目前，隨著社會上環(huán)保意識、節(jié)能意識的提高，采用公用直流母線變頻器以實(shí)現(xiàn)電功率封閉、采用IGBT整流供電方式以減少諧波提高功率因數(shù)的方案正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流變頻發(fā)電機(jī)組傳動等方案。3000kW交流電機(jī)試驗(yàn)臺利用ABB ACS800 multidrive變頻器、ABB AC800M PLC、工控計(jì)算機(jī)、3100kW變頻電機(jī)、5000kVA同步發(fā)電機(jī)等，用于傳遞功率在到3000kW、傳遞力矩在25kN·m以下、電壓等級從690~11?500V、轉(zhuǎn)速在3600r/min以下的異步電機(jī)測試，滿足IEC規(guī)定的各種電機(jī)測試要求。

圖1  系統(tǒng)單線圖

試驗(yàn)臺性能

(1) 電源機(jī)組的輸出頻率精度≤0.06%FS，動態(tài)穩(wěn)定精度為≤0.2%/s，瞬態(tài)調(diào)整率≤±8%FS，恢復(fù)時間≤2.5s。

(2) 電源機(jī)組的輸出電壓穩(wěn)定調(diào)整率≤±0.2%，10min波動率≤±0.15%，瞬態(tài)調(diào)整率≤±15%，恢復(fù)時間≤2s。

(3) 電源機(jī)組的輸出功率穩(wěn)定調(diào)整率≤±0.2%，10min波動率≤±0.25%。

(4) 加載機(jī)組的力矩響應(yīng)時間<5ms，轉(zhuǎn)矩控制精度<±2%FS。

(5) 在全功率和全速度范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行。

(6) 控制臺操作通過觸摸屏來進(jìn)行各種電機(jī)測試功能。該試驗(yàn)臺可測試交流異步電機(jī)、雙饋電機(jī)、同步電機(jī)。

(7) 主要測試項(xiàng)目，如起動特性、空載特性、負(fù)載特性、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，以及電機(jī)的發(fā)熱試驗(yàn)。

(8) 傳動系統(tǒng)應(yīng)具備快速停車功能，當(dāng)壓下快速停車按鈕時應(yīng)能強(qiáng)制傳動裝置逆變制動至停車。由于電機(jī)處于制動而發(fā)出的電能量應(yīng)返回電網(wǎng)。

電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

電機(jī)試驗(yàn)臺電氣控制系統(tǒng)主要由試驗(yàn)用電源變頻器、電源機(jī)組、被試電機(jī)、加載電機(jī)、加載變頻器和測控系統(tǒng)等組成。

電源機(jī)組含有一臺ABB異步交流變頻電機(jī)，額定功率為 3100kW、 額定電壓為690V、額定轉(zhuǎn)速1000r/min、最高轉(zhuǎn)速1500r/min、額定頻率50Hz;一臺ABB同步交流發(fā)電機(jī)，額定容量5000kVA、額定電壓為11?500V、額定轉(zhuǎn)速1000r/min、最高轉(zhuǎn)速1500r/min、額定頻率50Hz。一臺變壓器，額定容量5000kVA、變比為11.5/6/3.3kV。

加載電機(jī)為一臺ABB異步交流變頻電機(jī)，額定功率為 3680kW、 額定電壓為690V、額定轉(zhuǎn)速1634r/min、最高轉(zhuǎn)速3600r/min、額定頻率55Hz。

變頻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)為ABB公司的ACS800 multidrive，其分為供電單元和逆變單元。整流單元型號為 ACS800-207-4550-7，額定直流輸出功率，額定進(jìn)線電壓AC690V。電源變頻器用逆變單元型號為ACS800-107-4650-7，額定輸出功率為3700kW，額定輸出電壓為AC690V。加載變頻器逆變單元同上。逆變器的選型基于重載應(yīng)用考慮，具有每5min工作周期可有1min150%過載能力。同步電機(jī)的勵磁控制采用了ABB DCS600系列直流傳動產(chǎn)品。

使用的電參量分析儀是Norma 4000，溫度測量是keithley2700系列，轉(zhuǎn)矩測量是HBM儀表及其法蘭傳感器。

ABB變頻器通過光纖適配器和光纖連接OPC，使得計(jì)算機(jī)與傳動直接的通信速度為10Mb/s，測控系統(tǒng)軟件采用Lab View和Matlab。采用先進(jìn)的人機(jī)對話的控制顯示模式，控制操作人員能根據(jù)要求采集所需的數(shù)據(jù)。在整個試驗(yàn)過程中顯示屏根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目不同，實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和變化的特性曲線，直到試驗(yàn)完成(見圖1)。

ABB 變頻器的一些特點(diǎn)

