永磁同步電機變頻器加載試驗臺的設(shè)計

劉 祺，李懷珍，童陟嵩

(1.上海電科電機科技有限公司，上海 200063；2.上海電機系統(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、調(diào)頻范圍試驗、溫升試驗、負載試驗、過載試驗等[1]。在變頻器試驗中，給試驗變頻器施加負載是關(guān)鍵，負載穩(wěn)定、響應(yīng)迅速是影響變頻器試驗的關(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臺，該試驗臺采用先進的直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,DTC)技術(shù)驅(qū)動變頻調(diào)速電機進行加載，既滿足變頻器試驗對加載穩(wěn)定和快速的要求，又在測試過程中實現(xiàn)了能量的再生反饋，是一套節(jié)能型的變頻器加載試驗臺。

1 主要性能指標及要求

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

表1 試驗測試能力需求

2 試驗臺的原理和構(gòu)成

2.1 試驗臺原理

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

由于常用的變頻器主電路一般為“交-直-交”，因而對試驗變頻器需采用交流供電，然而由于試驗變頻器的多電壓等級,故在系統(tǒng)設(shè)計時無法采用共直流母線回饋方式。基于上述原因，試驗臺采用電網(wǎng)回饋的電功率閉環(huán)方式進行系統(tǒng)設(shè)計。試驗系統(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，試驗系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。試驗系統(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 試驗系統(tǒng)原理框圖

2.2 電氣系統(tǒng)

試驗系統(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試驗變頻器，通過1U試驗變頻器驅(qū)動永磁同步電機運行。

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

試驗臺電氣控制硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括PLC、上位機、試驗變頻器、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PLC具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、擴展方便等特點，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、加載變頻器組成profinet工業(yè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)。

圖2 試驗臺電氣控制硬件結(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準的正弦波，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]。本試驗臺主要為了完成對試驗變頻器的電參數(shù)測量，因此本試驗臺測量單元采用了致遠電子6通道PA5000H功率分析儀(選配電機通道)，該功率分析儀帶寬高達5 Mb/s、采樣率可達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、輸出電壓直接進表測量，電流通過LEM高精度電流傳感器接入功率分析儀進行測量。

2.3 機械系統(tǒng)

試驗臺機械系統(tǒng)由試驗用永磁同步電機、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、加載用變頻調(diào)速電機、聯(lián)軸器、試驗平臺等部分組成，永磁同步電機、變頻調(diào)速電機、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平臺上，機械系統(tǒng)安裝示意圖如圖3所示。

圖3 試驗臺機械系統(tǒng)安裝示意圖

2.3.1 永磁同步電機

根據(jù)變頻器試驗需求，試驗用永磁同步電機額定功率為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ASPM系列超高效率永磁同步電動機能夠滿足項目需求，即8極電機，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 永磁同步電機主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2 變頻調(diào)速電機

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

表3 變頻調(diào)速電機主要技術(shù)參數(shù)

2.3.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

電機輸出機械功率參數(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、微機化測量接口簡單方便等特點，傳感器基本精度0.2級，可測量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩及動態(tài)過渡過程的旋轉(zhuǎn)扭矩，應(yīng)變計動態(tài)應(yīng)變波的響應(yīng)時間可達0.003 2 ms。系統(tǒng)采用0.2級1 000 Nm傳感器，通過PA5000H功率分析儀電機通道完成電機對拖機組的機械參數(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 試驗臺特點

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采用四象限全控整流方式實現(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，具有卓越的動態(tài)特性[3]。

3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

在傳統(tǒng)的電機控制中，往往要根據(jù)電機的各種參數(shù)來計算變頻器輸出電壓、電流等。本試驗臺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，強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，因此可以對電機的動態(tài)變化做出快速反應(yīng)，控制精度高，并且能實現(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、變頻器等加載試驗臺設(shè)計中，電參數(shù)測量采用功率分析儀，機械參數(shù)測量則采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀，兩者為獨立的測試儀器，這種設(shè)計經(jīng)常會導致測試數(shù)據(jù)的不同步。在本加載試驗臺設(shè)計中，采用一臺PA5000H功率分析儀集成了變頻器輸入、輸出電參數(shù)測量以及電機機械參數(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

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