天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 封 錦 韓廣盈

1 前言

目前國(guó)內(nèi)外的主流變頻器測(cè)試手段主要有水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、磁粉測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)、直流機(jī)組等，還有少量使用液壓加載和機(jī)械加載，這些加載設(shè)備都是被動(dòng)式、無(wú)源型、耗能型，不僅浪費(fèi)資源，而且加載特性不好。例如水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)都靠水冷帶走加載能量，只有在高轉(zhuǎn)速情況下才能穩(wěn)定加載；磁粉測(cè)功機(jī)只適合小功率、低轉(zhuǎn)速下加載；磁滯測(cè)功機(jī)只適合小扭矩、小功率加載；機(jī)械加載和液壓加載目前已經(jīng)很少被采用；直流機(jī)組雖然擁有較好的加載效果，但是占用場(chǎng)地大，大型設(shè)備多，投資高，且直流機(jī)組需要經(jīng)常進(jìn)行定期維護(hù)。

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了可以將加載時(shí)電機(jī)回饋能量重新利用的交流變頻加載裝置。這種加載方式使用方便，而且可以精確設(shè)定加載功率，交流電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能重新反饋至電網(wǎng)，從而節(jié)約了電能，最大可節(jié)電70%。該加載方式最大的優(yōu)點(diǎn)在于可在低頻時(shí)進(jìn)行加載，可以測(cè)試變頻器的起動(dòng)特性，同時(shí)也能長(zhǎng)期穩(wěn)定加載。

以上加載設(shè)備或裝置均比較成熟，但都存在同樣問(wèn)題，即只能為被測(cè)設(shè)備提供負(fù)載環(huán)境，但是針對(duì)不同被試設(shè)備及不同加載要求，均須有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員進(jìn)行加載操作，繁瑣的設(shè)置步驟及大量的原始數(shù)據(jù)記錄需要多名人員同時(shí)配合進(jìn)行，且設(shè)備通電且電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存在極大的安全隱患，至少2小時(shí)的加載過(guò)程需要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，加載完成后還需大量時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、分析工作，檢驗(yàn)效率低下。

2 系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì)

圖1 低壓大功率礦用變頻器智能一體化測(cè)試系統(tǒng)

主回路的總前級(jí)為隔離變壓器T1，隔離變壓器下端經(jīng)過(guò)兩臺(tái)開關(guān)柜后并聯(lián)了整流變壓器T2及整流變壓器T3，T2及T3變壓器容量為最大加載容量的1.5倍。整個(gè)系統(tǒng)在T1變壓器后端實(shí)現(xiàn)交流封閉。T2位被試變頻器提供電源，T3整流變壓器后級(jí)經(jīng)過(guò)濾波器后接入陪試變頻器,以保證被試變頻器前級(jí)電源質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可借助其他儀器準(zhǔn)確測(cè)試被試變頻器EMC性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。被試變頻器驅(qū)動(dòng)被試電機(jī)，陪試變頻器驅(qū)動(dòng)陪試電機(jī)。兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將電機(jī)軸連接在一起。其中，被試變頻器可使用V/F控制方式或矢量控制，陪試變頻器采用矢量控制方式。當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)且存在轉(zhuǎn)差時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)帶負(fù)載運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)為變頻器加載的目的。其中，當(dāng)被試變頻器給定轉(zhuǎn)速小于陪試變頻器給定轉(zhuǎn)速時(shí)，被試變頻器運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)被試變頻器給定轉(zhuǎn)速大于陪試變頻器給定轉(zhuǎn)速時(shí)，被試變頻器運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。

加載試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)方案采用上文中描述的變頻共交流母線方案。加載試驗(yàn)臺(tái)框圖如圖1所示，主要由變壓器、配電部分、變頻器、電機(jī)、上位機(jī)等組成。

3 所采用的控制策略

上位機(jī)對(duì)于兩臺(tái)變頻器的控制有兩種方式可供選擇，1種是數(shù)字量＋模擬量，1種是數(shù)字量＋通訊。

數(shù)字量＋模擬量的控制方式中，被試變頻器及負(fù)載變頻器整流側(cè)由于控制比較簡(jiǎn)單，均采用數(shù)字量的方式進(jìn)行控制。逆變側(cè)采用數(shù)字量的方式進(jìn)行啟?？刂?，被試變頻器采用模擬量控制轉(zhuǎn)速，負(fù)載變頻器采用模擬量控制轉(zhuǎn)矩。這種方式接線較多，模擬量也比較容易受到干擾，影響控制精度，且上傳至上位機(jī)的數(shù)據(jù)十分有限。所以上位機(jī)保留這種控制方式的所有接口，但是不作為首選控制方式。

