1  引言

    羅克韋爾PowerFlex7000變頻器在九洲中壓變頻實(shí)驗(yàn)站測(cè)試系統(tǒng)中作為變流逆變器使用，由于本身屬于電流源型變頻器，具有四象限運(yùn)行功能，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的回饋和對(duì)電機(jī)的制動(dòng)，先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜多變的負(fù)載特性，在模擬電機(jī)負(fù)載方面起到了其他變頻器無(wú)可替代的作用，實(shí)現(xiàn)了變頻器出廠之前的滿負(fù)荷測(cè)試。

    哈爾濱九洲電氣與美國(guó)羅克韋爾公司合作共同建立了亞洲的中壓變頻實(shí)驗(yàn)基地——哈爾濱九洲中壓變頻實(shí)驗(yàn)站，能夠完全實(shí)現(xiàn)中壓變頻器出廠前的滿載測(cè)試，滿足不同用戶的實(shí)際需求。哈爾濱九洲變頻實(shí)驗(yàn)站采用的是羅克韋爾自動(dòng)化公司生產(chǎn)的PowerFlex7000型中壓變頻器作為實(shí)驗(yàn)站主體，實(shí)現(xiàn)中壓變頻器在出廠前模擬現(xiàn)場(chǎng)完成滿負(fù)荷帶載測(cè)試。有效的保證了變頻器的質(zhì)量。

    2  PowerFlex7000型變頻器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

    2.1 PowerFlex7000型變頻器電路結(jié)構(gòu)

    PowerFlex7000是羅克韋爾自動(dòng)化公司的第三代中壓變頻器。它的PowerFlex系列變頻器融合了先進(jìn)的技術(shù)，嵌入了通信功能，在多平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)、操作員界面編程和硬件方面具有強(qiáng)大的通用性。PowerFlex 7000是通用的獨(dú)立式中壓變頻器，可以控制標(biāo)準(zhǔn)的同步或異步交流電動(dòng)機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩、方向、起動(dòng)和停機(jī)。

    PowerFlex7000型變頻器不同于世界上其他廠家生產(chǎn)的中壓變頻器，它是世界上的電流源型中壓變頻器，根據(jù)電流源型變頻器的技術(shù)特點(diǎn)，它很容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，比電壓源型變頻器控制更加簡(jiǎn)單，可靠。電機(jī)可以正反方向以電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)以發(fā)電機(jī)工作方式時(shí)，能量可回饋電網(wǎng)，再生制動(dòng)，這就為九洲中壓變頻實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行滿負(fù)荷測(cè)試實(shí)驗(yàn)提供了可能。

    PowerFlex7000型變頻器屬于電流型中壓變頻器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件數(shù)量少，四象限運(yùn)行，同時(shí)具有矢量控制功能等特點(diǎn)。

    圖1中所示的是PWM控制方式的無(wú)輸入變壓器的電流型變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 電流型變頻器電路拓?fù)鋱D

　　電路結(jié)構(gòu)為交-直-交型，功率器件采用對(duì)稱門極換流晶閘管（SGCT），對(duì)于6KV電壓等級(jí)的變頻器，每個(gè)橋臂采用3只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)，具有IGBT的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并能阻斷雙方向的電壓，減少使用器件的數(shù)量，使驅(qū)動(dòng)和吸收電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化，性能更加優(yōu)越。

　　2.2 PowerFlex7000型變頻器的工作原理 

　　PowerFlex7000型變頻器電路部分，分為高壓主回路部分和低壓控制回路部分。高壓主回路功率單元部分也分兩部分，整流側(cè)（Rectifiers）和逆變側(cè)。

　　PowerFlex7000變頻器是通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)控制電機(jī)速度的，通過(guò)計(jì)算和測(cè)量電機(jī)速度，并按要求調(diào)整轉(zhuǎn)矩使被測(cè)速度等于速度命令。電機(jī)和負(fù)載決定了定子頻率并使變頻器與電機(jī)同步，這與大多數(shù)V/F控制的交流變頻器形成了對(duì)照，V/F控制的變頻器是變頻器決定定子頻率并且不能使輸出與電機(jī)同步。PowerFlex7000的控制方式是直接矢量控制。術(shù)語(yǔ)矢量控制表明定子電流矢量的位置是相對(duì)于電動(dòng)機(jī)磁通矢量而控制的。直接矢量控制意味著電機(jī)磁通可以測(cè)量，這與多數(shù)通用的間接矢量控制不同，間接矢量控制中電機(jī)的磁通是估算的。兩種控制算法中，定子電流被分解為可以獨(dú)立控制的磁通分量  和 正交轉(zhuǎn)矩分量  ，矢量控制的目的就是獲得與直流電動(dòng)機(jī)相似的性能，可以快速改變轉(zhuǎn)矩而不影響磁通。 圖2 為 powerflex7000控制系統(tǒng)功能塊圖。                   

　　圖2  powerflex7000系統(tǒng)功能塊圖

　　3  羅克維爾變頻器實(shí)現(xiàn)帶載測(cè)試原理 

　　3.1負(fù)載測(cè)試的實(shí)現(xiàn) 

