1、引言 隨著高壓變頻器技術(shù)的不斷進(jìn)步以及該領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的不斷努力，以前只能靠進(jìn)口的中、高壓變頻器，現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)越來(lái)越多地生產(chǎn)，生產(chǎn)廠家也已有多家。但各廠家的成品整機(jī)試驗(yàn)手段大多比較落后，一般多采用帶電機(jī)空轉(zhuǎn)的方法，已經(jīng)滿足不了對(duì)設(shè)備試驗(yàn)的要求，而國(guó)外的中高壓變頻器生產(chǎn)商，產(chǎn)品完成后一般都要進(jìn)行實(shí)載測(cè)試。本文介紹了一種中、高壓變頻器試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)可以對(duì)電壓等級(jí)在3kv～10kv、功率在5000kw以下的變頻器進(jìn)行智能化實(shí)載性能試驗(yàn)。 2、系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 本系統(tǒng)的主要組成 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(jī)組+主軸扭矩儀+電參數(shù)分析儀 本系統(tǒng)由以上7個(gè)分體模塊所組成。 2.2 電力變壓器 為入戶變壓器，由兩臺(tái)2500kva電力變壓器組成，初期一臺(tái)投入運(yùn)行，當(dāng)容量高于此值時(shí)，將投入第二臺(tái)變壓器，并聯(lián)運(yùn)行。 2.3 高壓配電控制間 高壓控制間內(nèi)配置了所有入戶開(kāi)關(guān)、母聯(lián)開(kāi)關(guān)、線路組合選擇開(kāi)關(guān)、斷路器、接觸器等高壓操作柜。變頻變壓器的y/δ選擇、電機(jī)的選擇及y/δ轉(zhuǎn)換連接等都在此控制間進(jìn)行。測(cè)試工作時(shí)高壓柜的主要操作由上位機(jī)發(fā)指令，由plc控制。 2.4 變頻變壓器 該變壓器是專門(mén)針對(duì)被試和逆變變頻器設(shè)計(jì)的原邊y/δ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(jí)，針對(duì)不同變頻器給出不同電源動(dòng)力進(jìn)行實(shí)載測(cè)試。 2.5 demo變頻器和regen變頻器 在本試驗(yàn)站預(yù)先配置了2臺(tái)rockwell automation的powerflex7000變頻器，一臺(tái)的功率是6kv，1000kw，專門(mén)用于帶動(dòng)電機(jī)組中的為1000kw的m1電動(dòng)機(jī)，主要用途是在沒(méi)有被測(cè)試變頻器時(shí)進(jìn)行帶載演示，稱為demo變頻器。另一臺(tái)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的加載，它接到再生電機(jī)m3，當(dāng)m1或m2電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，令regen變頻器處于制動(dòng)狀態(tài)，以電機(jī)速度線性比例或平方比例或用戶定義的方式對(duì)主軸加載，并將電機(jī)產(chǎn)生的能量再生逆變，回饋到電網(wǎng)，從而達(dá)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control　logix系列plc控制器，上位機(jī)采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，人機(jī)界面采用rockwell automation的rs view se組態(tài)軟件。系統(tǒng)采用client/server架構(gòu)，多臺(tái)客戶機(jī)可以在不同位置通過(guò)ethernet訪問(wèn)服務(wù)器，并且控制各個(gè)受控部件進(jìn)行變頻器測(cè)試。 2.7 電機(jī)組 目前已經(jīng)安裝的電機(jī)有3臺(tái)，同軸運(yùn)行。一臺(tái)為6kv，1000kw，用于接demo變頻器或電壓等級(jí)為6kv 的1000kw以下功率的被試變頻器。第二臺(tái)10kv，2000kw, 用于接電壓等級(jí)10kv的2000kw以下功率的被試變頻器。第三臺(tái)是負(fù)載電機(jī)，接regen變頻器，用于對(duì)前兩臺(tái)電機(jī)的任意一臺(tái)加載，當(dāng)然必要時(shí)m3也可以當(dāng)電動(dòng)機(jī)用，跟它連接的regen變頻器有此能力。 2.8 主軸扭矩儀 在電機(jī)m1與m2之間，m2與m3之間的主軸上分別安裝了兩臺(tái)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(guò)4～20ma電流環(huán)將扭矩值大小傳往plc進(jìn)行采集，然后發(fā)往上位機(jī)顯示。 2.9 電參數(shù)測(cè)量分析儀 powermonitor ii電參數(shù)測(cè)量分析儀安裝在每條高壓母線或支路上，與上位機(jī)rspower32軟件結(jié)合，用于監(jiān)測(cè)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(shí)載試驗(yàn)平臺(tái)組成示意 試驗(yàn)站中,七個(gè)分體模塊組成了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示。 3.2 智能化中高壓變頻器實(shí)載試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行原理 （1） 高壓電源引入 如圖1所示，來(lái)自外部電網(wǎng)的6kv高壓電，經(jīng)過(guò)2臺(tái)2500kva電力變壓器入戶進(jìn)入高壓配電控制間。高壓6kv送往變頻變壓器一次側(cè)，一次側(cè)的接法有兩種:y形接法和δ形接法。