礦用電動機及變頻器加載試驗臺的設計

張宇光

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 201401)

0 引言

近年來，煤礦企業的電氣化、智能化愈加成熟，采煤機、掘進機、帶式輸送機等相關機電設備也在不斷地進行升級改造。而作為礦用電動機以及其相對應的變頻器核心元件，其性能直接關系到整臺設備的正常、高效運行。上海檢測中心電氣檢測所擔負著國家礦用機電產品的性能檢測,但目前暫不具備1 140 V電壓等級、630 kW以上的變頻器和電動機的檢測能力。為了提升檢測中心的試驗能力，研制了一套穩定、先進的加載試驗系統。

1 加載試驗系統的原理和特點

1.1 系統原理

新研制的1 200 kW礦用防爆變頻裝置加載試驗臺(以下簡稱試驗臺)是變頻器測試的基礎，其工作原理是將交流電動機發出的交流電,經變頻器逆變為交流電上網,通過控制系統調節加載電動機的上網電流來控制加載電動機的轉速和扭矩，與測控系統配套使用，除了可對各種旋轉動力機械的轉速、扭矩進行測量和控制外，還可對溫度、壓力、流量、電流、電壓等參數進行測量和控制。按照GB3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》要求，礦用防爆變頻裝置的各項試驗必須和與之配套的變壓器和電動機形成整體調速系統進行檢驗評定，試驗臺具備380 V、660 V、1 140 V，1 200 kW試驗容量的礦用防爆變頻器加載裝備。實現數據的精確采集、通信控制、設備的集控及報告分析，形成了防爆變頻裝置的安全測試評價加載用裝備。

1.2 系統特點

本系統實現了對1 200 kW及以下變頻設備進行標準所規定的檢測項目，防爆變頻裝置試驗系統的完成，形成防爆變頻裝置、電動機及其電氣部件、配套系統的性能檢測，包括溫升、轉矩、效率、啟制動、負載特性、振動噪聲、絕緣性能等檢測項目。對1 200 kW交流變頻轉矩-轉速四象限進行性能測試，在零轉速到100%最大轉速范圍內穩定加載。該測試系統具備以下特點：

1) 1 200 kW加載實現能量反饋，從運行可靠性、穩定性、方便維護性、經濟性等方面考慮選擇能量反饋方案，采用四象限變頻器，通過內部參數設置將加載機產生的機械能轉換為電能回饋到內部電網，達到節能作用。

2) 加載特性的實現從零轉速至100%最大轉速，并滿足單機或雙機的加載要求。試驗臺加載特性從零轉速至額定轉速為恒扭矩特性，額定轉速至最高轉速為恒功率特性，符合動力機械的負載特性。

2 系統組成

該系統分為加載系統、控制系統和數據采集處理系統等幾大單元，主要對電動機和變頻器的特定參數進行分別測量，其加載系統精確控制電動機的速度和轉矩；控制系統和數據采集處理系統采用含有現場總線的DCS系統；另外系統配有輔助供電系統。

2.1 加載系統

電氣傳動基本工作原理從試驗電源接入被試變頻器(被試電機)，驅動電動機(被試電機)輸出軸通過聯軸節帶動扭矩儀再拖動負載電動機作發電運轉，發出電能通過有饋網功能的負載變頻器反饋到電網。使整個系統能量形成內部循環反饋過程。變頻器采用IGBT作為功率元件。整個系統的能量反饋可達到80%以上。系統框架如圖1所示。

加載系統為變頻控制系統，用于控制加載電動機，對加載電動機的電能回饋至內部電網，完成內部電能循環。采用閉環控制，提供精確快速的速度和轉矩響應。整個加載系統配置專用的LCL濾波系統，在具有四象限加載能力的同時，保證對電網的諧波影響在2%以內，不對其他用電設備造成影響。加載電動機為變頻器專用的660 V，1 400 kW變頻調速三相異步電動機，采用F級絕緣材料，配套獨立的散熱系統和防潮裝置。為了防止變頻器的諧波電流對電動機軸上的擊穿，安裝消除諧波電流裝置。加載系統工作方式包括：

1) 電壓斷電時的運行。加載系統可以利用正在旋轉的電動機的動能繼續運行，只要電動機旋轉并產生能量，加載系統將繼續運行。

圖1 傳動系統

2) 零速滿轉矩。加載系統可以實現在電動機零速的時候達到額定轉矩。

3) 啟動轉矩大。最大啟動轉矩可以達到200%的電動機額定轉矩。

4) 精確速度控制。加載系統的動態轉速誤差在閉環控制下為0.1%。在靜態的精度可以達到0.01%。

5) 精確轉矩控制。動態轉矩捷越響應時間為1～5 ms。數字量給定轉矩精度小于0.1%。

主動力系統由實驗室專用10 kV母線經2 000 kVA變壓器轉為660 V出線，660 V配電系統采用一進兩出配電柜，分別供給加載變頻器和供電調壓器的輸入側。在進行電動機試驗時，由于被試電動機功率較大，需要進行降壓啟動；而變頻器電壓適應性測試也需要對電壓進行帶載調整。系統采用300～1 400 V，2 000 kVA的調壓器，實現多電壓可調。ACS880系列四象限加載變頻器原理如圖2所示。