數(shù)字量＋通訊的控制方式中，被試變頻器及負(fù)載變頻器整流側(cè)由于控制比較簡(jiǎn)單，均采用數(shù)字量的方式進(jìn)行控制。被試變頻器的的逆變側(cè)和負(fù)載變頻器的逆變側(cè)均采用通訊進(jìn)行控制，這樣及能保證控制精度，又能將比較多的數(shù)據(jù)精確上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示。

控制界面基于Lab Windows/CVI虛擬軟件環(huán)境，所有控制及顯示均集中在工控機(jī)19寸液晶屏上，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)給定。工控機(jī)顯示的內(nèi)容如下：每路開關(guān)柜的電壓、電流顯示；每路開關(guān)柜的真空接觸器通斷顯示；被試變頻器的直流母線電壓、輸出電流、輸出電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩、功率、散熱器溫度；負(fù)載變頻器的直流母線電壓、輸出電流、輸出電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩、功率、散熱器溫度；以曲線的形式顯示被試變頻器的轉(zhuǎn)矩及電流；轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)速及力矩顯示。

工控機(jī)控制的內(nèi)容如下：每路開關(guān)柜真空接觸器的通斷控制；被試變頻器整流側(cè)啟?？刂?、整流側(cè)復(fù)位、逆變側(cè)啟?？刂?、逆變側(cè)復(fù)位、逆變側(cè)方向、逆變側(cè)頻率；負(fù)載變頻器整流側(cè)啟?？刂?、整流側(cè)復(fù)位、逆變側(cè)啟?？刂?、逆變側(cè)復(fù)位、逆變側(cè)力矩。

4 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)

先在控制系統(tǒng)中手動(dòng)輸入被試變頻器基本參數(shù)（功率、電壓、電流等），選擇被試變頻器類型及加載方案，在提示操作人員進(jìn)行常規(guī)安全檢測(cè)并經(jīng)測(cè)試人員確認(rèn)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按以下步驟進(jìn)行加載測(cè)試：檢測(cè)被試變頻器前級(jí)電源是否正常，若正常，將給被試變頻器通電，啟動(dòng)被試變頻器，讓被試變頻器驅(qū)動(dòng)被試電機(jī)進(jìn)行一定時(shí)間的空載測(cè)試?？蛰d測(cè)試通過(guò)后，停止被試變頻器，陪試變頻器得電。

系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)陪試變頻器前級(jí)電源是否正常，若正常將給陪試變頻器供電，然后系統(tǒng)將啟動(dòng)力矩寫入陪試變頻器，并以0速啟動(dòng)陪試變頻器，此時(shí)陪試電機(jī)保持靜止。

陪試變頻器啟動(dòng)完成后，系統(tǒng)將啟動(dòng)被試變頻器，啟動(dòng)過(guò)程中即會(huì)檢測(cè)被試變頻器的帶載啟動(dòng)能力，當(dāng)啟動(dòng)到10Hz時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)被試變頻器功率將力矩加大，直至達(dá)到被試變頻器額定電流，然后系統(tǒng)將被試變頻器轉(zhuǎn)速升至額定，被試變頻器進(jìn)入連續(xù)電動(dòng)滿載運(yùn)行。加載一定時(shí)間后，若被試變頻器為兩象限變頻器，則系統(tǒng)會(huì)先將陪試變頻器的力矩降為0，然后先停止陪試變頻器，在停止被試變頻器，同時(shí)生成報(bào)表。若被試變頻器為四象限變頻器，則系統(tǒng)會(huì)先將陪試變頻器力矩降為0，然后改變力矩符號(hào)重新加力矩，直至被試變頻器電流達(dá)到額定電流，陪試變頻器進(jìn)入連續(xù)制動(dòng)滿載運(yùn)行，運(yùn)行一定時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)先將陪試變頻器力矩降為0，然后先停止陪試變頻器，在停止被試變頻器，同時(shí)生成報(bào)表。

5 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)

影響變頻器現(xiàn)場(chǎng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)主要有啟動(dòng)特性，長(zhǎng)期帶載能力，溫升及變頻器抗干擾及電源諧波含量。

