張宇光

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 201401)

0 引言

近年來，煤礦企業(yè)的電氣化、智能化愈加成熟，采煤機、掘進機、帶式輸送機等相關(guān)機電設(shè)備也在不斷地進行升級改造。而作為礦用電動機以及其相對應(yīng)的變頻器核心元件，其性能直接關(guān)系到整臺設(shè)備的正常、高效運行。上海檢測中心電氣檢測所擔負著國家礦用機電產(chǎn)品的性能檢測,但目前暫不具備1 140 V電壓等級、630 kW以上的變頻器和電動機的檢測能力。為了提升檢測中心的試驗?zāi)芰Γ兄屏艘惶追€(wěn)定、先進的加載試驗系統(tǒng)。

1 加載試驗系統(tǒng)的原理和特點

1.1 系統(tǒng)原理

新研制的1 200 kW礦用防爆變頻裝置加載試驗臺(以下簡稱試驗臺)是變頻器測試的基礎(chǔ)，其工作原理是將交流電動機發(fā)出的交流電,經(jīng)變頻器逆變?yōu)榻涣麟娚暇W(wǎng),通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)加載電動機的上網(wǎng)電流來控制加載電動機的轉(zhuǎn)速和扭矩，與測控系統(tǒng)配套使用，除了可對各種旋轉(zhuǎn)動力機械的轉(zhuǎn)速、扭矩進行測量和控制外，還可對溫度、壓力、流量、電流、電壓等參數(shù)進行測量和控制。按照GB3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》要求，礦用防爆變頻裝置的各項試驗必須和與之配套的變壓器和電動機形成整體調(diào)速系統(tǒng)進行檢驗評定，試驗臺具備380 V、660 V、1 140 V，1 200 kW試驗容量的礦用防爆變頻器加載裝備。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確采集、通信控制、設(shè)備的集控及報告分析，形成了防爆變頻裝置的安全測試評價加載用裝備。

1.2 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對1 200 kW及以下變頻設(shè)備進行標準所規(guī)定的檢測項目，防爆變頻裝置試驗系統(tǒng)的完成，形成防爆變頻裝置、電動機及其電氣部件、配套系統(tǒng)的性能檢測，包括溫升、轉(zhuǎn)矩、效率、啟制動、負載特性、振動噪聲、絕緣性能等檢測項目。對1 200 kW交流變頻轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速四象限進行性能測試，在零轉(zhuǎn)速到100%最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定加載。該測試系統(tǒng)具備以下特點：

1) 1 200 kW加載實現(xiàn)能量反饋，從運行可靠性、穩(wěn)定性、方便維護性、經(jīng)濟性等方面考慮選擇能量反饋方案，采用四象限變頻器，通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)置將加載機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，達到節(jié)能作用。

2) 加載特性的實現(xiàn)從零轉(zhuǎn)速至100%最大轉(zhuǎn)速，并滿足單機或雙機的加載要求。試驗臺加載特性從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性，符合動力機械的負載特性。

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)分為加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等幾大單元，主要對電動機和變頻器的特定參數(shù)進行分別測量，其加載系統(tǒng)精確控制電動機的速度和轉(zhuǎn)矩；控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采用含有現(xiàn)場總線的DCS系統(tǒng)；另外系統(tǒng)配有輔助供電系統(tǒng)。

2.1 加載系統(tǒng)

電氣傳動基本工作原理從試驗電源接入被試變頻器(被試電機)，驅(qū)動電動機(被試電機)輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)帶動扭矩儀再拖動負載電動機作發(fā)電運轉(zhuǎn)，發(fā)出電能通過有饋網(wǎng)功能的負載變頻器反饋到電網(wǎng)。使整個系統(tǒng)能量形成內(nèi)部循環(huán)反饋過程。變頻器采用IGBT作為功率元件。整個系統(tǒng)的能量反饋可達到80%以上。系統(tǒng)框架如圖1所示。

加載系統(tǒng)為變頻控制系統(tǒng)，用于控制加載電動機，對加載電動機的電能回饋至內(nèi)部電網(wǎng)，完成內(nèi)部電能循環(huán)。采用閉環(huán)控制，提供精確快速的速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。整個加載系統(tǒng)配置專用的LCL濾波系統(tǒng)，在具有四象限加載能力的同時，保證對電網(wǎng)的諧波影響在2%以內(nèi)，不對其他用電設(shè)備造成影響。加載電動機為變頻器專用的660 V，1 400 kW變頻調(diào)速三相異步電動機，采用F級絕緣材料，配套獨立的散熱系統(tǒng)和防潮裝置。為了防止變頻器的諧波電流對電動機軸上的擊穿，安裝消除諧波電流裝置。加載系統(tǒng)工作方式包括：

