哈爾濱九洲電氣股份有限公司 周維來 王瑞艦 李 寅

摘 要：中、高壓變頻器產(chǎn)量越來越多，但試驗手段大多比較落后，一般采用帶電機空轉的方法。本文介紹了一個高壓變頻器試驗平臺，通過該平臺可以對電壓等級在3KV~10KV、功率在5000KW以下的變頻器進行實載試驗。

關建詞：高壓 變頻器 實載 試驗

1 引言

　　隨著技術的不斷進步以及領域內技術人員的不斷努力，以前只能靠進口的中、高壓變頻器，現(xiàn)在在國內也已經(jīng)越來越多地生產(chǎn)，生產(chǎn)廠家也已有了很多家。但各廠家的成品整機試驗手段大多比較落后，一般多采用帶電機空轉的方法，已經(jīng)滿足不了對設備試驗的要求，而國外的中高壓變頻器生產(chǎn)商，產(chǎn)品完成后一般都要進行實載測試。本文介紹了一個中、高壓變頻器試驗平臺，通過該平臺可以對電壓等級在3kV~10kV、功率在5000kW以下的變頻器進行智能化實載性能試驗。

2 系統(tǒng)構成

2.1本系統(tǒng)的主要部分組成

　　電力變壓器 + 高壓配電控制間 + 變頻變壓器 + DEMO可逆變頻器 + REGEN可逆變頻器 + 控制部份 + 電機組 + 主.軸扭矩儀 + 電參數(shù)分析儀

　　七個分體模塊所組成。

2.2 電力變壓器

　　為入戶變壓器，由兩臺2500kVA電力變壓器組成，初期一臺投入運行，當容量高于此值時，將投入第二臺變壓器，并聯(lián)運行。

2.3 高壓配電控制間

　　高壓控制間內配置了所有入戶開關、母聯(lián)開關、線路組合選擇開關、斷路器、接觸器等高壓操作柜。變頻變壓器的星/三角選擇、電機的選擇及星/三角轉換連接等都在此控制間進行。測試工作時高壓柜的主要操作由上位機發(fā)指令，由PLC控制。

2.4 變頻變壓器

　　該變壓器是專門針對被試和逆變變頻器設計的原邊星/三角切換，副邊多繞組多抽頭組合選擇的多功能變壓器，最大功率6250kVA，可以組合出6脈沖3kV、6kV、10kV，18脈沖3kV、6kV等電壓等級，針對不同變頻器給出不同電源動力進行實載測試。

2.5 DEMO變頻器和REGEN變頻器

　　在本試驗站預先配置了2臺Rockwell Automation的PowerFlex7000變頻器，一臺的功率是6kV/1000kW，專門用于帶動電機組中的1000kW M1電動機，主要用途是在沒有被測試變頻器時進行帶載演示，稱為DEMO變頻器。另一臺的功率為2000kW，稱為REGEN變頻器，用于DEMO變頻器或被試變頻器帶載運轉時的加載，它接到再生電機M3，當M1或M2電機運轉時，令REGEN變頻器處于制動狀態(tài)，以電機速度線性比例或平方比例或用戶定義的方式對主軸加載，并將電機產(chǎn)生的能量再生逆變，回饋到電網(wǎng)，從而達到節(jié)省能源的目的。

2.6 控制部分

　　該套系統(tǒng)控制部分核心是Rockwell Automation的ControlLogix 系列PLC控制器，上位采用研華工業(yè)控制計算機，人機界面采用RockwellAutomation 的RS View SE組態(tài)軟件。系統(tǒng)采用Client/Server架構，多臺客戶機可以在不同位置通過Ethernet訪問服務器，并且控制各個受控部件進行變頻器測試。

2.7 電機組

　　目前已經(jīng)安裝的電機有3臺，同軸運行。一臺6KV 1000KkW，用于接DEMO變頻器或6kV電壓等級1000kW以下功率的被試變頻器。第二臺10kV/2000KW, 用于接10kV電壓等級2000kW以下功率的被試變頻器。第三臺是負載電機，接REGEN變頻器，用于對前兩臺電機的任意一臺加載，當然必要時M3也可以當電動機用，跟它連接的REGEN變頻器有此能力。

2.8 主軸扭矩儀

　　在電機M1與M2之間，M2與M3之間的主軸上分別安裝了兩臺扭矩儀，量程分別10000Nm和40000Nm。扭矩儀在本地有數(shù)據(jù)處理顯示單元并通過4～20mA電流環(huán)將扭矩值大小傳往PLC進行采集，然后發(fā)往上位機顯示。