ACS800 Drive 是新一代全數(shù)字交流變頻器，能達(dá)到控制交流電機(jī)的完美極限。ACS800是采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) DTC 的交流變頻器。它能夠精確控制任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。在DTC中，高速數(shù)字信號處理器與電機(jī)軟件模型有效接合，以25μs的周期，即電機(jī)的狀態(tài)每秒中更改40?000次-計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁通。這意味著它可以對電機(jī)的動態(tài)變化做出快速反應(yīng)，以保證在電機(jī)測試中有足夠的控制精度和動態(tài)響應(yīng)時間(見圖2)。

圖2  ABB DTC 示意圖

ACS800 Big Drive主要由輔助控制單元 (ACU) 、進(jìn)線單元 (ICU) 、供電單元 (DSU) 和傳動單元 (Drive Section) 等構(gòu)成。

1.輔助控制單元(ACU)

為傳動和進(jìn)線單元中的輔助設(shè)備提供電源。24V電源掉電時發(fā)出急停功能?？蛇x的AC電壓表和電流表，接地監(jiān)測和電弧監(jiān)測都位于輔助控制單元內(nèi)。

2.進(jìn)線單元(DCU)

電源電纜進(jìn)入進(jìn)線單元并連接到供電單元，根據(jù)電網(wǎng)條件選擇接觸器或空氣斷路器、進(jìn)線刀熔開關(guān)柜、頂部進(jìn)線為可選配置。

3.供電單元 (ISU)

IGBT供電單元把三相交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，用于再生傳動系統(tǒng)。供電單元由二繞組變壓器供電。IGBT供電電源可顯著減少電網(wǎng)中的諧波含量，電流總諧波小于4%。進(jìn)線單元中標(biāo)配有進(jìn)線LCL濾波器，二類環(huán)境EMC濾波器等。

4.傳動單元 (Drive Section)

每一個逆變器都有一個傳動控制單元(DCU)，它包括應(yīng)用和電機(jī)控制器(AMC)以及標(biāo)準(zhǔn)I/O板。標(biāo)準(zhǔn)傳動控制單元(DCU) 位于柜體的側(cè)面，簡化了維護(hù)工作。逆變器內(nèi)部有電容器，用以消除直流母線的電壓波動。它通過熔斷器和直流母線連接。

5.電氣性能

電源斷電時的運(yùn)行，ACS800將利用正在旋轉(zhuǎn)著的電機(jī)的動能繼續(xù)運(yùn)行，只要電機(jī)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生能量，ACS800將繼續(xù)運(yùn)行。零速滿轉(zhuǎn)矩，由ACS800帶動的電機(jī)能夠獲得在零速時電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，并且不需要光碼盤或測速電機(jī)的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實(shí)現(xiàn)滿力矩輸出。

起動轉(zhuǎn)矩，DTC提供的精確的轉(zhuǎn)矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動轉(zhuǎn)矩。最大起動轉(zhuǎn)矩能達(dá)到200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。自動起動，ACS800的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能。因?yàn)锳CS800能在幾毫秒內(nèi)測出電機(jī)的狀態(tài)，任何的條件下在0.48s內(nèi)迅速起動。

磁通優(yōu)化，在優(yōu)化模式下，電機(jī)磁通被自動地適應(yīng)于負(fù)載以提高效率，同時降低電機(jī)的噪音。得益于磁通優(yōu)化，基于不同的負(fù)載，變頻器和電機(jī)的總效率可提高1%~10%。磁通制動，ACS800能通過提高電機(jī)的磁場來提供足夠快的減速。ACS800持續(xù)監(jiān)視電機(jī)的狀態(tài)，在磁通制動時也不停止監(jiān)視。磁通制動也能用于停止電機(jī)和轉(zhuǎn)速變換。

精確速度控制，ACS800的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開環(huán)應(yīng)用時為0.4%s，在閉環(huán)應(yīng)用時為0.1%s，ACS800變頻器的靜態(tài)精度為0.01%。精確轉(zhuǎn)矩控制，動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間，在開閉環(huán)應(yīng)用時都能達(dá)到1~5ms。

主要測試功能實(shí)現(xiàn)

由于電機(jī)測試中，有相當(dāng)部分與加載相關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)要求，選擇了電力測功機(jī)加載方式。與傳統(tǒng)采用直流電機(jī)作為加載電機(jī)不同，本試驗(yàn)臺采用了交流變頻電機(jī)作為加載電機(jī)。與直流傳動相比，采用交流傳動有以下優(yōu)點(diǎn)：①功率因數(shù)高，直流傳動運(yùn)行時通常功率因素為0.6~0.7，而采用IGBT整流方式的交流傳動功率因素可為1，甚至還可以根據(jù)需要來設(shè)定功率因素，發(fā)出或接受一定量的無功功率。②諧波電流小，直流傳動運(yùn)行時通常諧波電流占基波分量的30%左右，而采用IGBT整流方式交流傳動的小于4%，對比工廠原有的采用直流加載的另外測試臺，實(shí)測表明，交流變頻的諧波大小符合理論計(jì)算，滿足實(shí)際使用。③效率高且維護(hù)方便，由于直流電機(jī)效率低于交流電機(jī)(約5%)，同時交流電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)明顯好于直流電機(jī)，運(yùn)行成本較低。④電功率封閉易于實(shí)現(xiàn)，由于采用的變頻器為交直交電壓型變頻器，可以有效地利用直流母線來進(jìn)行電能量循環(huán)。直流傳動也可實(shí)現(xiàn)這個功能，但控制手段較為繁瑣，調(diào)試復(fù)雜。