　　九洲中壓變頻實(shí)驗(yàn)站共有三臺(tái)測(cè)試電機(jī)，一臺(tái)1000KW，兩臺(tái)2000KW，電壓等級(jí)分別是6000V和10000V，未來(lái)還要引進(jìn)一臺(tái)5000KW的電機(jī)，可進(jìn)行帶載測(cè)試達(dá)到5000KW。三臺(tái)電機(jī)由連軸器連接成同軸電機(jī)，其中兩臺(tái)作為待測(cè)變頻器測(cè)試電機(jī)，另外一臺(tái)與A-B PowerFlex7000型變頻器相連做負(fù)載電機(jī)，由于電流型變頻器直流環(huán)節(jié)是電抗器而不是電容，并采用了對(duì)稱的功率器件，直流側(cè)電壓方向可以改變，因此可將電機(jī)電能回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

    運(yùn)行時(shí)負(fù)載電機(jī)作為再生電機(jī)，通過(guò)A-B變頻器將產(chǎn)生的電能逆變回饋到電網(wǎng)，節(jié)約了一部分能源，而且并不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，所以稱為再生變頻器。九洲變頻實(shí)驗(yàn)站主回路原理如圖3所示

　　圖3  實(shí)驗(yàn)站主回路原理圖

　　當(dāng)能量回饋時(shí)，PowerFlex7000型變頻器的控制器將晶閘管的觸發(fā)角向后移動(dòng)，整流器進(jìn)入有源逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)回饋能量。該電流源型變頻器采用了更加的矢量控制PWM整流控制算法，以提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)并降低網(wǎng)側(cè)諧波。該過(guò)程是通過(guò)PowerFlex7000電流控制塊功能實(shí)現(xiàn)的。 

　　電流控制塊的主要功能是確定輸入端整流器和輸出端逆變器觸發(fā)角的大小。其輸入是分別來(lái)自速度控制塊和磁通控制塊的直流母線電流命令值中的轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量，以及來(lái)自進(jìn)線整流器反饋的直流母線電流和輸入電壓。 命令值和 命令值的平方和的平方根即為直流母線電流命令值，從直流電流基準(zhǔn)值中減去測(cè)得的直流電流反饋值，即為直流電流誤差，它也是電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。圖4為電流控制模型。

　　圖4 電流控制

　　Powerflex7000的PWM整流控制算法將電流控制塊計(jì)算得到的網(wǎng)側(cè)直流電流給定值與一般設(shè)為零的網(wǎng)側(cè)交流電流給定值進(jìn)行同步坐標(biāo)反變換后，得到網(wǎng)側(cè)逆變器的三相電流給定值，并直接通過(guò)PWM發(fā)生器輸出至電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行的控制。理想情況下可以將網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到1左右，并限度地降低網(wǎng)側(cè)諧波。 

　　通過(guò)上述可知，M3電機(jī)與PowerFlex7000型變頻器相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)模擬負(fù)載。PowerFlex7000型變頻器采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制可以根據(jù)設(shè)定值輸出轉(zhuǎn)矩而不受速度限制。轉(zhuǎn)矩的測(cè)量采用扭矩傳感器，轉(zhuǎn)矩的控制通過(guò)A-B公司RSLogix5000型PLC里的PID功能塊完成。模擬負(fù)載電機(jī)M3工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候發(fā)出的電經(jīng)過(guò)SGCT整流回饋到直流母線上。PowerFlex7000型變頻器本身帶有VSBL用來(lái)檢測(cè)和反饋進(jìn)線電網(wǎng)電壓的電壓，相位，功率因數(shù)等參數(shù)。PowerFlex7000型變頻器的CIB板可以根據(jù)檢測(cè)到的電網(wǎng)參數(shù)通過(guò)控制SGCT的占空比和頻率把直流電逆變成和電網(wǎng)本身完全同相位同頻率的交流電回饋到電網(wǎng)。

　　3.2 PowerFlex7000型變頻器的通訊與負(fù)載特性實(shí)驗(yàn) 

　　PowerFlex7000型變頻器與其他設(shè)備進(jìn)行通訊采用的是CONTROLNET通訊方式，組態(tài)軟件應(yīng)用的是RSView SE Client組態(tài)軟件。圖5為九洲中壓變頻實(shí)驗(yàn)站系統(tǒng)原理圖。

　　圖5 變頻實(shí)驗(yàn)站系統(tǒng)原理圖

　　由于PowerFlex7000型變頻器采用的是先進(jìn)的矢量控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件和PLC程序可以利用PowerFlex7000型變頻器進(jìn)行各種負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)；與電機(jī)速度平方成比例的負(fù)載特性試驗(yàn)；階梯仿真負(fù)載特性試驗(yàn)；用戶自定義負(fù)載特性試驗(yàn)等等。圖6是羅克維爾變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行階梯負(fù)載控制界面。

　　圖6 階梯負(fù)載仿真界面

　　4   結(jié)語(yǔ) 

　　PowerFlex7000型變頻器作為再生變頻器，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)變頻器進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，而且將產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)中去，節(jié)約了一部分能源，根本的是真正檢測(cè)了出廠變頻器的帶載能力和各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，從而驗(yàn)證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，并且可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬測(cè)試，來(lái)檢驗(yàn)產(chǎn)品對(duì)復(fù)雜多變的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的反應(yīng)能力和適應(yīng)能力。從某種意義上來(lái)說(shuō)，負(fù)載測(cè)試為提高變頻器質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。