在正常運(yùn)行情況下，阻隔負(fù)載溫度保持在大約44℃左右，而在進(jìn)行并機(jī)切換時(shí)，如果風(fēng)機(jī)仍保持24Hz低速運(yùn)行，阻隔負(fù)載溫度將快速上升至72℃左右，接下來將依據(jù)這兩個(gè)溫度數(shù)值對溫控儀進(jìn)行設(shè)置。溫控儀采用的是XMT60X型智能控制器，從功能上講就是一臺指示報(bào)警儀?？梢越邮芏喾N測量信號。它有兩副動作點(diǎn)可以在量程范圍內(nèi)設(shè)定繼電器輸出，可以用來進(jìn)行一些邏輯控制，具體功能實(shí)現(xiàn)要根據(jù)控制要求來設(shè)計(jì)方案。還有一路信號輸出(變送)，可以作為多處顯示，或作為調(diào)節(jié)器、DCS的信號，配上執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本次改造即利用了其信號變送輸出的功能。

在對溫控儀設(shè)置完畢后，我們通過操作面板再對變頻器進(jìn)行設(shè)置(如圖6所示)，先將備份變頻器輸出頻率上下限設(shè)置為25-50HZ，再將頻率指令來源設(shè)定為由外部端子ACI輸入模擬信號DC 4-20mA來控制，最后對頻率遞進(jìn)速度進(jìn)行設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)變頻器在不同情況下在25HZ-50HZ范圍內(nèi)的動態(tài)變頻輸出。(不同品牌變頻器的設(shè)置方法會有差異，但大致原理相同。)

四、改造線路的應(yīng)用說明

該備份線路改造完工后，即可以實(shí)現(xiàn)在阻隔風(fēng)機(jī)控制器出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)恢復(fù)DX-600發(fā)射機(jī)的播出，在具體實(shí)踐上需要掌握好以下幾個(gè)步驟：

1.確認(rèn)故障后立即將切換開關(guān)打至“備份”位置，將J5-19至J5-22兩個(gè)故障檢測信號切換為正常信號輸送至CCU，使發(fā)射機(jī)不會產(chǎn)生關(guān)機(jī)信號；

2.立即以三并機(jī)狀態(tài)開機(jī)，恢復(fù)播出；此時(shí)雖然阻隔風(fēng)機(jī)未轉(zhuǎn)，但此時(shí)平衡狀態(tài)下短時(shí)間的冷卻風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)不會對阻隔負(fù)載造成損壞；

3.將主電源保險(xiǎn)插入空的保險(xiǎn)插座內(nèi)，使原主電源保險(xiǎn)座斷開，而原來的空保險(xiǎn)座充當(dāng)主電源保險(xiǎn)座；

4.合K1，恢復(fù)各保險(xiǎn)座與各自對應(yīng)的風(fēng)機(jī)電源線路的聯(lián)通，同時(shí)斷開K2，切斷原風(fēng)機(jī)控制器電源輸出口與各保險(xiǎn)座之間的聯(lián)通，防止反送電，造成對原控制器進(jìn)一步的損害；

5.按備用控制器面板上“RUN”鍵(也可以通過設(shè)置，使其得電后自動運(yùn)行)，控制器根據(jù)設(shè)置既可以選擇按內(nèi)部編程指令來執(zhí)行輸出頻率，也可以選擇根據(jù)從溫控儀送來的模擬信號DC 4-20mA信號來控制輸出電機(jī)電源的頻率，風(fēng)機(jī)開轉(zhuǎn)，恢復(fù)冷卻。

從上述步驟可以看出，實(shí)際上真正恢復(fù)播出的步驟只需1和2步，操作時(shí)間完全可以控制在1分鐘以內(nèi)，需要注意的是，如果在執(zhí)行三并機(jī)開機(jī)之前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有不確定因素存在，或開機(jī)過程中出現(xiàn)單個(gè)PB未成功啟動，應(yīng)立刻關(guān)機(jī)，待把3、4、5步完成后再進(jìn)行開機(jī)操作。

自該改造線路投入使用后，經(jīng)過了多次運(yùn)行試驗(yàn)，線路運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠，可快速切換備份線路控制阻隔風(fēng)機(jī)運(yùn)行，備份變頻器在運(yùn)行過程中，工作穩(wěn)定，操作方便，能根據(jù)發(fā)射機(jī)的指令及阻隔負(fù)載上的溫度變化，實(shí)時(shí)變換輸出頻率，對阻隔風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，很好地完成對阻隔負(fù)載的冷卻，變頻器的工作狀態(tài)也能順利反饋至發(fā)射機(jī)PLC；風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制正常，風(fēng)量符合要求，冷卻效果很好，而且該備份線路幾乎不對設(shè)備原有線路產(chǎn)生任何影響，無論是電源和信號通路都實(shí)現(xiàn)了主、備隔離。該改造進(jìn)一步完善了發(fā)射機(jī)阻隔風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的備份措施，使發(fā)射機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，提高了播出的安全可靠性。

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，變頻技術(shù)越來越成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活當(dāng)中。原裝BALDOR風(fēng)機(jī)變頻器價(jià)格昂貴，購買和維修成本都較高。而市場上變頻器的型號比較多，價(jià)格相對便宜，可根據(jù)需要選擇購買。我們在實(shí)施項(xiàng)目改造時(shí)，采用的是與DX600發(fā)射機(jī)原裝變頻器性能相近的變頻器，該變頻器編程容易上手，操作方便，經(jīng)過多次試驗(yàn)和長時(shí)間運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，性能可靠。而且我們選擇的矢量型變頻器額定功率比原裝變頻器大，工作狀態(tài)也十分穩(wěn)定，有效避免了當(dāng)原裝變頻器發(fā)生故障時(shí)，較長時(shí)間停播事故的發(fā)生。

此項(xiàng)技改項(xiàng)目的實(shí)施，有效節(jié)約了備件購買經(jīng)費(fèi)，后續(xù)的維修維護(hù)也十分方便。該項(xiàng)目可借鑒度高，推廣性強(qiáng)，目前已在我臺范圍內(nèi)得到實(shí)際應(yīng)用，也值得其他兄弟臺站借簽。

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