2.9 電參數(shù)測量分析儀

　　Powermonitor II電參數(shù)測量分析儀安裝在每條高壓母線或支路上，與上位機RS Power32軟件結合，用于監(jiān)測電力參數(shù)，并顯示分析。

3 工作原理

3.1 智能化中高壓變頻器實載試驗平臺組成示意:

　　試驗站中,七個分體模塊組成了一個試驗平臺,如圖1所示。

圖1 試驗站原理示意圖

3.2 智能化中高壓變頻器實載試驗平臺運行原理:

　　(1)高壓電源引入

　　如圖1所示，來自外部電網(wǎng)的6kV高壓電，經(jīng)過2臺2500kVA電力變壓器入戶進入高壓配電控制間。高壓6kV送往變頻變壓器一次側，一次側的接法有兩種：星形接法和角形接法。兩種接法分別對應不同的功率，不同的二次側電壓等級以及變頻器的輸出針對的不同的電機。

　　(2)試驗電壓等級變換

　　·變壓器接法當變壓器一次側接成角形接法時，最大功率為6250kVA，二次側可輸出電壓等級及變頻器輸出所對應電機為：3kV@M1、6kV@M1、18脈沖6kV@M1、6kV@M2、10kV@M2、18脈沖6kV@M2。

　　·當變壓器一次側接成星形接法時，最大功率為3600kVA，二次側可輸出電壓等級及變頻器輸出所對應電機為：3kV@M1、6kV@M1、18脈沖3kV@M1、6kV@M2。

　　·當輸出到M1的電壓等級為3kV時，對應M1電機的角形接法；當輸出到M1的電壓等級為6kV時，對應M1電機的星形接法。

　　·當輸出到M2的電壓等級為6kV時，對應M2電機的角形接法；當輸出到M2的電壓等級為10kV時，對應M2電機的星形接法。

　　(3)操作回路控制

　　所有的高壓開關動作都是由操作員在上位機通過點擊鼠標發(fā)送指令，由PLC控制繼電器然后驅動高壓斷路器或接觸器完成。

　　按照上面的對應關系將高壓線路連接好以后，設置REGEN變頻器工作在制動狀態(tài)，選擇轉矩與速度正比或與速度平方正比（以上自動方式），或選擇設定階梯轉矩（手動方式），設置最大功率不高于變頻器輸出功率，然后使能變頻器。

　　(4)試驗數(shù)據(jù)采集

　　操作啟動被試變頻器或DEMO變頻器，隨著電動機M1或M2轉速上升，轉矩負載會加到電機主軸上。電機M1與M2之間，M2與M3之間的主軸上的兩臺扭矩儀通過4～20mA電流環(huán)將扭矩值大小傳往PLC進行采集，然后發(fā)往上位機顯示。

3.3 根據(jù)具體要求，進行相應的操作

　　在變頻器實載運行時，安裝在高壓柜上的四臺PowermonitorII型電能量測試分析儀分別對高壓母線、變頻器動力線路及電機線路的能量消耗進行測量顯示。這些儀表通過Ethernet與上位機相連，上位機通過一個RS Power32軟件對電力電能數(shù)據(jù)進行波形顯示及數(shù)據(jù)分析。同時這些數(shù)據(jù)通過驅動程序傳到RSViewSE在人機操作界面上可以同步顯示電力電能數(shù)據(jù)。如圖2所示

　　在本系統(tǒng)中，應用了Ethernet作為主要控制網(wǎng)絡介質，服務器與客戶機、PLC、電能分析儀等設備都是通過Ethernet互聯(lián)，PLC與DEMO變頻器、REGEN變頻器、被測變頻器等都是通過ControlNet連接，PLC與電力綜合保護裝置通過DH+網(wǎng)絡相連?；ヂ?lián)協(xié)議主要用到了TCP/IP、MODBUS、PPP等等。通過通訊網(wǎng)絡，各種模擬量、數(shù)字量參數(shù)實時傳送到上位機，而操作員也通過上位機的人機界面發(fā)送到PLC被執(zhí)行。

圖2 試驗站高壓開關操作界面截圖

4 核心技術應用

4.1 ControlLogix PLC及網(wǎng)絡

　　(1)本系統(tǒng)PLC控制器選用了Rockwell Automation的最新一代產(chǎn)品ControlLogix系列產(chǎn)品，控制器選用了ControlLogix5550。該系列PLC具有以下特點：

