智能化中高压变频器实载试验平台的实现

1、引言 随着高压变频器技术的不断进步以及该领域内技术人员的不断努力，以前只能靠进口的中、高压变频器，现在在国内也已经越来越多地生产，生产厂家也已有多家。但各厂家的成品整机试验手段大多比较落后，一般多采用带电机空转的方法，已经满足不了对设备试验的要求，而国外的中高压变频器生产商，产品完成后一般都要进行实载测试。本文介绍了一种中、高压变频器试验平台，通过该平台可以对电压等级在3kv～10kv、功率在5000kw以下的变频器进行智能化实载性能试验。2、系统构成 2.1 本系统的主要组成 电力变压器+高压配电控制间+变频变压器+ demo可逆变频器+regen可逆变频器+控制部份+ 电机组+主轴扭矩仪+电参数分析仪 本系统由以上7个分体模块所组成。 2.2 电力变压器 为入户变压器，由两台2500kva电力变压器组成，初期一台投入运行，当容量高于此值时，将投入第二台变压器，并联运行。 2.3 高压配电控制间 高压控制间内配置了所有入户开关、母联开关、线路组合选择开关、断路器、接触器等高压操作柜。变频变压器的y/δ选择、电机的选择及y/δ转换连接等都在此控制间进行。测试工作时高压柜的主要操作由上位机发指令，由plc控制。 2.4 变频变压器 该变压器是专门针对被试和逆变变频器设计的原边y/δ切换，副边多绕组多抽头组合选择的多功能变压器，最大功率6250kva，可以组合出6脉冲3kv、6kv、10kv，18脉冲3kv、6kv等电压等级，针对不同变频器给出不同电源动力进行实载测试。 2.5 demo变频器和regen变频器 在本试验站预先配置了2台rockwell automation的powerflex7000变频器，一台的功率是6kv，1000kw，专门用于带动电机组中的为1000kw的m1电动机，主要用途是在没有被测试变频器时进行带载演示，称为demo变频器。另一台的功率为2000kw，称为regen变频器，用于demo变频器或被试变频器带载运转时的加载，它接到再生电机m3，当m1或m2电机运转时，令regen变频器处于制动状态，以电机速度线性比例或平方比例或用户定义的方式对主轴加载，并将电机产生的能量再生逆变，回馈到电网，从而达到节省能源的目的。 2.6 控制部分 该套系统控制部分核心是rockwell automation的control　logix系列plc控制器，上位机采用研华工业控制计算机，人机界面采用rockwell automation的rs view se组态软件。系统采用client/server架构，多台客户机可以在不同位置通过ethernet访问服务器，并且控制各个受控部件进行变频器测试。 2.7 电机组 目前已经安装的电机有3台，同轴运行。一台为6kv，1000kw，用于接demo变频器或电压等级为6kv 的1000kw以下功率的被试变频器。第二台10kv，2000kw, 用于接电压等级10kv的2000kw以下功率的被试变频器。第三台是负载电机，接regen变频器，用于对前两台电机的任意一台加载，当然必要时m3也可以当电动机用，跟它连接的regen变频器有此能力。 2.8 主轴扭矩仪 在电机m1与m2之间，m2与m3之间的主轴上分别安装了两台扭矩仪，量程分别10000nm和40000nm。扭矩仪在本地有数据处理显示单元并通过4～20ma电流环将扭矩值大小传往plc进行采集，然后发往上位机显示。 2.9 电参数测量分析仪 powermonitor ii电参数测量分析仪安装在每条高压母线或支路上，与上位机rspower32软件结合，用于监测电力参数，并显示分析。3、工作原理 3.1 智能化中高压变频器实载试验平台组成示意 试验站中,七个分体模块组成了一个试验平台,如图1所示。 3.2 智能化中高压变频器实载试验平台运行原理 （1） 高压电源引入 如图1所示，来自外部电网的6kv高压电，经过2台2500kva电力变压器入户进入高压配电控制间。高压6kv送往变频变压器一次侧，一次侧的接法有两种:y形接法和δ形接法。两种接法分别对应不同的功率，不同的二次侧电压等级以及变频器的输出针对的不同电机。 （2） 试验电压等级变换图1 试验站原理示意图 变压器接法当变压器一次侧接成角形接法时，最大功率为6250kva，二次侧可输出电压等级及变频器输出所对应电机为:3kv@m1、6kv@m1、18脉冲6kv@m1、6kv@m2、10kv@m2、18脉冲6kv@m2; 当变压器一次侧接成星形接法时，最大功率为3600kva，二次侧可输出电压等级及变频器输出所对应电机为:3kv@m1、6kv@m1、18脉冲3kv@m1、6kv@m2; 当输出到m1的电压等级为3kv时，对应m1电机的δ形接法;当输出到m1的电压等级为6kv时，对应m1电机的y形接法; 当输出到m2的电压等级为6kv时，对应m2电机的δ形接法;当输出到m2的电压等级为10kv时，对应m2电机的y形接法。 （3） 操作回路控制 所有的高压开关动作都是由操作员在上位机通过点击鼠标发送指令，由plc控制继电器后驱动高压断路器或接触器完成。 按照上面的对应关系将高压线路连接好以后，设置regen变频器工作在制动状态，选择转矩与速度正比或与速度平方正比（以上自动方式），或选择设定阶梯转矩（手动方式），设置最大功率不高于变频器输出功率，然后发出变频器“使能”。 （4） 试验数据采集 操作启动被试变频器或demo变频器，随着电动机m1或m2转速上升，转矩负载会加到电机主轴上。电机m1与m2之间，m2与m3之间的主轴上的两台扭矩仪通过4～20ma电流环将扭矩值大小传往plc进行采集，然后发往上位机显示。 3.3 根据具体要求，进行相应的操作 在变频器实载运行时，安装在高压柜上的四台powermonitorii型电能量测试分析仪分别对高压母线、变频器动力线路及电机线路的能量消耗进行测量显示。这些仪表通过ethernet与上位机相连，上位机通过一个rs power32软件对电力电能数据进行波形显示及数据分析。同时这些数据通过驱动程序传到rsviewse在人机操作界面上可以同步显示电力电能数据，如图2所示。图2 试验站高压开关操作界面截图 在本系统中，应用了ethernet作为主要控制网络介质，服务器与客户机、plc、电能分析仪等设备都是通过ethernet互联，plc与demo变频器、regen变频器、被测变频器等都是通过controlnet连接，plc与电力综合保护装置通过dh+网络相连。互联协议主要用到了tcp/ip、modbus、ppp等等。通过通讯网络，各种模拟量、数字量参数实时传送到上位机，而操作员也通过上位机的人机界面发送到plc被执行。4、核心技术应用 4.1 control logix plc及网络 本系统plc控制器选用了rockwell automation的最新一代产品control logix系列产品，控制器选用了control logix5550。该系列plc具有以下特点: （1） 高性能的无源、多主总线; （2） 基板符合producer-consumer协议; （3） 同一框架内可放置多个处理器，可独立运行或并行运行; （4） 任何模块可带电插拔; （5） 无槽位限制; （6） 可按应用规模增减内存，最大可扩展到2mb; （7） 分布式解决方案，cpus和i/o可以连接在同一controlnet网络; （8） 模块种类齐全，开关量24、48、110vdc，ttl，110、220vac;模拟量电压、电流、热电阻、热电偶;脉冲;通讯等等; （9） 强大的通讯能力:支持的通讯网络及协议有dh+、controlnet、ethernet、devicenet、rs232等。 由于以上的突出特点，笔者选择了controllogix控制器作为系统核心控制单元，利用其众多的优点为系统服务，尤其是超强的网络通讯能力，为试验平台的搭建提供了有力的网络支撑。 4.2 rs view se 基于factorytalk directory的rsview se与传统hmi软件的主要区别: 4.2.1数据库设计模式 图3为rsview工作示意图。图3 rsview工作示意图 （1） 数据库依然分布在它的原始位置（如:controller）; （2） 客户通过使用factorytalk directory（ftd）去获取数据定义,ftd相当于一个查找表;与internet dns原理类似; （3） 数据定义既是分布式又是集中式; （4） 在每个客户端均保留一份factorytalk directory; （5） 平衡负载:分布式数据库及数据分布在各个控制器上，分别由各个控制器独自处理; （6） 对数据更快更直接的访问:数据不需要先由一个数据库传递到另一个数据库，再传递到客户端，而是直接有控制器到需要数据的客户端; （7） 避免了单点故障:数据库及数据分布在各个控制器上，在每个客户端均保留一份factorytalk directory。 4.2.2 tag点定义模式 （1） 使用rslogix来定义plc点，接着保存这个项目文件; （2） 在hmi中直接使用在plc中创建好的tag点，不需要再创建一个新的hmi tag atabase; （3） 减少项目开发时间和维护成本; （4） 不用输入、输出和复制标签数据库; （5） 避免了多数数据库可能出现的单点故障; （6） 支持将标签数据库分布在网上的多个控制器上。 4.2.3画面保存方式 （1） 画面保存在hmi server，客户端没有画面; （2） 只需简单的修改图形显示，改变即在整个系统范围内有效; （3） 既可在线修改又可离线修改。 