劉 祺，李懷珍，童陟嵩

(1.上海電科電機(jī)科技有限公司，上海 200063；2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

變頻器測試主要包括空載試驗(yàn)、調(diào)頻范圍試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、過載試驗(yàn)等[1]。在變頻器試驗(yàn)中，給試驗(yàn)變頻器施加負(fù)載是關(guān)鍵，負(fù)載穩(wěn)定、響應(yīng)迅速是影響變頻器試驗(yàn)的關(guān)鍵因素。本文介紹了一種基于ABB ACS880的再生能量回饋型變頻器加載試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,DTC)技術(shù)驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速電機(jī)進(jìn)行加載，既滿足變頻器試驗(yàn)對加載穩(wěn)定和快速的要求，又在測試過程中實(shí)現(xiàn)了能量的再生反饋，是一套節(jié)能型的變頻器加載試驗(yàn)臺(tái)。

1 主要性能指標(biāo)及要求

根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)測試需要，試驗(yàn)臺(tái)用于完成132 kW永磁同步電機(jī)變頻器試驗(yàn)，主要用來完成變頻器的負(fù)載特性、加減速性能的試驗(yàn)，試驗(yàn)測試能力需求如表1所示。

表1 試驗(yàn)測試能力需求

2 試驗(yàn)臺(tái)的原理和構(gòu)成

2.1 試驗(yàn)臺(tái)原理

試驗(yàn)臺(tái)需要完成對變頻器輸入、輸出各運(yùn)行參數(shù)的測量，硬件結(jié)構(gòu)由電氣系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成。

由于常用的變頻器主電路一般為“交-直-交”，因而對試驗(yàn)變頻器需采用交流供電，然而由于試驗(yàn)變頻器的多電壓等級,故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無法采用共直流母線回饋方式?；谏鲜鲈?，試驗(yàn)臺(tái)采用電網(wǎng)回饋的電功率閉環(huán)方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由1T變壓器、CT1/CT2電流傳感器、DJX1/DJX2接線箱、T-n轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器以及2U加載變頻器組成，試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)直接由交流電網(wǎng)電源供電，通過1T變壓器匹配1U試驗(yàn)變頻器電壓等級，通過2U加載變頻器將能量回饋至電網(wǎng)從而構(gòu)成電功率閉環(huán)系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

2.2 電氣系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)通過1T變壓器輸出320 V、380 V和480 V電壓等級的電源供給1U試驗(yàn)變頻器，通過1U試驗(yàn)變頻器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。

試驗(yàn)系統(tǒng)2U加載變頻器采用ABB公司的ACS880再生單傳動(dòng)模塊，通過再生功能，將電機(jī)的制動(dòng)和反饋能量返回到傳動(dòng)并回饋到供電網(wǎng)絡(luò)，避免了能量以熱量的形式浪費(fèi)，達(dá)到了較好的節(jié)能效果。

試驗(yàn)臺(tái)電氣控制硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括PLC、上位機(jī)、試驗(yàn)變頻器、加載變頻器等部分。系統(tǒng)主控制器采用西門子SIMATIC S7-1200系列CPU1214 AC/DC/RLY型PLC，該P(yáng)LC具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，其CPU模塊集成有工業(yè)以太網(wǎng)通信接口，通過該接口與上位機(jī)、加載變頻器組成profinet工業(yè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)電氣控制硬件結(jié)構(gòu)

由于受變頻器整流回路充電大電容影響,變頻器的輸入電流通常為非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，變頻器的輸出為調(diào)制SPWM波，有較多的高次諧波含量，因此對變頻器的輸入以及輸出電參數(shù)測量均需采用寬頻電參數(shù)測量儀[2]。本試驗(yàn)臺(tái)主要為了完成對試驗(yàn)變頻器的電參數(shù)測量，因此本試驗(yàn)臺(tái)測量單元采用了致遠(yuǎn)電子6通道PA5000H功率分析儀(選配電機(jī)通道)，該功率分析儀帶寬高達(dá)5 Mb/s、采樣率可達(dá)2 MS/s，帶有500次諧波分析、FFT分析功能以及線路濾波功能。變頻器輸入、輸出電壓直接進(jìn)表測量，電流通過LEM高精度電流傳感器接入功率分析儀進(jìn)行測量。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)由試驗(yàn)用永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、加載用變頻調(diào)速電機(jī)、聯(lián)軸器、試驗(yàn)平臺(tái)等部分組成，永磁同步電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器通過彈性聯(lián)軸器連接并固定安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上，機(jī)械系統(tǒng)安裝示意圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)安裝示意圖