兩種接法分別對(duì)應(yīng)不同的功率，不同的二次側(cè)電壓等級(jí)以及變頻器的輸出針對(duì)的不同電機(jī)。 （2） 試驗(yàn)電壓等級(jí)變換 變壓器接法當(dāng)變壓器一次側(cè)接成角形接法時(shí)，最大功率為6250kva，二次側(cè)可輸出電壓等級(jí)及變頻器輸出所對(duì)應(yīng)電機(jī)為:3kv@m1、6kv@m1、18脈沖6kv@m1、6kv@m2、10kv@m2、18脈沖6kv@m2; 當(dāng)變壓器一次側(cè)接成星形接法時(shí)，最大功率為3600kva，二次側(cè)可輸出電壓等級(jí)及變頻器輸出所對(duì)應(yīng)電機(jī)為:3kv@m1、6kv@m1、18脈沖3kv@m1、6kv@m2; 當(dāng)輸出到m1的電壓等級(jí)為3kv時(shí)，對(duì)應(yīng)m1電機(jī)的δ形接法;當(dāng)輸出到m1的電壓等級(jí)為6kv時(shí)，對(duì)應(yīng)m1電機(jī)的y形接法; 當(dāng)輸出到m2的電壓等級(jí)為6kv時(shí)，對(duì)應(yīng)m2電機(jī)的δ形接法;當(dāng)輸出到m2的電壓等級(jí)為10kv時(shí)，對(duì)應(yīng)m2電機(jī)的y形接法。 （3） 操作回路控制 所有的高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作都是由操作員在上位機(jī)通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)發(fā)送指令，由plc控制繼電器后驅(qū)動(dòng)高壓斷路器或接觸器完成。 按照上面的對(duì)應(yīng)關(guān)系將高壓線路連接好以后，設(shè)置regen變頻器工作在制動(dòng)狀態(tài)，選擇轉(zhuǎn)矩與速度正比或與速度平方正比（以上自動(dòng)方式），或選擇設(shè)定階梯轉(zhuǎn)矩（手動(dòng)方式），設(shè)置最大功率不高于變頻器輸出功率，然后發(fā)出變頻器“使能”。 （4） 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集 操作啟動(dòng)被試變頻器或demo變頻器，隨著電動(dòng)機(jī)m1或m2轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)矩負(fù)載會(huì)加到電機(jī)主軸上。電機(jī)m1與m2之間，m2與m3之間的主軸上的兩臺(tái)扭矩儀通過(guò)4～20ma電流環(huán)將扭矩值大小傳往plc進(jìn)行采集，然后發(fā)往上位機(jī)顯示。 3.3 根據(jù)具體要求，進(jìn)行相應(yīng)的操作 在變頻器實(shí)載運(yùn)行時(shí)，安裝在高壓柜上的四臺(tái)powermonitorii型電能量測(cè)試分析儀分別對(duì)高壓母線、變頻器動(dòng)力線路及電機(jī)線路的能量消耗進(jìn)行測(cè)量顯示。這些儀表通過(guò)ethernet與上位機(jī)相連，上位機(jī)通過(guò)一個(gè)rs power32軟件對(duì)電力電能數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示及數(shù)據(jù)分析。同時(shí)這些數(shù)據(jù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序傳到rsviewse在人機(jī)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(yīng)用了ethernet作為主要控制網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，服務(wù)器與客戶機(jī)、plc、電能分析儀等設(shè)備都是通過(guò)ethernet互聯(lián)，plc與demo變頻器、regen變頻器、被測(cè)變頻器等都是通過(guò)controlnet連接，plc與電力綜合保護(hù)裝置通過(guò)dh+網(wǎng)絡(luò)相連。互聯(lián)協(xié)議主要用到了tcp/ip、modbus、ppp等等。通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，各種模擬量、數(shù)字量參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，而操作員也通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)界面發(fā)送到plc被執(zhí)行。 4、核心技術(shù)應(yīng)用 4.1 control logix plc及網(wǎng)絡(luò) 本系統(tǒng)plc控制器選用了rockwell automation的最新一代產(chǎn)品control logix系列產(chǎn)品，控制器選用了control logix5550。該系列plc具有以下特點(diǎn): （1） 高性能的無(wú)源、多主總線; （2） 基板符合producer-consumer協(xié)議; （3） 同一框架內(nèi)可放置多個(gè)處理器，可獨(dú)立運(yùn)行或并行運(yùn)行; （4） 任何模塊可帶電插拔; （5） 無(wú)槽位限制; （6） 可按應(yīng)用規(guī)模增減內(nèi)存，最大可擴(kuò)展到2mb; （7） 分布式解決方案，cpus和i/o可以連接在同一controlnet網(wǎng)絡(luò); （8） 模塊種類齊全，開(kāi)關(guān)量24、48、110vdc，ttl，110、220vac;模擬量電壓、電流、熱電阻、熱電偶;脈沖;通訊等等; （9） 強(qiáng)大的通訊能力:支持的通訊網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議有dh+、controlnet、ethernet、devicenet、rs232等。 