　　·高性能的無源、多主總線；

　　·基板符合Producer-Consumer協(xié)議；

　　·同一框架內可放置多個處理器，可獨立運行或并行運行；

　　·任何模塊可帶電插拔；

　　·無槽位限制；

　　·可按應用規(guī)模增減內存，最大可擴展到2MB

　　·分布式解決方案，CPUs和I/O可以連接在同一ControlNet網(wǎng)絡；

　　·模塊種類齊全，開關量24、48、110VDC，TTL，110、220VAC；模擬量電壓、電流、熱電阻、熱電偶、脈沖及通訊等等；

　　·強大的通訊能力：支持的通訊網(wǎng)絡及協(xié)議DH+、ControlNet、Ethernet、DeviceNet、RS232等；

　　(2)由于以上的突出特點，我們選擇了ControlLogix控制器作為系統(tǒng)核心控制單元，利用其眾多的優(yōu)點為系統(tǒng)服務，尤其是超強的網(wǎng)絡通訊能力，為試驗平臺的搭建提供了有力的網(wǎng)絡支撐。

4.2 RS View SE

4.2.1基于FactoryTalk Directory 的RSView SE(見圖3)與傳統(tǒng)HMI軟件的主要區(qū)別:

　　(1)數(shù)據(jù)庫設計模式

　　·數(shù)據(jù)庫依然分布在它的原始位置 (如:controller)；

　　·客戶通過使用FactoryTalk Directory (FTD)去獲取數(shù)據(jù)定義,FTD相當于一個查找表。

　　與Internet DNS 原理類似；

　　·數(shù)據(jù)定義既是分布式又是集中式；

　　·在每個客戶端均保留一份FactoryTalk Directory；

　　·平衡負載：分布式數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分布在各個控制器上，分別由各個控制器獨自處理；

　　·對數(shù)據(jù)更快更直接的訪問：數(shù)據(jù)不需要先由一個數(shù)據(jù)庫傳遞到另一個數(shù)據(jù)庫，再傳遞到客戶端，而是直接有控制器到需要數(shù)據(jù)的客戶端；

　　·避免了單點故障：數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分布在各個控制器上，在每個客戶端均保留一份FactoryTalk Directory。

圖3 RSView工作示意圖

　　(2)Tag點定義模式

　　·使用RSLogix來定義PLC點，接著保存這個項目文件；

　　·在HMI中直接使用在PLC中創(chuàng)建好的Tag點，不需要再創(chuàng)建一個新的HMI tag atabase；

　　·減少項目開發(fā)時間和維護成本；

　　·不用輸入、輸出和復制標簽數(shù)據(jù)庫；

　　·避免了多數(shù)數(shù)據(jù)庫可能出現(xiàn)的單點故障；

　　·支持將標簽數(shù)據(jù)庫分布在網(wǎng)上的多個控制器上。

4.2.2畫面保存方式

　　(1)畫面保存在HMI Server，客戶端沒有畫面；

　　(2)只需簡單的修改圖形顯示，改變即在整個系統(tǒng)范圍內有效；

　　(3)既可在線修改又可離線修改。

4.2.3傳統(tǒng)方案所沒有的優(yōu)點；

　　(1)顯著減少項目開發(fā)時間和維護成本；

　　(2)避免輸入和復制圖形顯示；

　　(3)支持將項目分布在網(wǎng)絡中多臺計算機上的HMI server中；

　　(4)在自動化系統(tǒng)中方便、簡單的更新畫面。

4.2.4控制系統(tǒng)的可重用性

　　(1)Fatorytalk的層次化目錄使得組件名稱(標簽，報警，畫面)在系統(tǒng)范圍內是唯一的(區(qū)域名決定了TAG名的唯一性,即在不同的區(qū)域可以用相同的TAG名)；

　　(2)用戶只需簡單地將Area1中的內容復制到Area2中生成新的控制，新信息立即可用；

　　(3)復制的新項目與原項目從內容到功能上完全一樣，只是所在的域不同。

4.2.5組態(tài)方式

　　(1)定義信息源和信息源組一次,即可重復使用；

　　(2)在筆記本電腦上離線開發(fā)整個系統(tǒng), 只需在現(xiàn)場將應用程序分別拷貝到需要的計算機上, 再將系統(tǒng)中的計算機名改為運行軟件的計算機名即可；

　　(3)此過程也可反過來! 即:可以在現(xiàn)場將應用程序全部拷貝到筆記本電腦里, 即可對其進行修改和重新開發(fā)。圖4為RSView組態(tài)及管理示意圖。