2.3.1 永磁同步電機(jī)

根據(jù)變頻器試驗(yàn)需求，試驗(yàn)用永磁同步電機(jī)額定功率為132 kW、峰值功率約264 kW、工作頻率為200 Hz、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。根據(jù)此要求與多家永磁同步電機(jī)生產(chǎn)廠家溝通后均表示產(chǎn)品研發(fā)具有較高難度，后經(jīng)多方調(diào)研、考察和推薦，江特電機(jī)ASPM系列超高效率永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠滿足項(xiàng)目需求，即8極電機(jī)，額定工作頻率為200 Hz，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 永磁同步電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2 變頻調(diào)速電機(jī)

為了充分發(fā)揮加載變頻器的優(yōu)良特性，滿足試驗(yàn)變頻器(零速、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)速)負(fù)載特性和全頻調(diào)速試驗(yàn)需要，提高試驗(yàn)臺(tái)的整體水平，加載用變頻調(diào)速電機(jī)采用了200 kW變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 變頻調(diào)速電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

電機(jī)輸出機(jī)械功率參數(shù)測量采用北京三晶公司JN338-A轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器是一種采用磁場耦合來傳遞能源及信號的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，具有體積小、重量輕、安裝簡單方便、微機(jī)化測量接口簡單方便等特點(diǎn)，傳感器基本精度0.2級，可測量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩及動(dòng)態(tài)過渡過程的旋轉(zhuǎn)扭矩，應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.003 2 ms。系統(tǒng)采用0.2級1 000 Nm傳感器，通過PA5000H功率分析儀電機(jī)通道完成電機(jī)對拖機(jī)組的機(jī)械參數(shù)測量。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器基本參數(shù)如表4所示。

表4 JN338傳感器主要技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)臺(tái)特點(diǎn)

3.1 四象限全控整流單元

與傳統(tǒng)采用二極管整流方案不同的是本測試臺(tái)采用四象限全控整流方式實(shí)現(xiàn)整流及將再生能量回饋至電網(wǎng)，可以做到網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，功率因數(shù)可以任意調(diào)整，能量可以雙向傳輸，具有卓越的動(dòng)態(tài)特性[3]。

3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

在傳統(tǒng)的電機(jī)控制中，往往要根據(jù)電機(jī)的各種參數(shù)來計(jì)算變頻器輸出電壓、電流等。本試驗(yàn)臺(tái)的加載是基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，該技術(shù)是把轉(zhuǎn)矩作為直接跟蹤控制對象，強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，因此可以對電機(jī)的動(dòng)態(tài)變化做出快速反應(yīng)，控制精度高，并且能實(shí)現(xiàn)低速大力矩、低電流大力矩和“零速滿轉(zhuǎn)矩”功能[4]。

3.3 測試數(shù)據(jù)的高度同步

在傳統(tǒng)的電機(jī)、變頻器等加載試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中，電參數(shù)測量采用功率分析儀，機(jī)械參數(shù)測量則采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀，兩者為獨(dú)立的測試儀器，這種設(shè)計(jì)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的不同步。在本加載試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)PA5000H功率分析儀集成了變頻器輸入、輸出電參數(shù)測量以及電機(jī)機(jī)械參數(shù)的測量，數(shù)據(jù)采集的同步性更好，滿足了變頻器瞬態(tài)特性和響應(yīng)性能的測試需求。

4 結(jié)束語

本加載試驗(yàn)臺(tái)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能量利用率高、加載快速、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前，該加載試驗(yàn)臺(tái)已在變頻器實(shí)驗(yàn)室安全穩(wěn)定運(yùn)行半年多，完成了多臺(tái)變頻器的性能檢測，滿足了變頻器研發(fā)及試驗(yàn)需要。