榮相

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

礦用變頻器技術(shù)日益成熟，廣泛應(yīng)用于采、掘、運、通等技術(shù)領(lǐng)域，提高了煤礦生產(chǎn)效率[1]，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到煤機裝備的安全穩(wěn)定運行。煤礦環(huán)境復(fù)雜惡劣，若變頻器在使用過程中出現(xiàn)故障將造成停工停產(chǎn)的危害[2-4]。因此，加強對礦用變頻器的性能測試以提高產(chǎn)品可靠性，顯得尤為重要。

目前，對礦用變頻器的性能測試主要采用交流回饋加載技術(shù)，該技術(shù)具有較高的能量再生能力，可實現(xiàn)綠色節(jié)能測試[5]。文獻(xiàn)[6]采用交流變頻回饋加載技術(shù)完成額定功率為200～800 kW的減速器加載試驗,提高了設(shè)備質(zhì)量的可靠性，解決了井下作業(yè)現(xiàn)場更換大件導(dǎo)致的安全問題。文獻(xiàn)[7]基于直接轉(zhuǎn)矩控制方法，采用 ACS800 系列的四象限變頻器，研制了200 kW單機組加載測試系統(tǒng)。在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]將系統(tǒng)測試能力提升至1 200 kW，加載特性實現(xiàn)了從0～100% 最大轉(zhuǎn)速，滿足單機或雙機加載的要求。文獻(xiàn)[9]針對礦用動力電動機負(fù)載性能進(jìn)行試驗研究，提出并建立了交流回饋加載試驗系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集。文獻(xiàn)[10]提出在電源輸入端采用調(diào)諧濾波補償裝置，提高了測試系統(tǒng)的諧波抑制能力，減少了無功沖擊和高次諧波污染等危害。文獻(xiàn)[11]對礦用隔爆型潛水泵用電動機的負(fù)載性能、堵轉(zhuǎn)性能、降壓曲線性能等進(jìn)行相關(guān)測試，為驗證大中功率礦用電氣傳動設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性提供了有力的技術(shù)支撐。但上述測試系統(tǒng)存在測試項目不全面、測試效率低、安全性差、轉(zhuǎn)矩加載精度不高等問題。

針對上述問題，筆者設(shè)計了一種礦用變頻器性能測試系統(tǒng)。搭建了測試系統(tǒng)硬件平臺，基于WinCC組態(tài)軟件開發(fā)了測試系統(tǒng)軟件。構(gòu)建了雙電動機系統(tǒng)軸結(jié)構(gòu)的機械平衡數(shù)學(xué)模型，提出了一種恒轉(zhuǎn)矩加載控制算法，用以提高轉(zhuǎn)矩加載精度。該系統(tǒng)采用測控主機遠(yuǎn)程控制和流程化操作，可實現(xiàn)系統(tǒng)全過程的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測與集中控制，可對變頻器的漏電閉鎖、瞬時斷電保護(hù)、輸出端短路保護(hù)、過載保護(hù)、斷相保護(hù)、過欠壓保護(hù)、輕載、牽引特性、溫升等性能進(jìn)行測試，測試項目全面，提高礦用變頻器的運行安全性、可靠性及穩(wěn)定性，降低現(xiàn)場故障概率。

1 測試系統(tǒng)硬件平臺搭建

礦用變頻器性能測試系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)如圖1所示，包括供電系統(tǒng)、加載試驗臺、測控系統(tǒng)3個部分。其中供電系統(tǒng)為測控系統(tǒng)和加載試驗臺提供控制和動力電源。加載試驗臺采用共母線的變頻加載方式，為被試變頻器提供負(fù)載環(huán)境。測控系統(tǒng)用于反饋測試系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并對測試系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 礦用變頻器性能測試系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)Fig.1 Hardware platform architecture of mine-used frequency converter performan test system

供電系統(tǒng)主要由各類變壓器/調(diào)壓器、開關(guān)柜組成，如圖2所示，可實現(xiàn)供配電過程中的開合、調(diào)壓、隔離及保護(hù)功能。供電系統(tǒng)通過升壓可適應(yīng)多電壓供電需求；采用交流回饋電路，具有節(jié)能降耗效果；利用隔離和濾波電路，減少了電網(wǎng)背景噪聲的影響。

加載試驗臺由2臺同功率三相交流異步電動機同軸連接，通過負(fù)載變頻器控制負(fù)載電動機的轉(zhuǎn)矩大小和方向，對被試變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩加載。負(fù)載變頻器采用ACS800多傳動四象限變頻器，內(nèi)置輸出電抗器[12]。設(shè)計90，355，710，1 000 kW 電動機組，可實現(xiàn)對2組總功率小于1 200 kW的被試變頻器同時進(jìn)行加載測試。

