2MW高壓變頻器試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建軍， 王傳軍， 汪玉山

(1. 河北新四達(dá)電機(jī)制造有限公司，河北 石家莊 052160 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

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率變頻器被廣泛應(yīng)用。本文介紹了2MW高壓變頻器試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)適用于多種類型多種規(guī)格的變頻器，可進(jìn)行安全性能試驗(yàn)及各加載方式下的帶載性能試驗(yàn)等。采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控和測量，具有較高的自動化程度，準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、節(jié)能降耗、運(yùn)行可靠，實(shí)用價(jià)值高。

1 系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰爸饕夹g(shù)指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)芰θ绫?所示。被試驗(yàn)三相高壓變頻器最大直接負(fù)載為2MW，額定頻率50Hz額定電壓10/6.0/3.3(3.0)kV，功率因數(shù)0.9以上，效率95%以上，1min短時(shí)間過載能力1.5倍?？赏ㄟ^調(diào)壓器調(diào)節(jié)被試變頻器輸入電壓在30%～120%額定電壓范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制。系統(tǒng)通過開關(guān)柜旁路調(diào)壓器，直接以10kV電網(wǎng)供電。

表1 試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

試驗(yàn)系統(tǒng)以特殊設(shè)計(jì)的2500kW三相異步電動機(jī)機(jī)組作為直接負(fù)載，以四象限變頻器作為負(fù)載控制以及實(shí)現(xiàn)能量回饋。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下： 電壓測量準(zhǔn)確度為0.2%；電流測量準(zhǔn)確度為0.2%；轉(zhuǎn)速測量準(zhǔn)確度為0.5%；轉(zhuǎn)矩測量準(zhǔn)確度為0.5%；溫度測試精度分辨率： 0.02 ℃；準(zhǔn)確度：(3-Sigma)±0.05 ℃；絕緣電阻精度為5%。

試驗(yàn)站使用環(huán)境條件如下： 環(huán)境溫度0～40 ℃ ；相對濕度≤95%(25 ℃)；海拔高度≤1000m；安裝地點(diǎn)為戶內(nèi)。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)系統(tǒng)的變頻器測試按照GB/T 13422—2013《半導(dǎo)體電力變流器—電氣試驗(yàn)方法》[1]和GB/T 3859.1—2013《半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分 基本要求規(guī)范》[2]等國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，主要針對共性電氣試驗(yàn)項(xiàng)目。

試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

變頻器負(fù)載特性試驗(yàn)；

變頻器長期負(fù)載考核及老化試驗(yàn)；

變頻器功率器件溫升試驗(yàn)；

變頻器變壓器等部件的溫升試驗(yàn)；

變頻器斷相試驗(yàn)；

變頻器短路試驗(yàn)；

主電路漏電閉鎖試驗(yàn)；

接地故障保護(hù)試驗(yàn)；

其他試驗(yàn)包括：額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗(yàn)；頻率精度試驗(yàn)、效率試驗(yàn)；變頻器輸出諧波分析。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1。系統(tǒng)由調(diào)壓器輸入輸出控制柜、三相油浸調(diào)壓器1T、三相油浸特殊變壓器2T、旁路開關(guān)柜、變壓器輸入輸出開關(guān)柜、變頻器輸入輸出測量控制柜、輸出短路及PT柜、再生型加載回饋?zhàn)冾l器2U、交流高壓負(fù)載機(jī)組等組成。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

3.2 系統(tǒng)各單元功能及技術(shù)參數(shù)

輸入開關(guān)柜： 額定電壓為10kV，額定容量為800kVA，主要實(shí)現(xiàn)輸入電源開關(guān)控制及綜合繼電保護(hù)。

試驗(yàn)用三相油浸感應(yīng)調(diào)壓器1T： 可通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)被試變頻器輸入電壓在30%～120%額定電壓范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制。加載容量超過800kVA時(shí)通過開關(guān)柜自動旁路調(diào)壓器。

調(diào)壓器主要參數(shù)如下： 相數(shù)3相，額定頻率50Hz；安裝類型為戶內(nèi)安裝；冷卻方式為油浸自冷；額定容量為800kVA；額定輸入電壓為10kV；輸出電壓為0～13kV；輸入電壓諧波含量5%。

三相油浸特殊輸出變壓器2T： 該試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)對象涵蓋3.3、6、10kV等多種電壓等級。按最大試驗(yàn)容量，特殊設(shè)計(jì)三繞組試驗(yàn)專用變壓器。變壓器一次側(cè)繞組容量為800kVA，二次側(cè)二個(gè)繞組均設(shè)計(jì)為多抽頭可串并聯(lián)及星三角組合，繞組最大功率為2500kVA。根據(jù)試驗(yàn)對象需求組合出6脈沖3.3、6、10kV等電壓等級，以及18脈沖3.3、 6kV等電壓等級。試驗(yàn)中二次側(cè)二個(gè)繞組，實(shí)現(xiàn)能量回饋的向量耦合，實(shí)際測試數(shù)據(jù)表明，在滿載情況下，電網(wǎng)僅需提供約25%的能量即可。主要參數(shù)如下： 一次電壓為10kV；額定輸入容量為800kVA；額定設(shè)計(jì)頻率為50Hz；短路阻抗為6%。

