摘 要: 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(chǎng)之前的滿(mǎn)負(fù)荷測(cè)試。
關(guān)鍵詞: PowerFlex7000，電流源型，矢量控制，能量回饋
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源問(wèn)題日益成為越來(lái)成為人們最關(guān)心的問(wèn)題，能源分可再生資源和非可再生資源，當(dāng)非可再生資源越來(lái)越短缺的時(shí)候，如何節(jié)約能源，便是當(dāng)前最需解決的問(wèn)題。當(dāng)前工業(yè)用電成本不斷加大，為了降低成本，調(diào)速設(shè)備在工廠(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，伴隨著技術(shù)的不斷成熟，變頻調(diào)速設(shè)備在工業(yè)中倍受歡迎，由此在變頻器市場(chǎng)引發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)是日益激烈，特別是在中壓變頻器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加殘酷。如果誰(shuí)能夠在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，那么誰(shuí)就能笑到最后。
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最大的中壓變頻實(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(chǎng)前的滿(mǎn)載測(cè)試，滿(mǎn)足不同用戶(hù)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(chǎng)前模擬現(xiàn)場(chǎng)完成滿(mǎn)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)。它適用于廣泛的標(biāo)準(zhǔn)和特殊應(yīng)用如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、攪拌機(jī)、輸送機(jī)、窯爐、風(fēng)扇式泵和試車(chē)臺(tái)。這些應(yīng)用的主要行業(yè)包括石油化工、水泥、采礦和冶煉、發(fā)電和供水/廢水處理。
PowerFlex7000型變頻器不同于世界上其他廠(chǎng)家生產(chǎn)的中壓變頻器，它是世界上唯一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(mǎn)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(chēng)門(mén)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)（INVERTER）。三相6000V進(jìn)線(xiàn)電源首先經(jīng)過(guò) AC LINE REACTOR （進(jìn)線(xiàn)交流電抗器），進(jìn)線(xiàn)側(cè)交流電抗器可以提供額外的濾波功能和電流限制特性防止發(fā)生進(jìn)線(xiàn)短路故障。然后進(jìn)入整流側(cè)，整流側(cè)是由SGCT或SCR（對(duì)于18脈沖）組成的整流器將交流變?yōu)橹绷鳎诮?jīng)過(guò)直流電抗器（DC link ）到逆變側(cè)，通過(guò)脈寬調(diào)制方式，將直流變成交流，再通過(guò)電機(jī)側(cè)濾波電容進(jìn)行濾波，將近乎完美正弦電流電壓波形輸出到電機(jī)。低壓控制回路部分包括顯示操作界面，低壓電路，各種控制電路板，不間斷電源（UPS）等。
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(chēng)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(chēng)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
我們知道異步電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，必須要有在相位上超前電壓的電流進(jìn)行激磁，而PowerFlex7000型變頻器的接入恰好能滿(mǎn)足這一要求，它可以對(duì)電機(jī)提供激磁電流，較好的解決了發(fā)電機(jī)激磁問(wèn)題。當(dāng)變頻器拖動(dòng)M1或M2電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，M3電機(jī)與M1和M2同軸，所以M3電機(jī)的轉(zhuǎn)子也同時(shí)旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)羅克維爾的變頻器時(shí)，則立即在定子三相繞組中通入勵(lì)磁電流，使定子產(chǎn)生靜止磁場(chǎng)。當(dāng)M3轉(zhuǎn)子由M1或M2的轉(zhuǎn)子拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其導(dǎo)體切割磁場(chǎng)便感應(yīng)電流并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子方向相反的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，這樣所存儲(chǔ)的動(dòng)能就轉(zhuǎn)換成電能。
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精確的矢量控制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(xiàn)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(xiàn)整流器反饋的直流母線(xiàn)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(xiàn)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)。電流調(diào)節(jié)器的響應(yīng)由參數(shù)電流調(diào)節(jié)器帶寬，直流母線(xiàn)電感，和直流母線(xiàn)時(shí)間常數(shù)共同決定的。進(jìn)線(xiàn)整流器觸發(fā)角由直流電壓基準(zhǔn)值取反余弦得到的，驅(qū)動(dòng)端逆變器觸發(fā)角由 命令值和 命令值的比值取反正切而得。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)行精確的控制。理想情況下可以將網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到1左右，并最大限度地降低網(wǎng)側(cè)諧波。
PowerFlex7000型（DTD）變頻器采用的是SGCT整流，是完全受控的整流，帶有輸入電源檢測(cè)板可以實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入的電壓和電流相位并通過(guò)CIB板（用戶(hù)界面控制板）調(diào)整整流部分SGCT的觸發(fā)角，從而達(dá)到矯正波形和補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)的作用，PowerFlex7000型變頻器本身產(chǎn)生的諧波非常小，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。
當(dāng)電機(jī)從正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)入制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩從與轉(zhuǎn)速同向變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速反向，電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的有功功率傳遞給直流電感，促使直流電感電流上升，電感電流PI調(diào)節(jié)器檢測(cè)到這一上升電流后，將觸發(fā)θ向后移動(dòng)，使網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)入能量回饋狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整PowerFlex7000型變頻器的PI調(diào)節(jié)器調(diào)整控制晶閘管的觸發(fā)角，來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由于M3電機(jī)是由M1或M2電機(jī)拖動(dòng)的，所以增加M3的反向轉(zhuǎn)矩，便對(duì)M3電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了制動(dòng)，從而相當(dāng)對(duì)M1或M2進(jìn)行制動(dòng)，而M1或M2電機(jī)是由被測(cè)試變頻器驅(qū)動(dòng)的，增加對(duì)M1和M2電機(jī)轉(zhuǎn)子的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，便相當(dāng)于增加了M1和M2電機(jī)的負(fù)載，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試變頻器的帶載測(cè)試。根據(jù)九洲變頻實(shí)驗(yàn)站的電機(jī)的額定功率，變頻實(shí)驗(yàn)站可以測(cè)試額定功率為3000KW 的變頻器。
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(xiàn)上。PowerFlex7000型變頻器本身帶有VSBL（進(jìn)線(xiàn)電壓反饋板）用來(lái)檢測(cè)和反饋進(jìn)線(xiàn)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。各個(gè)客戶(hù)端可以對(duì)PowerFlex7000型變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，并對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和保存。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)，比如與電機(jī)速度成正比例的負(fù)載特性試驗(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(hù)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，最根本的是真正檢測(cè)了出廠(chǎng)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)。