圖2 供電系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of power supply system

測控系統(tǒng)以PLC控制柜為核心，利用溫度采集單元、電參數(shù)檢測儀、溫度巡檢儀及各類智能儀器實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。通過測控主機對供電系統(tǒng)和加載試驗臺進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與集中控制，提高礦用變頻器性能測試效率。配置網(wǎng)絡(luò)攝像機和視頻主機，保障測試環(huán)境的安全性。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于WinCC組態(tài)軟件開發(fā)礦用變頻器性能測試系統(tǒng)軟件，主界面如圖3所示，以圖形、數(shù)據(jù)表、曲線等形式全面反映測試系統(tǒng)的運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)、告警信息、操作信息等。測試系統(tǒng)軟件采用模塊化思想開發(fā)，包括監(jiān)測監(jiān)控模塊、測試管理模塊、安全管理模塊，實現(xiàn)運行狀態(tài)檢測、權(quán)限管理、項目信息管理、測試報表管理及系統(tǒng)保護(hù)功能。

圖3 礦用變頻器性能測試系統(tǒng)軟件主界面Fig.3 Main interface of mine-used frequency converter performa test system software

2.1 監(jiān)測監(jiān)控模塊設(shè)計

監(jiān)測監(jiān)控模塊主要用于實現(xiàn)項目信息管理，數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及設(shè)備控制，并為其他功能模塊提供數(shù)據(jù)和控制接口。通過測控主機向PLC控制柜發(fā)送控制流程的接口命令，以對設(shè)備進(jìn)行控制。控制流程包括被試回路停送電流程、調(diào)壓回路停送電流程、被試供電回路停送電流程，負(fù)載變頻器零轉(zhuǎn)矩啟動流程，負(fù)載變頻器轉(zhuǎn)矩加載流程，一次供電設(shè)備自檢流程及計時模塊、開關(guān)柜保護(hù)模塊、變頻器的參數(shù)設(shè)置流程等。

2.2 測試管理模塊設(shè)計

測試管理模塊主要包括錄入測試信息、選擇測試項目、執(zhí)行測試流程、輸出測試結(jié)果。

測試項目分為無載保護(hù)功能測試、有載保護(hù)功能測試、無載性能測試、有載性能測試等。無載保護(hù)功能測試需完成漏電閉鎖試驗、瞬時斷電保護(hù)試驗、變頻器輸出端短路保護(hù)試驗、斷相保護(hù)試驗。有載保護(hù)功能測試需完成過載保護(hù)試驗、過欠壓保護(hù)試驗。無載性能測試需完成輕載試驗、正反相序功能試驗、加減速時間連續(xù)可調(diào)試驗。有載性能測試包括額定功率電壓適應(yīng)范圍試驗、溫升試驗、牽引特性試驗、制動特性試驗、速度穩(wěn)定精度試驗、壓頻比試驗。其他測試項目需完成電容放電試驗、電磁兼容類試驗。為保證測試過程的安全性，按照無載保護(hù)功能測試至有載性能測試的順序進(jìn)行。為避免重復(fù)執(zhí)行停送電操作，同一分類項目下的試驗可使用同一檢驗條件。

上述測試項目按照無載測試流程和有載測試流程進(jìn)行試驗。無載測試流程如圖4所示。被試回路送電完成后，啟動被試變頻器并進(jìn)行自檢，按照對應(yīng)測試項目的試驗方法進(jìn)行試驗，試驗結(jié)束后，被試回路停電。

圖4 無載測試流程Fig.4 No-load test process

有載測試流程如圖5所示，被試回路送電完成后，啟動被試變頻器并進(jìn)行自檢，負(fù)載變頻器以零轉(zhuǎn)矩啟動，被試變頻器驅(qū)動電動機達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，此時測試系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的大小和方向?qū)ψ冾l器進(jìn)行加載試驗，試驗結(jié)束后，對應(yīng)供電回路停電。

圖5 有載測試流程Fig.5 On-load test process

為保證測試項目順利進(jìn)行，提高測試效率，減少人為因素對測試結(jié)果的影響，制定了13項過程試驗方法。按照無載/有載測試流程，根據(jù)所選測試項目對應(yīng)的試驗方法進(jìn)行性能測試。以輕載試驗(圖6)和牽引特性試驗(圖7)為例。

圖6 輕載試驗流程Fig.6 Light load test process

圖7 牽引特性試驗流程Fig.7 Traction characteristic test process

從圖6可看出，向控制柜發(fā)送被試變頻器送電命令，并進(jìn)行自檢，將被試變頻器調(diào)節(jié)至額定轉(zhuǎn)速，啟動計時器，同時對電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速采樣，實時計算電動機轉(zhuǎn)速。若電動機運行時間超過2 h，且轉(zhuǎn)速在0.5%上下波動，則測試系統(tǒng)軟件自動判定該項目測試合格。