4.2.4 传统方案所没有的优点 （1） 显著减少项目开发时间和维护成本; （2） 避免输入和复制图形显示; （3） 支持将项目分布在网络中多台计算机上的hmi server中; （4） 在自动化系统中方便、简单的更新画面。 4.2.5 控制系统的可重用性 （1） fatorytalk的层次化目录使得组件名称（标签，报警，画面）在系统范围内是唯一的（区域名决定了tag名的唯一性,即在不同的区域可以用相同的tag名）; （2） 用户只需简单地将area1中的内容复制到area2中生成新的控制，新信息立即可用; （3） 复制的新项目与原项目从内容到功能上完全一样，只是所在的域不同。 4.2.5 组态方式 图4为rsview组态及管理示意图。图4 rsview组态及管理示意图 （1） 定义信息源和信息源组一次,即可重复使用; （2） 在笔记本电脑上离线开发整个系统, 只需在现场将应用程序分别拷贝到需要的计算机上，再将系统中的计算机名改为运行软件的计算机名即可; （3） 此过程也可反过来!即:可以在现场将应用程序全部拷贝到笔记本电脑里,即可对其进行修改和重新开发。 4.3 powerflex 7000 变频器 4.3.1 powerflex 7000变频器的特点 选用powerflex 7000变频器作为电机驱动和负载生成单元，是由于其本身的特点适合其需要。powerflex 7000变频器具有以下几大特点: （1） 简单可靠的功率结构。powerflextm 7000s使用6.5kv 800a/1500a的对称门极换流晶闸管（sgct），变频所用逆变开关器件数量比其他任何中压变频技术的器件数量都少。功率结构为无熔断器，具有抑制电流的dc电抗器。其结果是更简单、牢固、可靠。 （2） 四象限运行。powerflextm 7000具有四象限工作的能力。电机可正反方向以电动机或发电机方式运行。发电机工作方式时，能量可回馈电网，电机再生制动。 （3） 免传感器的直接矢量控制。免传感器的直接矢量控制对电机的磁通是测算而不是估算。如同直流驱动，电机力矩可以快速改变而不影响电机磁通。此控制方式可产生较标准的v/hz型变频更优越的运行性能。 （4） sgct-中压变频器的理想功率开关。门驱动集成，开关频率高，双面冷却的对称门极换流晶闸管是用于中压变频器的理想功率半导体开关。通过对控制sgct的脉宽调制（pwm）模式的优化，将器件的导通和开关损耗降至最低，产生了极为紧凑和高效的逆变器设计。由于sgct独特的性能及powerflex7000的技术结构，该组件可通用于pwm逆变器和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，使其作为了本试验平台的首选变频器。使用它可以将实载试验产生的机械能又通过电机再生，然后由变频器逆变回馈到电网，这极大地降低了试验的能源消耗，节约了试验成本。5、试验项目 5.1 本系统可以实现以下试验项目 （1） 变频器负载特性试验; （2） 变频器实载长期考核及老化试验; （3） 变频器功率器件温升试验; （4） 变频器变压器温升试验; （5） 额定输出电压及电压不平衡度试验; （6） 频率精度试验; （7） 效率试验; （8） 谐波分析。 5.2 变频器负载特性试验 （1） 变频器的负载特性是变频器的最重要的特性之一，一套变频器转矩特性的好坏，将直接影响用户工况性能的优劣。在本试验平台上可以进行轻载、负载、过载及以下特性负载试验,操作界面如图5所示， （2） 与电机速度成正比例的负载特性试验; （3） 与电机速度平方成比例的负载特性试验; （4） 阶梯变化负载特性试验; （5） 用户自定义负载特性试验。 5.3 变频器实载长期考核及老化试验 根据不同现场工况要求，设计好负载特性以后，让被试变频器按用户规定时间长期运行，以考核被试变频器的长期可靠性。图5 阶梯负载实载曲线截图 5.4 变频器功率器件温升试验 在实载状态下，测量被试变频器功率器件的温度变化情况，为用户提供变频器设计研发的必要技术数据。 5.5 变频器变压器温升试验 在实载状态下，测量被试变频器变压器的温度变化情况，为用户提供变频变压器设计的必要技术数据。6、结束语 本套试验平台由哈尔滨九洲电气股份有限公司与全球自动化公司及中压变频器巨头rockwell automation共同建设，是针对中高电压等级的变频器进行智能化带载性能测试的试验场所。本平台已经针对九洲电气powersmart系列10kv/1000kw、6kv/1250kw、rockwellautomation的powerflex 7000系列6kv/1120kw、18脉冲6kv/3600kw等中高压变频器进行了实载测试，取得了非常好的效果。作为一个产品出厂前或发往用户之前的测试手段，不用非得等到现场安装完毕后才能知道变频器的整机实载性能。尤其在变频器产品研发及性能测试方面的灵活性和便利性，是现场运行或电机空载试验所不能够达到的。