圖4 RSView組態(tài)及管理示意圖

4.3 PowerFlex 7000 變頻器

4.3.1選用PowerFlex 7000 變頻器作為電機驅動和負載生成單元，是由于其本身特點適合。PowerFlex 7000 變頻器具有以下幾大特點：

　　(1)簡單可靠的功率結構。PowerFlexTM 7000s使用6.5KV 800A/1500A的對稱門極換流晶閘管(SGCT)，變頻所用逆變開關器件數(shù)量比其他任何中壓變頻技術的器件數(shù)量都少。功率結構為無熔斷器，具有電流抑制DC電抗器。其結果是更簡單、牢固、可靠。

　　(2)四象限運行。PowerFlexTM 7000具有四象限工作的能力。電機可正反方向以電動機或發(fā)電機方式運行。發(fā)電機工作方式時，能量可回饋電網(wǎng)，電機再生制動。

　　☆免傳感器的直接矢量控制。免傳感器的直接矢量控制對馬達的磁通是測算而不是估算。如同直流驅動，馬達力矩可以快速改變而不影響馬達磁通。此控制方式可產(chǎn)生較標準的V/Hz型變頻更優(yōu)越的運行性能。

　　(3) SGCT-中壓變頻器的理想功率開關。門驅動集成，開關頻率高，雙面冷卻的對稱門極換流晶閘管是用于中壓變頻器的理想功率半導體開關。通過對控制SGCT的脈寬調制（PWM）模式的優(yōu)化，將器件的導通和開關損耗降至最低，產(chǎn)生了極為緊湊和高效的逆變器設計。由于SGCT獨特的性能及PowerFlex7000的技術結構，該組件可通用于PWM逆變器和PWM整流器。

4.3.2 PowerFlexTM 7000具有的高可靠性和四象限工作的能力，使其作為了本試驗平臺的首選變頻器。使用它可以將實載試驗產(chǎn)生的機械能又通過電機再生，然后由變頻器逆變回饋到電網(wǎng)，這極大地降低了試驗的能源消耗，節(jié)約了試驗成本。

5 試驗項目

5.1本系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下試驗項目

　　(1)變頻器負載特性試驗；

　　(2)變頻器實載長期考核及老化試驗；

　　(3)變頻器功率器件溫升試驗；

　　(4)變頻器變壓器溫升試驗；

　　(5)額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗；

　　(6)頻率精度試驗；

　　(7)效率試驗；

　　(8)諧波分析。

5.2 變頻器負載特性試驗

　　(1)變頻器的負載特性是變頻器的最重要的特性之一，一套變頻器轉矩特性的好壞，將直接影響用戶工況性能的優(yōu)劣。在本試驗平臺上可以進行輕載、負載、過載及以下特性負載試驗,操作界面如圖5所示。

圖5 階梯負載實載曲線截圖

　　(2)與電機速度成正比例的負載特性試驗；

　　(3)與電機速度平方成比例的負載特性試驗；

　　(4)階梯變化負載特性試驗；

　　(5)用戶自定義負載特性試驗。

5.3 變頻器實載長期考核及老化試驗

　　根據(jù)不同現(xiàn)場工況要求，設計好負載特性以后，讓被試變頻器按用戶規(guī)定時間長期運行，以考核被試變頻器的長期可靠性。

5.4 變頻器功率器件溫升試驗

　　在實載狀態(tài)下，測量被試變頻器功率器件的溫度變化情況，為用戶提供變頻器設計研發(fā)的必要技術數(shù)據(jù)。

5.5變頻器變壓器溫升試驗

　　在實載狀態(tài)下，測量被試變頻器變壓器的溫度變化情況，為用戶提供變頻變壓器設計的必要技術數(shù)據(jù)。

6 結束語

　　本套試驗平臺由哈爾濱九洲電氣股份有限公司與全球自動化及中壓變頻器巨頭Rockwell Automation共同建設，是針對中高電壓等級的變頻器進行智能化帶載性能測試的試驗場所。本平臺已經(jīng)針對九洲電氣PowerSmart系列10kV/1000kW、6kV/1250kW、RockwellAutomation的PowerFlex 7000系列6kV/1120kW、18脈沖6kV/3600kW等中高壓變頻器進行了實載測試，取得了非常好的效果。作為一個產(chǎn)品出廠前或發(fā)往用戶之前的測試手段，不用非得等到現(xiàn)場安裝完畢后才能知道變頻器的整機實載性能。尤其在變頻器產(chǎn)品研發(fā)及性能測試方面的靈活性和便利性，是現(xiàn)場運行或電機空載試驗所不能夠達到的。

參考文獻

[1]Rockwell Automation，RS View Supervisory Edition User’s Guide

[2]Rockwell Automation，PowerFlex 7000中壓交流變頻器用戶使用手冊

作者簡介

周維來（1965-）男 工程師，現(xiàn)從事高頻開關電源及高壓變頻器控制方面研究。a

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