由于以上的突出特點(diǎn)，筆者選擇了controllogix控制器作為系統(tǒng)核心控制單元，利用其眾多的優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)服務(wù)，尤其是超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，為試驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供了有力的網(wǎng)絡(luò)支撐。 4.2 rs view se 基于factorytalk directory的rsview se與傳統(tǒng)hmi軟件的主要區(qū)別: 4.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)模式 圖3為rsview工作示意圖。 （1） 數(shù)據(jù)庫(kù)依然分布在它的原始位置（如:controller）; （2） 客戶通過(guò)使用factorytalk directory（ftd）去獲取數(shù)據(jù)定義,ftd相當(dāng)于一個(gè)查找表;與internet dns原理類似; （3） 數(shù)據(jù)定義既是分布式又是集中式; （4） 在每個(gè)客戶端均保留一份factorytalk directory; （5） 平衡負(fù)載:分布式數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)分布在各個(gè)控制器上，分別由各個(gè)控制器獨(dú)自處理; （6） 對(duì)數(shù)據(jù)更快更直接的訪問(wèn):數(shù)據(jù)不需要先由一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)傳遞到另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，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; （7） 避免了單點(diǎn)故障:數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)分布在各個(gè)控制器上，在每個(gè)客戶端均保留一份factorytalk directory。 4.2.2 tag點(diǎn)定義模式 （1） 使用rslogix來(lái)定義plc點(diǎn)，接著保存這個(gè)項(xiàng)目文件; （2） 在hmi中直接使用在plc中創(chuàng)建好的tag點(diǎn)，不需要再創(chuàng)建一個(gè)新的hmi tag atabase; （3） 減少項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間和維護(hù)成本; （4） 不用輸入、輸出和復(fù)制標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù); （5） 避免了多數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)可能出現(xiàn)的單點(diǎn)故障; （6） 支持將標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)分布在網(wǎng)上的多個(gè)控制器上。 4.2.3畫(huà)面保存方式 （1） 畫(huà)面保存在hmi server，客戶端沒(méi)有畫(huà)面; （2） 只需簡(jiǎn)單的修改圖形顯示，改變即在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)有效; （3） 既可在線修改又可離線修改。 4.2.4 傳統(tǒng)方案所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn) （1） 顯著減少項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間和維護(hù)成本; （2） 避免輸入和復(fù)制圖形顯示; （3） 支持將項(xiàng)目分布在網(wǎng)絡(luò)中多臺(tái)計(jì)算機(jī)上的hmi server中; （4） 在自動(dòng)化系統(tǒng)中方便、簡(jiǎn)單的更新畫(huà)面。 4.2.5 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(biāo)簽，報(bào)警，畫(huà)面）在系統(tǒng)范圍內(nèi)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(jiǎn)單地將area1中的內(nèi)容復(fù)制到area2中生成新的控制，新信息立即可用; （3） 復(fù)制的新項(xiàng)目與原項(xiàng)目從內(nèi)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 圖4為rsview組態(tài)及管理示意圖。 （1） 定義信息源和信息源組一次,即可重復(fù)使用; （2） 在筆記本電腦上離線開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng), 只需在現(xiàn)場(chǎng)將應(yīng)用程序分別拷貝到需要的計(jì)算機(jī)上，再將系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)名改為運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)名即可; （3） 此過(guò)程也可反過(guò)來(lái)!即:可以在現(xiàn)場(chǎng)將應(yīng)用程序全部拷貝到筆記本電腦里,即可對(duì)其進(jìn)行修改和重新開(kāi)發(fā)。 4.3 powerflex 7000 變頻器 4.3.1 powerflex 7000變頻器的特點(diǎn) 選用powerflex 7000變頻器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和負(fù)載生成單元，是由于其本身的特點(diǎn)適合其需要。