低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統

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，只有在高轉速情況下才能穩定加載；磁粉測功機只適合小功率、低轉速下加載；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，大型設備多，投資高，且直流機組需要經常進行定期維護。

隨著變頻調速技術的發展和應用，出現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，而且可以精確設定加載功率，交流電機產生的機械能重新反饋至電網，從而節約了電能，最大可節電70%。該加載方式最大的優點在于可在低頻時進行加載，可以測試變頻器的起動特性，同時也能長期穩定加載。

以上加載設備或裝置均比較成熟，但都存在同樣問題，即只能為被測設備提供負載環境，但是針對不同被試設備及不同加載要求，均須有經驗的測試人員進行加載操作，繁瑣的設置步驟及大量的原始數據記錄需要多名人員同時配合進行，且設備通電且電機高速旋轉時人工進行數據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據采集，加載完成后還需大量時間進行數據整合、分析工作，檢驗效率低下。

2 系統的主回路設計

圖1 低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統

主回路的總前級為隔離變壓器T1，隔離變壓器下端經過兩臺開關柜后并聯了整流變壓器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。整個系統在T1變壓器后端實現交流封閉。T2位被試變頻器提供電源，T3整流變壓器后級經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。被試變頻器驅動被試電機，陪試變頻器驅動陪試電機。兩臺電機通過聯軸器及轉矩轉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。當兩臺電機同向轉動且存在轉差時，電動機就會帶負載運行，從而實現為變頻器加載的目的。其中，當被試變頻器給定轉速小于陪試變頻器給定轉速時，被試變頻器運行在電動狀態；當被試變頻器給定轉速大于陪試變頻器給定轉速時，被試變頻器運行在發電狀態。

加載試驗臺技術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種是數字量＋模擬量，1種是數字量＋通訊。

數字量＋模擬量的控制方式中，被試變頻器及負載變頻器整流側由于控制比較簡單，均采用數字量的方式進行控制。逆變側采用數字量的方式進行啟停控制，被試變頻器采用模擬量控制轉速，負載變頻器采用模擬量控制轉矩。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據十分有限。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。

數字量＋通訊的控制方式中，被試變頻器及負載變頻器整流側由于控制比較簡單，均采用數字量的方式進行控制。被試變頻器的的逆變側和負載變頻器的逆變側均采用通訊進行控制，這樣及能保證控制精度，又能將比較多的數據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據給定。工控機顯示的內容如下：每路開關柜的電壓、電流顯示；每路開關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、轉矩、功率、散熱器溫度；以曲線的形式顯示被試變頻器的轉矩及電流；轉矩傳感器轉速及力矩顯示。

工控機控制的內容如下：每路開關柜真空接觸器的通斷控制；被試變頻器整流側啟停控制、整流側復位、逆變側啟停控制、逆變側復位、逆變側方向、逆變側頻率；負載變頻器整流側啟停控制、整流側復位、逆變側啟停控制、逆變側復位、逆變側力矩。

4 系統的運行過程設計

先在控制系統中手動輸入被試變頻器基本參數（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安全檢測并經測試人員確認后，系統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，讓被試變頻器驅動被試電機進行一定時間的空載測試。空載測試通過后，停止被試變頻器，陪試變頻器得電。

系統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，系統會根據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，然后系統將被試變頻器轉速升至額定，被試變頻器進入連續電動滿載運行。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制動滿載運行，運行一定時間后，系統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 系統的運行過程設計

影響變頻器現場能否正常運行的關鍵質量參數主要有啟動特性，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矩直接影響變頻器啟動特性。啟動轉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動系統正常運行。本項目擬采用高性能矢量變頻器驅動交流變頻電機為被試變頻器提供可調模擬負載。高性能矢量變頻器能夠在靜止狀態下輸出額定轉矩，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，并通過轉矩轉速傳感器進行精確數據采集。

加載設備還需為被試變頻器提供長期、連續、穩定的模擬負載，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，需要通過電能質量分析儀加以測量，主要測量被試變頻器輸入輸出側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、效率等電能參數。

6 系統的運行過程設計

如不采用自動化加載功能，加載測試系統的大量原始數據均需要人工從不同檢測設備上進行定時測量，有些檢測儀器擺放在試驗區域內，在電機高速運轉時進入檢測區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據整理、分析工作也許耗費大量人力。所以，要想建設一套低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統，就需要自動化控制系統的加入。

加載系統若要實現自動加載功能，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、電流數據進行判斷。

本項目中將多路溫度測量儀、電能質量分析儀、智能開關、轉矩轉速傳感器等設備的數據全部采集進入自動控制系統，同時采集兩臺變頻器的試變頻器的關鍵數據并對兩臺變頻器加以控制。系統以采集的數據為基礎，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據分析整合后，生成變頻器檢測報告，檢驗人員只需根據檢驗報告中的少量關鍵數據，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據整理及分析工作。

7 結語

通過對變頻器關鍵質量參數及測試、高性能加載測試方法及智能自動化控制系統的研究，設計此基于雙電機對拖交流封閉變頻加載技術的低壓大功率礦用變頻器智能一體化測試系統，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系統收集的各種數據自動生成檢測報告或報表。同時該測試系統不僅能夠用于變頻器測試，并且還能用于絞車、減速箱等機械設備的負載測試，具有良好的市場前景。

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