變頻器啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩直接影響變頻器啟動(dòng)特性。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的高低也決定了用于大慣量負(fù)載場(chǎng)合時(shí)變頻器是否能夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。本項(xiàng)目擬采用高性能矢量變頻器驅(qū)動(dòng)交流變頻電機(jī)為被試變頻器提供可調(diào)模擬負(fù)載。高性能矢量變頻器能夠在靜止?fàn)顟B(tài)下輸出額定轉(zhuǎn)矩，通過(guò)機(jī)械連接為被試變頻器提供模擬大慣量負(fù)載，從而準(zhǔn)確測(cè)試被試變頻器啟動(dòng)特性，并通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行精確數(shù)據(jù)采集。

加載設(shè)備還需為被試變頻器提供長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定的模擬負(fù)載，從而檢測(cè)被試變頻器的長(zhǎng)期帶載能力，而變頻器的長(zhǎng)期帶載能力主要通過(guò)溫升進(jìn)行檢驗(yàn)。要準(zhǔn)確測(cè)量被試變頻器溫升，則需同時(shí)連續(xù)檢測(cè)被試變頻器的多點(diǎn)溫度。需測(cè)量的主要位置有：電抗器、電纜、真空管、功率模塊、電容、散熱器溫度、風(fēng)量等，而功率器件、電容等位置帶有危險(xiǎn)電壓，所以本項(xiàng)目擬采用16路光纖測(cè)溫儀進(jìn)行溫度檢測(cè)，以確保所有電容、模塊溫度分布均勻。使用風(fēng)速風(fēng)溫傳感器測(cè)量強(qiáng)制風(fēng)冷變頻器的散熱風(fēng)量、出風(fēng)口溫度等，以確保強(qiáng)制冷卻風(fēng)流符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)被試變頻器的長(zhǎng)期帶載運(yùn)行，即能驗(yàn)證變頻器內(nèi)部控制回路抗干擾能力。變頻器對(duì)外的諧波干擾，需要通過(guò)電能質(zhì)量分析儀加以測(cè)量，主要測(cè)量被試變頻器輸入輸出側(cè)的諧波電流含量并具體分析，并能同時(shí)測(cè)量被試變頻器的功率因數(shù)、效率等電能參數(shù)。

6 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)

如不采用自動(dòng)化加載功能，加載測(cè)試系統(tǒng)的大量原始數(shù)據(jù)均需要人工從不同檢測(cè)設(shè)備上進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，有些檢測(cè)儀器擺放在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域無(wú)疑會(huì)給測(cè)試記錄人員造成一定安全隱患，繁瑣的加載過(guò)程需要人工進(jìn)行操作，檢測(cè)效率低下，存在誤操作風(fēng)險(xiǎn)。且試驗(yàn)完成后的原始數(shù)據(jù)整理、分析工作也許耗費(fèi)大量人力。所以，要想建設(shè)一套低壓大功率礦用變頻器智能一體化測(cè)試系統(tǒng)，就需要自動(dòng)化控制系統(tǒng)的加入。

加載系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載功能，必然需要采集變頻器、電機(jī)、配電裝置等的實(shí)時(shí)信息，作為系統(tǒng)運(yùn)行及保護(hù)的參考；要判斷變頻器性能是否符合要求，顯然也不能只依靠電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

本項(xiàng)目中將多路溫度測(cè)量?jī)x、電能質(zhì)量分析儀、智能開關(guān)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)全部采集進(jìn)入自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)采集兩臺(tái)變頻器的試變頻器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并對(duì)兩臺(tái)變頻器加以控制。系統(tǒng)以采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行自動(dòng)控制、自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)報(bào)警停機(jī)等控制，并在加載完成后將所有原始數(shù)據(jù)分析整合后，生成變頻器檢測(cè)報(bào)告，檢驗(yàn)人員只需根據(jù)檢驗(yàn)報(bào)告中的少量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，即可判斷變頻器性能是否符合要求。加載過(guò)程不需人工操作，加載完成后也不再需要進(jìn)行繁瑣的原始數(shù)據(jù)整理及分析工作。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)變頻器關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)及測(cè)試、高性能加載測(cè)試方法及智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)此基于雙電機(jī)對(duì)拖交流封閉變頻加載技術(shù)的低壓大功率礦用變頻器智能一體化測(cè)試系統(tǒng)，能夠?yàn)槭袌?chǎng)上的低壓礦用變頻器進(jìn)行全功率加載測(cè)試，加載過(guò)程自動(dòng)化，并在加載完成后根據(jù)系統(tǒng)收集的各種數(shù)據(jù)自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告或報(bào)表。同時(shí)該測(cè)試系統(tǒng)不僅能夠用于變頻器測(cè)試，并且還能用于絞車、減速箱等機(jī)械設(shè)備的負(fù)載測(cè)試，具有良好的市場(chǎng)前景。

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