1) 電壓斷電時的運行。加載系統(tǒng)可以利用正在旋轉(zhuǎn)的電動機的動能繼續(xù)運行，只要電動機旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生能量，加載系統(tǒng)將繼續(xù)運行。

圖1 傳動系統(tǒng)

2) 零速滿轉(zhuǎn)矩。加載系統(tǒng)可以實現(xiàn)在電動機零速的時候達到額定轉(zhuǎn)矩。

3) 啟動轉(zhuǎn)矩大。最大啟動轉(zhuǎn)矩可以達到200%的電動機額定轉(zhuǎn)矩。

4) 精確速度控制。加載系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在閉環(huán)控制下為0.1%。在靜態(tài)的精度可以達到0.01%。

5) 精確轉(zhuǎn)矩控制。動態(tài)轉(zhuǎn)矩捷越響應(yīng)時間為1～5 ms。數(shù)字量給定轉(zhuǎn)矩精度小于0.1%。

主動力系統(tǒng)由實驗室專用10 kV母線經(jīng)2 000 kVA變壓器轉(zhuǎn)為660 V出線，660 V配電系統(tǒng)采用一進兩出配電柜，分別供給加載變頻器和供電調(diào)壓器的輸入側(cè)。在進行電動機試驗時，由于被試電動機功率較大，需要進行降壓啟動；而變頻器電壓適應(yīng)性測試也需要對電壓進行帶載調(diào)整。系統(tǒng)采用300～1 400 V，2 000 kVA的調(diào)壓器，實現(xiàn)多電壓可調(diào)。ACS880系列四象限加載變頻器原理如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)

2.2.1 集散式模塊化的控制方式

整個控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。PLC作為系統(tǒng)的前端控制器，接受計算機發(fā)出的命令，進一步控制加載系統(tǒng)。除此之外，利用其模擬量模塊采集試驗的溫度數(shù)據(jù)。計算機作為后臺數(shù)據(jù)處理的集散系統(tǒng)控制方式，利用監(jiān)控軟件，對試驗過程自動實時監(jiān)控，同時利用試驗分析程序?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進行采集、分析和出具試驗報告。試驗的全過程具有機械以及傳感器多重安全保護，每一步的試驗過程狀態(tài)都有實時動態(tài)的顯現(xiàn)，可直觀了解試驗進程狀況。

圖2 四象限加載變頻器原理

2.2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)監(jiān)控程序以及數(shù)據(jù)采集和處理專用程序，兩套程序獨立工作，互不影響。

試驗軟件采用工控機通過數(shù)據(jù)總線和服務(wù)器及測量儀表(溫度巡檢儀、電參數(shù)測量儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀等)通信，根據(jù)測試需求自動采集試驗數(shù)據(jù)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度等，并根據(jù)試驗項目及相關(guān)設(shè)置存儲和處理報告，繪制曲線并自動生成試驗報告。軟件符合GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》和GB/T22670—2008《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法》等國家標準的規(guī)定,能夠完成變頻器和電動機的型式試驗。

監(jiān)控軟件采用TIA PROTAL軟件繪制，配合西門子S71500PLC將系統(tǒng)上設(shè)備的電壓、電流和溫度等狀態(tài)采集并顯示到界面中，方便用戶監(jiān)控和操作。

圖3、圖4分別為系統(tǒng)監(jiān)控程序以及數(shù)據(jù)采集和處理專用程序的人機界面圖。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由高精度的儀表和傳感器組成,見圖5。由于系統(tǒng)要對電動機及變頻器的各個性能做出精確分析，故整個系統(tǒng)對精度要求較高，除電量儀表需要非工頻電量儀表，精度須達到0.01%以外，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的精度也需要達到0.05%。根據(jù)試驗要求要求，將系統(tǒng)測量帶寬定為0.1～2 600 Hz，系統(tǒng)含有高級波形分析功能，可以在0.1～2 600 Hz范圍內(nèi)測量諧波失真因數(shù)和諧波成分。具備快速傅里葉變換，可以分析和顯示波形的各個頻率成分，也可以顯示除整數(shù)倍基波以外的信號成分。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控程序人機界面