powerflex 7000變頻器具有以下幾大特點(diǎn): （1） 簡(jiǎn)單可靠的功率結(jié)構(gòu)。powerflextm 7000s使用6.5kv 800a/1500a的對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管（sgct），變頻所用逆變開(kāi)關(guān)器件數(shù)量比其他任何中壓變頻技術(shù)的器件數(shù)量都少。功率結(jié)構(gòu)為無(wú)熔斷器，具有抑制電流的dc電抗器。其結(jié)果是更簡(jiǎn)單、牢固、可靠。 （2） 四象限運(yùn)行。powerflextm 7000具有四象限工作的能力。電機(jī)可正反方向以電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行。發(fā)電機(jī)工作方式時(shí)，能量可回饋電網(wǎng)，電機(jī)再生制動(dòng)。 （3） 免傳感器的直接矢量控制。免傳感器的直接矢量控制對(duì)電機(jī)的磁通是測(cè)算而不是估算。如同直流驅(qū)動(dòng)，電機(jī)力矩可以快速改變而不影響電機(jī)磁通。此控制方式可產(chǎn)生較標(biāo)準(zhǔn)的v/hz型變頻更優(yōu)越的運(yùn)行性能。 （4） sgct-中壓變頻器的理想功率開(kāi)關(guān)。門(mén)驅(qū)動(dòng)集成，開(kāi)關(guān)頻率高，雙面冷卻的對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管是用于中壓變頻器的理想功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。通過(guò)對(duì)控制sgct的脈寬調(diào)制（pwm）模式的優(yōu)化，將器件的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗降至最低，產(chǎn)生了極為緊湊和高效的逆變器設(shè)計(jì)。由于sgct獨(dú)特的性能及powerflex7000的技術(shù)結(jié)構(gòu)，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 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(yàn)平臺(tái)的首選變頻器。使用它可以將實(shí)載試驗(yàn)產(chǎn)生的機(jī)械能又通過(guò)電機(jī)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(yàn)的能源消耗，節(jié)約了試驗(yàn)成本。 5、試驗(yàn)項(xiàng)目 5.1 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下試驗(yàn)項(xiàng)目 （1） 變頻器負(fù)載特性試驗(yàn); （2） 變頻器實(shí)載長(zhǎng)期考核及老化試驗(yàn); （3） 變頻器功率器件溫升試驗(yàn); （4） 變頻器變壓器溫升試驗(yàn); （5） 額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗(yàn); （6） 頻率精度試驗(yàn); （7） 效率試驗(yàn); （8） 諧波分析。 5.2 變頻器負(fù)載特性試驗(yàn) （1） 變頻器的負(fù)載特性是變頻器的最重要的特性之一，一套變頻器轉(zhuǎn)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(yàn)平臺(tái)上可以進(jìn)行輕載、負(fù)載、過(guò)載及以下特性負(fù)載試驗(yàn),操作界面如圖5所示， （2） 與電機(jī)速度成正比例的負(fù)載特性試驗(yàn); （3） 與電機(jī)速度平方成比例的負(fù)載特性試驗(yàn); （4） 階梯變化負(fù)載特性試驗(yàn); （5） 用戶自定義負(fù)載特性試驗(yàn)。 5.3 變頻器實(shí)載長(zhǎng)期考核及老化試驗(yàn) 根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)工況要求，設(shè)計(jì)好負(fù)載特性以后，讓被試變頻器按用戶規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)期運(yùn)行，以考核被試變頻器的長(zhǎng)期可靠性。 5.4 變頻器功率器件溫升試驗(yàn) 在實(shí)載狀態(tài)下，測(cè)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(shè)計(jì)研發(fā)的必要技術(shù)數(shù)據(jù)。 5.5 變頻器變壓器溫升試驗(yàn) 在實(shí)載狀態(tài)下，測(cè)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(shè)計(jì)的必要技術(shù)數(shù)據(jù)。 6、結(jié)束語(yǔ) 本套試驗(yàn)平臺(tái)由哈爾濱九洲電氣股份有限公司與全球自動(dòng)化公司及中壓變頻器巨頭rockwell automation共同建設(shè)，是針對(duì)中高電壓等級(jí)的變頻器進(jìn)行智能化帶載性能測(cè)試的試驗(yàn)場(chǎng)所。本平臺(tái)已經(jīng)針對(duì)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(jìn)行了實(shí)載測(cè)試，取得了非常好的效果。作為一個(gè)產(chǎn)品出廠前或發(fā)往用戶之前的測(cè)試手段，不用非得等到現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后才能知道變頻器的整機(jī)實(shí)載性能。尤其在變頻器產(chǎn)品研發(fā)及性能測(cè)試方面的靈活性和便利性，是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行或電機(jī)空載試驗(yàn)所不能夠達(dá)到的。