低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統(tǒng)

天地（常州）自動化股份有限公司 封 錦 韓廣盈

1 前言

目前國內(nèi)外的主流變頻器測試手段主要有水力測功機、電渦流測功機、磁粉測功機、磁滯測功機、直流機組等，還有少量使用液壓加載和機械加載，這些加載設(shè)備都是被動式、無源型、耗能型，不僅浪費資源，而且加載特性不好。例如水力測功機、電渦流測功機都靠水冷帶走加載能量，只有在高轉(zhuǎn)速情況下才能穩(wěn)定加載；磁粉測功機只適合小功率、低轉(zhuǎn)速下加載；磁滯測功機只適合小扭矩、小功率加載；機械加載和液壓加載目前已經(jīng)很少被采用；直流機組雖然擁有較好的加載效果，但是占用場地大，大型設(shè)備多，投資高，且直流機組需要經(jīng)常進行定期維護。

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和應用，出現(xiàn)了可以將加載時電機回饋能量重新利用的交流變頻加載裝置。這種加載方式使用方便，而且可以精確設(shè)定加載功率，交流電機產(chǎn)生的機械能重新反饋至電網(wǎng)，從而節(jié)約了電能，最大可節(jié)電70%。該加載方式最大的優(yōu)點在于可在低頻時進行加載，可以測試變頻器的起動特性，同時也能長期穩(wěn)定加載。

以上加載設(shè)備或裝置均比較成熟，但都存在同樣問題，即只能為被測設(shè)備提供負載環(huán)境，但是針對不同被試設(shè)備及不同加載要求，均須有經(jīng)驗的測試人員進行加載操作，繁瑣的設(shè)置步驟及大量的原始數(shù)據(jù)記錄需要多名人員同時配合進行，且設(shè)備通電且電機高速旋轉(zhuǎn)時人工進行數(shù)據(jù)采集存在極大的安全隱患，至少2小時的加載過程需要進行多次數(shù)據(jù)采集，加載完成后還需大量時間進行數(shù)據(jù)整合、分析工作，檢驗效率低下。

2 系統(tǒng)的主回路設(shè)計

圖1 低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統(tǒng)

主回路的總前級為隔離變壓器T1，隔離變壓器下端經(jīng)過兩臺開關(guān)柜后并聯(lián)了整流變壓器T2及整流變壓器T3，T2及T3變壓器容量為最大加載容量的1.5倍。整個系統(tǒng)在T1變壓器后端實現(xiàn)交流封閉。T2位被試變頻器提供電源，T3整流變壓器后級經(jīng)過濾波器后接入陪試變頻器,以保證被試變頻器前級電源質(zhì)量符合標準，同時可借助其他儀器準確測試被試變頻器EMC性能是否符合標準。被試變頻器驅(qū)動被試電機，陪試變頻器驅(qū)動陪試電機。兩臺電機通過聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將電機軸連接在一起。其中，被試變頻器可使用V/F控制方式或矢量控制，陪試變頻器采用矢量控制方式。當兩臺電機同向轉(zhuǎn)動且存在轉(zhuǎn)差時，電動機就會帶負載運行，從而實現(xiàn)為變頻器加載的目的。其中，當被試變頻器給定轉(zhuǎn)速小于陪試變頻器給定轉(zhuǎn)速時，被試變頻器運行在電動狀態(tài)；當被試變頻器給定轉(zhuǎn)速大于陪試變頻器給定轉(zhuǎn)速時，被試變頻器運行在發(fā)電狀態(tài)。

加載試驗臺技術(shù)方案采用上文中描述的變頻共交流母線方案。加載試驗臺框圖如圖1所示，主要由變壓器、配電部分、變頻器、電機、上位機等組成。

3 所采用的控制策略

上位機對于兩臺變頻器的控制有兩種方式可供選擇，1種是數(shù)字量＋模擬量，1種是數(shù)字量＋通訊。

數(shù)字量＋模擬量的控制方式中，被試變頻器及負載變頻器整流側(cè)由于控制比較簡單，均采用數(shù)字量的方式進行控制。逆變側(cè)采用數(shù)字量的方式進行啟?？刂疲辉囎冾l器采用模擬量控制轉(zhuǎn)速，負載變頻器采用模擬量控制轉(zhuǎn)矩。這種方式接線較多，模擬量也比較容易受到干擾，影響控制精度，且上傳至上位機的數(shù)據(jù)十分有限。所以上位機保留這種控制方式的所有接口，但是不作為首選控制方式。

