永磁同步電機變頻器加載試驗臺的設計

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.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，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鍵，負載穩定、響應迅速是影響變頻器試驗的關鍵因素。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矩控制(Direct Torque Control,DTC)技術驅動變頻調速電機進行加載，既滿足變頻器試驗對加載穩定和快速的要求，又在測試過程中實現了能量的再生反饋，是一套節能型的變頻器加載試驗臺。

1 主要性能指標及要求

根據產品研發測試需要，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、輸出各運行參數的測量，硬件結構由電氣系統以及機械系統構成。

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,故在系統設計時無法采用共直流母線回饋方式。基于上述原因，試驗臺采用電網回饋的電功率閉環方式進行系統設計。試驗系統主要由1T變壓器、CT1/CT2電流傳感器、DJX1/DJX2接線箱、T-n轉矩轉速傳感器以及2U加載變頻器組成，試驗系統原理框圖如圖1所示。試驗系統直接由交流電網電源供電，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從而構成電功率閉環系統。

圖1 試驗系統原理框圖

2.2 電氣系統

試驗系統通過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試驗變頻器驅動永磁同步電機運行。

試驗系統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絡，避免了能量以熱量的形式浪費，達到了較好的節能效果。

試驗臺電氣控制硬件結構如圖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、結構緊湊、功能全面、擴展方便等特點，其CPU模塊集成有工業以太網通信接口，通過該接口與上位機、加載變頻器組成profinet工業以太網局域網。

圖2 試驗臺電氣控制硬件結構

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測量均需采用寬頻電參數測量儀[2]。本試驗臺主要為了完成對試驗變頻器的電參數測量，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

試驗臺機械系統由試驗用永磁同步電機、轉矩轉速傳感器、加載用變頻調速電機、聯軸器、試驗平臺等部分組成，永磁同步電機、變頻調速電機、轉矩轉速傳感器通過彈性聯軸器連接并固定安裝在試驗平臺上，機械系統安裝示意圖如圖3所示。

圖3 試驗臺機械系統安裝示意圖

2.3.1 永磁同步電機

根據變頻器試驗需求，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、額定轉速為3 000 r/min。根據此要求與多家永磁同步電機生產廠家溝通后均表示產品研發具有較高難度，后經多方調研、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，其主要技術參數如表2所示。

表2 永磁同步電機主要技術參數

2.3.2 變頻調速電機

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

表3 變頻調速電機主要技術參數

2.3.3 轉矩轉速傳感器

電機輸出機械功率參數測量采用北京三晶公司JN338-A轉矩轉速傳感器，該傳感器是一種采用磁場耦合來傳遞能源及信號的轉矩轉速傳感器，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，可測量穩態旋轉扭矩及動態過渡過程的旋轉扭矩，應變計動態應變波的響應時間可達0.003 2 ms。系統采用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測量。轉矩轉速傳感器基本參數如表4所示。

表4 JN338傳感器主要技術參數

3 試驗臺特點

3.1 四象限全控整流單元

與傳統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整流及將再生能量回饋至電網，可以做到網側電流的正弦化，功率因數可以任意調整，能量可以雙向傳輸，具有卓越的動態特性[3]。

3.2 直接轉矩控制

在傳統的電機控制中，往往要根據電機的各種參數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矩控制技術，該技術是把轉矩作為直接跟蹤控制對象，強調的是轉矩的直接控制與效果，因此可以對電機的動態變化做出快速反應，控制精度高，并且能實現低速大力矩、低電流大力矩和“零速滿轉矩”功能[4]。

3.3 測試數據的高度同步

在傳統的電機、變頻器等加載試驗臺設計中，電參數測量采用功率分析儀，機械參數測量則采用轉矩轉速測量儀，兩者為獨立的測試儀器，這種設計經常會導致測試數據的不同步。在本加載試驗臺設計中，采用一臺PA5000H功率分析儀集成了變頻器輸入、輸出電參數測量以及電機機械參數的測量，數據采集的同步性更好，滿足了變頻器瞬態特性和響應性能的測試需求。

4 結束語

本加載試驗臺具有系統結構簡單、能量利用率高、加載快速、穩定等優點。目前，該加載試驗臺已在變頻器實驗室安全穩定運行半年多，完成了多臺變頻器的性能檢測，滿足了變頻器研發及試驗需要。