圖4 數(shù)據(jù)采集和處理專用程序人機界面

圖5 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵

3.1 被試電動機啟動方式

盡管被試電動機啟動已采取了采用調(diào)壓器降壓啟動，減小了電動機啟動時對電網(wǎng)的沖擊，但如果被試電動機功率太大直接啟動時,仍有可能對電網(wǎng)或?qū)C械聯(lián)接沖擊過大,故可以通過設(shè)置變頻器參數(shù)，使變頻器首先工作在驅(qū)動狀態(tài)下，利用變頻器的四象限性能先啟動加載電動機，用加載電動機拖動被試驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)到接近額定轉(zhuǎn)速時，將變頻器切換至加載模式，但加載量設(shè)為0，此時整個機械系統(tǒng)處于自由旋轉(zhuǎn)模式，在這種情況下啟動被試電動機，可最大限度地對電網(wǎng)和機械聯(lián)接起到保護作用。

3.2 變頻器程序設(shè)置

加載變頻器作為整個試驗系統(tǒng)的核心裝置，起到了極其重要的作用,故變頻器的程序設(shè)置就顯得尤為重要。若程序設(shè)置不對，則會導(dǎo)致臺位工作不正常。該系統(tǒng)的變頻器為ACS880系列，對其進行適當?shù)某绦蚩刂疲蓪崿F(xiàn)加載電動機對被試件的自動加載功能[1]。

ACS880變頻器具有多種加載控制模式，有DTC控制，也有速度控制。DTC控制無疑扭矩控制精度更高,但作為四象限控制，當其工作在反饋試驗時，若此時驅(qū)動端突然掉電，極有可能在一個大扭矩下引起“飛車”事故,故在存在反饋試驗的四象限變頻器加載試驗時，此控制模式并非首選。這里選擇速度控制，為了彌補速度控制的精度缺陷，增加速度編碼器反饋，可以使控制更加精確。

ACS880系列變頻器包含速度環(huán)和電流環(huán)。在進行試驗時,加載變頻器速度可設(shè)為任意一個值,以保證其最大速度不超過設(shè)定值。可以利用驅(qū)動電動機和加載電動機的速度差來進行加載,如果加載電動機的轉(zhuǎn)速小于驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速，則被試件做加載試驗；如果加載電動機的轉(zhuǎn)速大于驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速且方向相同，則被試件做反饋試驗。若方向相反，被試件依舊做加載試驗，但此時若加載量過大，可能出現(xiàn)驅(qū)動電動機被加載電動機拉停進而反轉(zhuǎn)的情況,故試驗時必須保證驅(qū)動電動機與加載電動機轉(zhuǎn)向一致。

基于以上原理，當進行加載試驗時，將速度給定值設(shè)定為0，這樣只要電動機在運轉(zhuǎn)，就能實現(xiàn)加載，而不用考慮電動機的轉(zhuǎn)向。

當進行反饋試驗時，情況較為復(fù)雜。需要通過速度編碼器來判斷驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)向。當驅(qū)動電動機正轉(zhuǎn)時，通過PLC將變頻器速度設(shè)定為20 000；當驅(qū)動電動機反轉(zhuǎn)時，通過PLC將變頻器速度設(shè)定為-20 000；由于變頻器速度有正負之分，故加載方向只需與電動機轉(zhuǎn)向相同即可,這樣，只要被試件在運行，就很容易實現(xiàn)反饋加載。但具體的加載量其實是變頻器的電流限制量，當將電流值限制的比較小時，可實現(xiàn)小功率加載；當慢慢放開電流限制值時，加載量會慢慢增大,見圖6。

圖6 變頻器參數(shù)設(shè)置流程

4 結(jié)論

本試驗系統(tǒng)現(xiàn)已調(diào)試完成，在上海檢測中心可靠運行，各項技術(shù)指標均達到設(shè)計要求，使用效果良好,不僅有效地擴充了檢測中心的試驗?zāi)芰?而且也促進了礦用防爆變頻器及電動機生產(chǎn)廠商提高其產(chǎn)品質(zhì)量及性能，值得在設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)以及檢測中心推廣應(yīng)用。