數(shù)字量＋通訊的控制方式中，被試變頻器及負載變頻器整流側(cè)由于控制比較簡單，均采用數(shù)字量的方式進行控制。被試變頻器的的逆變側(cè)和負載變頻器的逆變側(cè)均采用通訊進行控制，這樣及能保證控制精度，又能將比較多的數(shù)據(jù)精確上傳至上位機進行顯示。

控制界面基于Lab Windows/CVI虛擬軟件環(huán)境，所有控制及顯示均集中在工控機19寸液晶屏上，通過鼠標和鍵盤進行控制及數(shù)據(jù)給定。工控機顯示的內(nèi)容如下：每路開關(guān)柜的電壓、電流顯示；每路開關(guān)柜的真空接觸器通斷顯示；被試變頻器的直流母線電壓、輸出電流、輸出電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩、功率、散熱器溫度；負載變頻器的直流母線電壓、輸出電流、輸出電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩、功率、散熱器溫度；以曲線的形式顯示被試變頻器的轉(zhuǎn)矩及電流；轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)速及力矩顯示。

工控機控制的內(nèi)容如下：每路開關(guān)柜真空接觸器的通斷控制；被試變頻器整流側(cè)啟?？刂啤⒄鱾?cè)復位、逆變側(cè)啟?？刂?、逆變側(cè)復位、逆變側(cè)方向、逆變側(cè)頻率；負載變頻器整流側(cè)啟?？刂?、整流側(cè)復位、逆變側(cè)啟?？刂啤⒛孀儌?cè)復位、逆變側(cè)力矩。

4 系統(tǒng)的運行過程設(shè)計

先在控制系統(tǒng)中手動輸入被試變頻器基本參數(shù)（功率、電壓、電流等），選擇被試變頻器類型及加載方案，在提示操作人員進行常規(guī)安全檢測并經(jīng)測試人員確認后，系統(tǒng)會自動按以下步驟進行加載測試：檢測被試變頻器前級電源是否正常，若正常，將給被試變頻器通電，啟動被試變頻器，讓被試變頻器驅(qū)動被試電機進行一定時間的空載測試?？蛰d測試通過后，停止被試變頻器，陪試變頻器得電。

系統(tǒng)會檢測陪試變頻器前級電源是否正常，若正常將給陪試變頻器供電，然后系統(tǒng)將啟動力矩寫入陪試變頻器，并以0速啟動陪試變頻器，此時陪試電機保持靜止。

陪試變頻器啟動完成后，系統(tǒng)將啟動被試變頻器，啟動過程中即會檢測被試變頻器的帶載啟動能力，當啟動到10Hz時，系統(tǒng)會根據(jù)被試變頻器功率將力矩加大，直至達到被試變頻器額定電流，然后系統(tǒng)將被試變頻器轉(zhuǎn)速升至額定，被試變頻器進入連續(xù)電動滿載運行。加載一定時間后，若被試變頻器為兩象限變頻器，則系統(tǒng)會先將陪試變頻器的力矩降為0，然后先停止陪試變頻器，在停止被試變頻器，同時生成報表。若被試變頻器為四象限變頻器，則系統(tǒng)會先將陪試變頻器力矩降為0，然后改變力矩符號重新加力矩，直至被試變頻器電流達到額定電流，陪試變頻器進入連續(xù)制動滿載運行，運行一定時間后，系統(tǒng)會先將陪試變頻器力矩降為0，然后先停止陪試變頻器，在停止被試變頻器，同時生成報表。

5 系統(tǒng)的運行過程設(shè)計

影響變頻器現(xiàn)場能否正常運行的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)主要有啟動特性，長期帶載能力，溫升及變頻器抗干擾及電源諧波含量。