從圖7看出，相比于輕載試驗方法，牽引特性試驗方法則將負(fù)載變頻器調(diào)節(jié)至額定轉(zhuǎn)矩，將被試變頻器運行頻率分別調(diào)節(jié)至10，20，30，40，50 Hz，測量并記錄對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，測試系統(tǒng)軟件自動繪制轉(zhuǎn)矩曲線，計算轉(zhuǎn)矩偏差值。

2.3 安全管理模塊設(shè)計

從操作安全保護(hù)、設(shè)備安全保護(hù)、系統(tǒng)運行安全等方面設(shè)計安全管理模塊，保證測試過程安全可控。為避免因干擾導(dǎo)致的保護(hù)誤動作，設(shè)計數(shù)據(jù)有效性識別策略，剔除異常數(shù)據(jù)。

2.3.1 操作和設(shè)備安全保護(hù)

測試系統(tǒng)軟件設(shè)置了項目信息修改權(quán)限、設(shè)備操作權(quán)限、用戶管理權(quán)限、檢驗項目管理權(quán)限、報表管理權(quán)限等，只有具備相應(yīng)操作權(quán)限的人員才能登錄進(jìn)行操作。設(shè)計人機交互安全控制策略，自動執(zhí)行停送電順序閉鎖、回路閉鎖、通風(fēng)機連鎖啟停、給定限制等保護(hù)功能，防止因誤操作造成設(shè)備損壞。

2.3.2 供電系統(tǒng)安全保護(hù)

從電壓、電流異常波動及能量回饋監(jiān)測的角度對供電系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)。定時采集電網(wǎng)電壓、電流數(shù)據(jù)，并計算其變化率，當(dāng)監(jiān)測量超過設(shè)定閾值時，執(zhí)行告警或保護(hù)策略。軟件根據(jù)被試供電回路、主回路的能量及流量，判斷測試系統(tǒng)的能量回饋狀態(tài)。

2.3.3 安全保護(hù)策略

設(shè)計三級保護(hù)機制，事件級別由低至高依次為一般性事件、保護(hù)事件及安全事件。根據(jù)溫度、電壓、電流、能量回饋、傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測情況等，針對不同事件等級，分別對應(yīng)彈窗告警、自動減載策略及停機操作。

3 恒轉(zhuǎn)矩加載控制算法

為提高轉(zhuǎn)矩加載精度，滿足系統(tǒng)動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能試驗要求[13-14]，提出了一種基于PI控制器和損耗疊加轉(zhuǎn)矩補償?shù)暮戕D(zhuǎn)矩加載控制算法。

陪試電動機處于電動狀態(tài)時，機械平衡方程為

(1)

式中：TL為陪試電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T1為陪試電動機電磁轉(zhuǎn)矩；J1為陪試電動機轉(zhuǎn)動慣量；np1為陪試電動機極對數(shù)；ω為電動機機械角速度；t為時間；Jc1為陪試電動機聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量；Pm1為陪試電動機機械損耗；Pa1為陪試電動機附加轉(zhuǎn)矩?fù)p耗。

負(fù)載電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，機械平衡方程為

(2)

式中：T2為負(fù)載電動機電磁轉(zhuǎn)矩；J2為負(fù)載電動機轉(zhuǎn)動慣量；np2為負(fù)載電動機極對數(shù)；Jc2為負(fù)載電動機聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量；Pm2為負(fù)載電動機機械損耗；Pa2為負(fù)載電動機附加轉(zhuǎn)矩?fù)p耗。

綜合式(1)、式(2)，構(gòu)建雙電動機系統(tǒng)軸結(jié)構(gòu)的機械平衡方程。

(3)

由式(3)可知，T1與T2存在非線性誤差，且誤差隨著電動機轉(zhuǎn)速增大而減小。

根據(jù)礦用變頻器性能測試系統(tǒng)硬件平臺，搭建雙電動機系統(tǒng)仿真模型。采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略，負(fù)載電動機以轉(zhuǎn)速控制模式啟動，陪試電動機則以轉(zhuǎn)矩控制模式為被試變頻器提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩[15]。

設(shè)置給定轉(zhuǎn)矩為200 N·m，轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制仿真結(jié)果如圖8所示?？煽闯霎?dāng)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制方式時，變頻器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不等于給定轉(zhuǎn)矩，在2.5 s時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩大脈動現(xiàn)象。