基于試驗(yàn)臺的實(shí)用、可靠及先進(jìn)的要求，電機(jī)驅(qū)動采用ABB傳動公司的ACS800系列多傳動(即公用直流母線)變頻器，整流部分采用IGBT整流，有兩臺逆變單元分別驅(qū)動電源機(jī)組和加載機(jī)組，由于逆變單元公用直流母線，電源部分和加載部分組成電功率閉環(huán)，加載電機(jī)發(fā)出的電能回饋到直流母線，可進(jìn)行電能量的循環(huán)利用，到達(dá)一定的節(jié)能效果。

1.空載試驗(yàn)

三相異步電動機(jī)的空載試驗(yàn)是給定子加額定頻率的額定電壓下的空載運(yùn)行的試驗(yàn)。目的是檢查電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、判斷噪聲和振動是否符合要求;得到電機(jī)額定電壓下的鐵心損耗和在額定轉(zhuǎn)速下的機(jī)械損耗;得到空載電流與空載電壓的關(guān)系曲線(空載特性)。這個測試中，只有變頻器驅(qū)動的電源機(jī)組投入運(yùn)行，使得電源機(jī)組輸出為規(guī)定的頻率和電壓。在測量空載特性時，測控系統(tǒng)自動發(fā)出命令控制電源機(jī)組頻率和電壓，同時對測量儀表自動采樣。

2.熱試驗(yàn)

熱實(shí)驗(yàn)也稱為溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^試驗(yàn)得到定子繞組、軸承等部件在規(guī)定工作條件下運(yùn)行，并達(dá)到穩(wěn)定溫升時的溫度或溫升值。這個測試中(直接負(fù)荷法)，變頻器驅(qū)動的電源機(jī)組和加載電機(jī)均投入運(yùn)行，電源變頻器驅(qū)動電源機(jī)組輸出為規(guī)定的頻率和電壓，加載變頻驅(qū)動和加載電機(jī)輸出規(guī)定反向力矩，來模擬被試電機(jī)的負(fù)載，這時加載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，其發(fā)出的能量通過加載變頻器向直流母線傳遞，然后又通過直流母線傳遞到電源變頻器，供給電源機(jī)組。而電網(wǎng)所提供的能量僅僅用于補(bǔ)充電源機(jī)組、被試電機(jī)、加載電機(jī)、變頻器的能量損失，通常為被試電機(jī)功率的15%~20%。測試時間為1h，測量電機(jī)的定子繞組的溫度，可以采用直流電阻壓降法(伏安法)來測量電機(jī)的溫升。對轉(zhuǎn)子的溫度采用紅外線溫度探測儀進(jìn)行測量。

3.特性試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^試驗(yàn)得到被試電機(jī)的滿載或規(guī)定負(fù)載下的效率、功率因數(shù)、電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)差率。將試驗(yàn)項(xiàng)目選擇在特性試驗(yàn)位置，啟動電源機(jī)組，通過電源變頻器和同步電機(jī)的勵磁裝置使得電源機(jī)組輸出的頻率和電壓達(dá)到規(guī)定要求，使被試電機(jī)空載運(yùn)行。啟動加載機(jī)組，加載電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。調(diào)節(jié)電源機(jī)組和負(fù)載發(fā)電機(jī)組，使被試電機(jī)在規(guī)定的電壓、頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行。同時調(diào)節(jié)電源機(jī)組的電壓和頻率，使被試電機(jī)在起動點(diǎn)和最高工作點(diǎn)之間處于規(guī)定的電壓、頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與所選定的試驗(yàn)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩保持一致。試驗(yàn)時，始終在各個選定的試驗(yàn)點(diǎn)上使被試電機(jī)的頻率、輸出轉(zhuǎn)矩、電壓與規(guī)定值保持一致，測量被試電機(jī)的電流、輸入功率、輸出功率;計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)差率、效率。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^試驗(yàn)得到被試電機(jī)的滿載或規(guī)定負(fù)載下的效率、功率因數(shù)、電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)差率。

該試驗(yàn)臺已經(jīng)于2007年1月成功投入使用，試驗(yàn)臺功能完全滿足工廠要求。傳動系統(tǒng)及測控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。傳動系統(tǒng)輸入側(cè)的電流諧波和電壓諧波也遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。