變頻器啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩直接影響變頻器啟動特性。啟動轉(zhuǎn)矩的高低也決定了用于大慣量負載場合時變頻器是否能夠驅(qū)動系統(tǒng)正常運行。本項目擬采用高性能矢量變頻器驅(qū)動交流變頻電機為被試變頻器提供可調(diào)模擬負載。高性能矢量變頻器能夠在靜止狀態(tài)下輸出額定轉(zhuǎn)矩，通過機械連接為被試變頻器提供模擬大慣量負載，從而準確測試被試變頻器啟動特性，并通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進行精確數(shù)據(jù)采集。

加載設(shè)備還需為被試變頻器提供長期、連續(xù)、穩(wěn)定的模擬負載，從而檢測被試變頻器的長期帶載能力，而變頻器的長期帶載能力主要通過溫升進行檢驗。要準確測量被試變頻器溫升，則需同時連續(xù)檢測被試變頻器的多點溫度。需測量的主要位置有：電抗器、電纜、真空管、功率模塊、電容、散熱器溫度、風量等，而功率器件、電容等位置帶有危險電壓，所以本項目擬采用16路光纖測溫儀進行溫度檢測，以確保所有電容、模塊溫度分布均勻。使用風速風溫傳感器測量強制風冷變頻器的散熱風量、出風口溫度等，以確保強制冷卻風流符合設(shè)計要求。

通過被試變頻器的長期帶載運行，即能驗證變頻器內(nèi)部控制回路抗干擾能力。變頻器對外的諧波干擾，需要通過電能質(zhì)量分析儀加以測量，主要測量被試變頻器輸入輸出側(cè)的諧波電流含量并具體分析，并能同時測量被試變頻器的功率因數(shù)、效率等電能參數(shù)。

6 系統(tǒng)的運行過程設(shè)計

如不采用自動化加載功能，加載測試系統(tǒng)的大量原始數(shù)據(jù)均需要人工從不同檢測設(shè)備上進行定時測量，有些檢測儀器擺放在試驗區(qū)域內(nèi)，在電機高速運轉(zhuǎn)時進入檢測區(qū)域無疑會給測試記錄人員造成一定安全隱患，繁瑣的加載過程需要人工進行操作，檢測效率低下，存在誤操作風險。且試驗完成后的原始數(shù)據(jù)整理、分析工作也許耗費大量人力。所以，要想建設(shè)一套低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統(tǒng)，就需要自動化控制系統(tǒng)的加入。

加載系統(tǒng)若要實現(xiàn)自動加載功能，必然需要采集變頻器、電機、配電裝置等的實時信息，作為系統(tǒng)運行及保護的參考；要判斷變頻器性能是否符合要求，顯然也不能只依靠電壓、電流數(shù)據(jù)進行判斷。

本項目中將多路溫度測量儀、電能質(zhì)量分析儀、智能開關(guān)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)全部采集進入自動控制系統(tǒng)，同時采集兩臺變頻器的試變頻器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并對兩臺變頻器加以控制。系統(tǒng)以采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行自動控制、自動預警、自動報警停機等控制，并在加載完成后將所有原始數(shù)據(jù)分析整合后，生成變頻器檢測報告，檢驗人員只需根據(jù)檢驗報告中的少量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，即可判斷變頻器性能是否符合要求。加載過程不需人工操作，加載完成后也不再需要進行繁瑣的原始數(shù)據(jù)整理及分析工作。

7 結(jié)語

通過對變頻器關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)及測試、高性能加載測試方法及智能自動化控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計此基于雙電機對拖交流封閉變頻加載技術(shù)的低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統(tǒng)，能夠為市場上的低壓礦用變頻器進行全功率加載測試，加載過程自動化，并在加載完成后根據(jù)系統(tǒng)收集的各種數(shù)據(jù)自動生成檢測報告或報表。同時該測試系統(tǒng)不僅能夠用于變頻器測試，并且還能用于絞車、減速箱等機械設(shè)備的負載測試，具有良好的市場前景。

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