使用精度轉(zhuǎn)矩傳感器實時采集負(fù)載電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，以給定轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩傳感器測量值之差作為輸入，經(jīng)PI控制器動態(tài)補償轉(zhuǎn)速變化引起的加載轉(zhuǎn)矩誤差。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入損耗疊加轉(zhuǎn)矩的補償項，達(dá)到補償穩(wěn)態(tài)加載轉(zhuǎn)矩誤差的目的。由于雙電動機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型存在速度的微分項，在數(shù)字化控制系統(tǒng)中，易引起噪聲干擾和系統(tǒng)振蕩，所以，利用低通濾波器(Low-pass Filter，LPF)進(jìn)行濾波處理。恒轉(zhuǎn)矩加載控制原理如圖9所示(ω*為電動機給定角速度)。

圖8 轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of torque open loop control

圖9 恒轉(zhuǎn)矩加載控制原理Fig.9 Constant torque load control principle

恒轉(zhuǎn)矩加載控制仿真結(jié)果如圖10所示。負(fù)載電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩基本一致，且無轉(zhuǎn)矩大脈動現(xiàn)象。恒轉(zhuǎn)矩加載控制算法能夠提高轉(zhuǎn)矩跟蹤能力，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速動態(tài)和穩(wěn)態(tài)時負(fù)載轉(zhuǎn)矩的精確輸出，可優(yōu)化測試系統(tǒng)的加載性能。

圖10 恒轉(zhuǎn)矩加載控制仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of constant torque loading control

4 測試系統(tǒng)性能驗證

實施場地規(guī)劃布置、場地基建、設(shè)備安裝和系統(tǒng)調(diào)試等系列工作，搭建了一套完整的礦用變頻器性能測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制和能量回饋性能，并對背景噪聲進(jìn)行測量，驗證系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)性能，部分實際場景如圖11所示。

4.1 轉(zhuǎn)矩加載精度

使用額定功率為1 000 kW的被試變頻器驅(qū)動710 kW電動機，設(shè)置同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的10%～90%。分別在轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制和恒轉(zhuǎn)矩加載控制時記錄并計算系統(tǒng)的加載精度數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖12、圖13所示。

圖11 實物場景Fig.11 Physical scene

圖12 轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制時加載誤差Fig.12 Loading error during torque open loop control

圖13 恒轉(zhuǎn)矩加載控制時加載誤差Fig.13 Loading error during constant torque loading control

由圖12可知，轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制時，在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，測試系統(tǒng)的加載誤差隨著給定轉(zhuǎn)矩的增大而增大，在給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的90%時，加載誤差為4.5%。

由圖13可知，采用恒轉(zhuǎn)矩加載控制算法時，在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，測試系統(tǒng)的加載誤差均小于1%，加載精度大大提高，驗證了恒轉(zhuǎn)矩加載控制算法的正確性和有效性。

4.2 能量回饋測試

在進(jìn)行轉(zhuǎn)矩加載精度測試時，智能儀表計算總開關(guān)柜輸入功率情況，統(tǒng)計測試系統(tǒng)耗電率，擬合曲線如圖14所示?？煽闯鲇捎诓捎媒涣骰仞伡虞d方式，測試系統(tǒng)耗電率不超過30%。

圖14 系統(tǒng)耗電率Fig.14 System power consumption rate

4.3 背景噪聲

EMC性能是礦用變頻器的重要性能指標(biāo)之一，分為傳導(dǎo)和輻射2項指標(biāo)。其中傳導(dǎo)測試得到的騷擾電壓限值見表1。使用電磁干擾(EMI)接收機測量實驗區(qū)域電源柜電源端口騷擾電壓，0.15～10 MHz范圍內(nèi)的測試結(jié)果如圖15所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)EMC性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，電磁干擾對設(shè)備的影響較小。

表1 騷擾電壓限值Table 1 Disturbance voltage limit

圖15 電源端口騷擾電壓頻譜Fig.15 Power port disturbance voltage spectrum

5 結(jié)語

采用交流回饋加載技術(shù)，設(shè)計了一種由供電系統(tǒng)、加載試驗臺、測控系統(tǒng)組成的礦用變頻器性能測試系統(tǒng)。基于WinCC組態(tài)軟件開發(fā)了包括監(jiān)測監(jiān)控模塊、測試管理模塊和安全管理模塊的測試系統(tǒng)軟件。采用測控主機遠(yuǎn)程控制和流程化操作，實現(xiàn)了對系統(tǒng)全過程的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測與集中控制，完善了測試項目，簡化了操作頻次，提高了測試效率，減少了人為因素對測試結(jié)果的影響。采用恒轉(zhuǎn)矩加載控制算法，提高了系統(tǒng)加載精度。系統(tǒng)性能測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測試精度高，在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩加載誤差均小于1%；采用交流回饋加載方式，系統(tǒng)耗電率不超過30%；系統(tǒng)EMC性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，電磁干擾對設(shè)備的影響較小。系統(tǒng)滿足礦用變頻器型式測試或出廠測試需求，具備較好的適應(yīng)性。