3.3 高壓回饋加載變頻器

該系統(tǒng)采用匯川生產(chǎn)的3.3kV高壓四象限能量再生型變頻器構(gòu)成負(fù)載能量回饋及控制系統(tǒng)，由移相變壓器、功率單元和控制器等部分組成，移相變壓器采用免維護(hù)型干式變壓器，絕緣等級為H級。高壓回饋加載變頻器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

能量回饋功率單元模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功率單元內(nèi)裝有獨(dú)立的DSP處理器和電壓、電流采樣電路，能夠在主控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)能量回饋的控制，回饋控制采用100%功率PWM整流有源前端，變頻器的最大回饋功率與最大輸出功率相同，達(dá)到2500kW。

能夠用此變頻器構(gòu)成的變頻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下工作狀態(tài)：可根據(jù)需要設(shè)置負(fù)載時(shí)間、扭矩百分比、每一扭矩工作時(shí)間、變頻器輸入電壓85%～110%之間調(diào)節(jié)、每一輸入電壓運(yùn)行時(shí)間，從而使被測變頻器按定義的負(fù)載及電壓特性工作。

3.4 負(fù)載機(jī)組

系統(tǒng)以兩臺三相異步電動機(jī)變頻電機(jī)構(gòu)成的機(jī)組作為被試驗(yàn)變頻器的負(fù)載。為適應(yīng)不同電壓等級被試驗(yàn)變頻器的需要，其中一臺電機(jī)設(shè)計(jì)為

表2 高壓回饋加載變頻器技術(shù)參數(shù)

3個(gè)工作電壓，且在三額定電壓下均達(dá)到2500kW，額定電壓分別為3.3、6、10kV，6極，IP23，B3安裝方式，F(xiàn)級絕緣。另一臺加載電機(jī)額定電壓3.3kV，與四象限加載變頻器共同實(shí)現(xiàn)加載及調(diào)節(jié)負(fù)載。

機(jī)組兩臺負(fù)載電機(jī)均裝有增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，用于被試驗(yàn)變頻器或者加載變頻器的轉(zhuǎn)速反饋。

機(jī)組軸端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器用于監(jiān)測試驗(yàn)輸出扭矩參數(shù)。

機(jī)組安裝方式如圖2所示，包含聯(lián)軸器、墊塊、壓板、螺栓等。

圖2 負(fù)載機(jī)組安裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制及測量系統(tǒng)

該試驗(yàn)系統(tǒng)控制及測量部分由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、可編程邏輯控制器、受控設(shè)備部分組成，通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)集中控制，受控部分包括供電開關(guān)柜、調(diào)壓器、變壓器、被試驗(yàn)變頻器、加載變頻器、各測試儀表等，原理框圖如圖3。控制系統(tǒng)的信號傳輸采用光纖，極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

圖3 測控系統(tǒng)原理框圖

4.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器完成試驗(yàn)設(shè)備組態(tài)，包括電源控制、主要開關(guān)合分閘等。試驗(yàn)中僅需在上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中選擇所需要的運(yùn)行方式和負(fù)載特性即可。控制系統(tǒng)針對各試驗(yàn)項(xiàng)目的要求控制電源的輸出，完成加載及負(fù)載調(diào)節(jié)，并從系統(tǒng)獲得被試驗(yàn)變頻器的電參量和各環(huán)境參量。在試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對被試對象的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩等參量形成閉環(huán)或開環(huán)控制，模擬各種加載工況，自動完成試驗(yàn)項(xiàng)目。

各受控對象的狀態(tài)通過控制總線，上傳到PLC和上位工控機(jī)，由上位機(jī)顯示并判斷狀態(tài)是否健康，完成系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

4.2 電量測量系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用AnyWay寬帶功率測試系統(tǒng)，遵循IEC及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，可有效確保試驗(yàn)的寬頻率范圍、寬幅值范圍及低功率因數(shù)等測試要求。

系統(tǒng)由寬帶功率傳感器及寬帶功率分析儀構(gòu)成。寬帶功率傳感器在傳感器內(nèi)部即將被測信號數(shù)字化，并以光纖為介質(zhì)將數(shù)字量上傳至寬帶功率分析儀。寬帶功率分析儀對數(shù)字量進(jìn)行分析、運(yùn)算并以數(shù)值、圖表、波形等方式顯示被測參量信息。

為兼顧被測變頻器的輸入和輸出測量，選擇了兩套測量系統(tǒng)。額定電壓10kV，最大電流500A，共6只；電流測量在5～500A范圍內(nèi)自動切換量程，分別組成CT1、CT2電流測量單元。

4.3 其他測量系統(tǒng)

配備轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀、溫度巡檢儀、接地電阻和絕緣電阻檢定電阻。

5 結(jié) 語

該試驗(yàn)系統(tǒng)方案，采用3.3kV高壓四象限能量再生型變頻器實(shí)現(xiàn)加載和負(fù)載調(diào)節(jié)，采用特殊設(shè)計(jì)的三繞組變壓器，通過其二次側(cè)二個(gè)繞組的向量耦合實(shí)現(xiàn)能量的交流回饋。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字總線控制，自動化程度高，適用于各種不同的加載模式。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，主要技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，投入使用后提高了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證的能力，為產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)提供了保證。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] GB/T 13422—2013 半導(dǎo)體電力變流器電氣試驗(yàn)方法[S].

[2] GB/T 3859.1—2013半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分 基本要求規(guī)范[S].

[3] 趙發(fā).淺談高壓變頻器試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].變頻器世界，2007(6)： 75-78.