2.2 控制系統

2.2.1 集散式模塊化的控制方式

整個控制系統采用以太網絡互聯。PLC作為系統的前端控制器，接受計算機發出的命令，進一步控制加載系統。除此之外，利用其模擬量模塊采集試驗的溫度數據。計算機作為后臺數據處理的集散系統控制方式，利用監控軟件，對試驗過程自動實時監控，同時利用試驗分析程序對試驗數據進行采集、分析和出具試驗報告。試驗的全過程具有機械以及傳感器多重安全保護，每一步的試驗過程狀態都有實時動態的顯現，可直觀了解試驗進程狀況。

圖2 四象限加載變頻器原理

2.2.2 軟件系統

軟件系統主要包括系統監控程序以及數據采集和處理專用程序，兩套程序獨立工作，互不影響。

試驗軟件采用工控機通過數據總線和服務器及測量儀表(溫度巡檢儀、電參數測量儀、轉矩轉速測量儀等)通信，根據測試需求自動采集試驗數據如電壓、電流、功率、功率因數、轉矩、轉速、溫度等，并根據試驗項目及相關設置存儲和處理報告，繪制曲線并自動生成試驗報告。軟件符合GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》和GB/T22670—2008《變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法》等國家標準的規定,能夠完成變頻器和電動機的型式試驗。

監控軟件采用TIA PROTAL軟件繪制，配合西門子S71500PLC將系統上設備的電壓、電流和溫度等狀態采集并顯示到界面中，方便用戶監控和操作。

圖3、圖4分別為系統監控程序以及數據采集和處理專用程序的人機界面圖。

2.3 數據采集系統

測量系統由高精度的儀表和傳感器組成,見圖5。由于系統要對電動機及變頻器的各個性能做出精確分析，故整個系統對精度要求較高，除電量儀表需要非工頻電量儀表，精度須達到0.01%以外，轉矩轉速傳感器的精度也需要達到0.05%。根據試驗要求要求，將系統測量帶寬定為0.1～2 600 Hz，系統含有高級波形分析功能，可以在0.1～2 600 Hz范圍內測量諧波失真因數和諧波成分。具備快速傅里葉變換，可以分析和顯示波形的各個頻率成分，也可以顯示除整數倍基波以外的信號成分。

圖3 系統監控程序人機界面

圖4 數據采集和處理專用程序人機界面

圖5 控制及數據采集系統

3 系統的技術關鍵

3.1 被試電動機啟動方式

盡管被試電動機啟動已采取了采用調壓器降壓啟動，減小了電動機啟動時對電網的沖擊，但如果被試電動機功率太大直接啟動時,仍有可能對電網或對機械聯接沖擊過大,故可以通過設置變頻器參數，使變頻器首先工作在驅動狀態下，利用變頻器的四象限性能先啟動加載電動機，用加載電動機拖動被試驅動電動機轉到接近額定轉速時，將變頻器切換至加載模式，但加載量設為0，此時整個機械系統處于自由旋轉模式，在這種情況下啟動被試電動機，可最大限度地對電網和機械聯接起到保護作用。

3.2 變頻器程序設置

加載變頻器作為整個試驗系統的核心裝置，起到了極其重要的作用,故變頻器的程序設置就顯得尤為重要。若程序設置不對，則會導致臺位工作不正常。該系統的變頻器為ACS880系列，對其進行適當的程序控制，可實現加載電動機對被試件的自動加載功能[1]。

ACS880變頻器具有多種加載控制模式，有DTC控制，也有速度控制。DTC控制無疑扭矩控制精度更高,但作為四象限控制，當其工作在反饋試驗時，若此時驅動端突然掉電，極有可能在一個大扭矩下引起“飛車”事故,故在存在反饋試驗的四象限變頻器加載試驗時，此控制模式并非首選。這里選擇速度控制，為了彌補速度控制的精度缺陷，增加速度編碼器反饋，可以使控制更加精確。

ACS880系列變頻器包含速度環和電流環。在進行試驗時,加載變頻器速度可設為任意一個值,以保證其最大速度不超過設定值?？梢岳抿寗与妱訖C和加載電動機的速度差來進行加載,如果加載電動機的轉速小于驅動電動機的轉速，則被試件做加載試驗；如果加載電動機的轉速大于驅動電動機的轉速且方向相同，則被試件做反饋試驗。若方向相反，被試件依舊做加載試驗，但此時若加載量過大，可能出現驅動電動機被加載電動機拉停進而反轉的情況,故試驗時必須保證驅動電動機與加載電動機轉向一致。

基于以上原理，當進行加載試驗時，將速度給定值設定為0，這樣只要電動機在運轉，就能實現加載，而不用考慮電動機的轉向。

當進行反饋試驗時，情況較為復雜。需要通過速度編碼器來判斷驅動電動機的轉向。當驅動電動機正轉時，通過PLC將變頻器速度設定為20 000；當驅動電動機反轉時，通過PLC將變頻器速度設定為-20 000；由于變頻器速度有正負之分，故加載方向只需與電動機轉向相同即可,這樣，只要被試件在運行，就很容易實現反饋加載。但具體的加載量其實是變頻器的電流限制量，當將電流值限制的比較小時，可實現小功率加載；當慢慢放開電流限制值時，加載量會慢慢增大,見圖6。

圖6 變頻器參數設置流程

4 結論

本試驗系統現已調試完成，在上海檢測中心可靠運行，各項技術指標均達到設計要求，使用效果良好,不僅有效地擴充了檢測中心的試驗能力,而且也促進了礦用防爆變頻器及電動機生產廠商提高其產品質量及性能，值得在設備生產企業以及檢測中心推廣應用。