1 引言
隨著經濟的飛速發展，能源問題日益成為越來成為人們最關心的問題，能源分可再生資源和非可再生資源，當非可再生資源越來越短缺的時候，如何節約能源，便是當前最需解決的問題。當前工業用電成本不斷加大，為了降低成本，調速設備在工廠中得到了廣泛的應用，伴隨著技術的不斷成熟，變頻調速設備在工業中倍受歡迎，由此在變頻器市場引發的競爭是日益激烈，特別是在中壓變頻器的市場競爭更加殘酷。如果誰能夠在市場競爭中占據一定的優勢，那么誰就能笑到最后。
哈爾濱九洲電氣與美國羅克韋爾公司合作共同建立了亞洲最大的中壓變頻實驗基地——哈爾濱九洲中壓變頻實驗站，能夠完全實現中壓變頻器出廠前的滿載測試，滿足不同用戶的實際需求。哈爾濱九洲變頻實驗站采用的是羅克韋爾自動化公司生產的PowerFlex7000型中壓變頻器作為實驗站主體，實現中壓變頻器在出廠前模擬現場完成滿負荷帶載測試。有效的保證了變頻器的質量。
2 PowerFlex7000型變頻器的結構與特點
2.1 PowerFlex7000型變頻器電路結構
PowerFlex7000是羅克韋爾自動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的技術，嵌入了通信功能，在多平臺、網絡、操作員界面編程和硬件方面具有強大的通用性。PowerFlex 7000是通用的獨立式中壓變頻器，可以控制標準的同步或異步交流電動機的速度、轉矩、方向、起動和停機。它適用于廣泛的標準和特殊應用如風機、泵、壓縮機、攪拌機、輸送機、窯爐、風扇式泵和試車臺。這些應用的主要行業包括石油化工、水泥、采礦和冶煉、發電和供水/廢水處理。
PowerFlex7000型變頻器不同于世界上其他廠家生產的中壓變頻器，它是世界上唯一的電流源型中壓變頻器，根據電流源型變頻器的技術特點，它很容易實現四象限運行，比電壓源型變頻器控制更加簡單，可靠。電機可以正反方向以電動機或發電機方式運行，當電機以發電機工作方式時，能量可回饋電網，再生制動，這就為九洲中壓變頻實驗站進行滿負荷測試實驗提供了可能。
PowerFlex7000型變頻器屬于電流型中壓變頻器，它具有結構簡單，元器件數量少，四象限運行，同時具有矢量控制功能等特點。圖1中所示的是PWM控制方式的無輸入變壓器的電流型變頻器的電路拓撲結構圖。
圖1 電流型變頻器電路拓撲圖
電路結構為交-直-交型，功率器件采用對稱門極換流晶閘管（SGCT），對于6KV電壓等級的變頻器，每個橋臂采用3只耐壓為6500V的SGCT串聯，具有IGBT的全部優點，并能阻斷雙方向的電壓，減少使用器件的數量，使驅動和吸收電路進一步簡化，性能更加優越。
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（Rectifiers）和逆變側（INVERTER）。三相6000V進線電源首先經過 AC LINE REACTOR （進線交流電抗器），進線側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生進線短路故障。然后進入整流側，整流側是由SGCT或SCR（對于18脈沖）組成的整流器將交流變為直流，在經過直流電抗器（DC LINK ）到逆變側，通過脈寬調制方式，將直流變成交流，再通過電機側濾波電容進行濾波，將近乎完美正弦電流電壓波形輸出到電機。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變頻器是通過控制電機的轉矩來控制電機速度的，通過計算和測量電機速度，并按要求調整轉矩使被測速度等于速度命令。電機和負載決定了定子頻率并使變頻器與電機同步，這與大多數V/F控制的交流變頻器形成了對照，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同步。PowerFlex7000的控制方式是直接矢量控制。術語矢量控制表明定子電流矢量的位置是相對于電動機磁通矢量而控制的。直接矢量控制意味著電機磁通可以測量，這與多數通用的間接矢量控制不同，間接矢量控制中電機的磁通是估算的。兩種控制算法中，定子電流（ ）被分解為可以獨立控制的磁通分量 和 正交轉矩分量 ，矢量控制的目的就是獲得與直流電動機相似的性能，可以快速改變轉矩而不影響磁通。 圖2 為 powerflex7000控制系統功能塊圖。
圖2 powerflex7000系統功能塊圖
3 羅克維爾變頻器實現帶載測試原理
3.1負載測試的實現
九洲中壓變頻實驗站共有三臺測試電機，一臺1000KW，兩臺2000KW，電壓等級分別是6000V和10000V，未來還要引進一臺5000KW的電機，可進行帶載測試達到5000KW。三臺電機由連軸器連接成同軸電機，其中兩臺作為待測變頻器測試電機，另外一臺與A-B PowerFlex7000型變頻器相連做負載電機，由于電流型變頻器直流環節是電抗器而不是電容，并采用了對稱的功率器件，直流側電壓方向可以改變，因此可將電機電能回饋電網，實現四象限運行。運行時負載電機作為再生電機，通過A-B變頻器將產生的電能逆變回饋到電網，節約了一部分能源，而且并不會對電網造成污染，所以稱為再生變頻器。九洲變頻實驗站主回路原理如圖3所示
圖3 實驗站主回路原理圖
我們知道異步電動機作為發電機運行，必須要有在相位上超前電壓的電流進行激磁，而PowerFlex7000型變頻器的接入恰好能滿足這一要求，它可以對電機提供激磁電流，較好的解決了發電機激磁問題。當變頻器拖動M1或M2電動機旋轉時，M3電機與M1和M2同軸，所以M3電機的轉子也同時旋轉，啟動羅克維爾的變頻器時，則立即在定子三相繞組中通入勵磁電流，使定子產生靜止磁場。當M3轉子由M1或M2的轉子拖動旋轉時，其導體切割磁場便感應電流并產生與轉子方向相反的電磁制動轉矩而實現制動，這樣所存儲的動能就轉換成電能。
當能量回饋時，PowerFlex7000型變頻器的控制器將晶閘管的觸發角向后移動，整流器進入有源逆變狀態，向電網回饋能量。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，以提高網側功率因數并降低網側諧波。該過程是通過PowerFlex7000電流控制塊功能實現的。
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角的大小。其輸入是分別來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矩分量和磁通分量，以及來自進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，從直流電流基準值中減去測得的直流電流反饋值，即為直流電流誤差，它也是電流調節器的輸入信號。電流調節器的響應由參數電流調節器帶寬，直流母線電感，和直流母線時間常數共同決定的。進線整流器觸發角由直流電壓基準值取反余弦得到的，驅動端逆變器觸發角由 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算得到的網側直流電流給定值與一般設為零的網側交流電流給定值進行同步坐標反變換后，得到網側逆變器的三相電流給定值，并直接通過PWM發生器輸出至電網，對電網電流進行精確的控制。理想情況下可以將網側功率因數提高到1左右，并最大限度地降低網側諧波。
PowerFlex7000型（DTD）變頻器采用的是SGCT整流，是完全受控的整流，帶有輸入電源檢測板可以實時檢測輸入的電壓和電流相位并通過CIB板（用戶界面控制板）調整整流部分SGCT的觸發角，從而達到矯正波形和補償電網功率因數的作用，PowerFlex7000型變頻器本身產生的諧波非常小，不會對電網產生影響。
當電機從正常運行，轉入制動運行時，電動機的輸出轉矩從與轉速同向變為與轉速反向，電動機側逆變器將電動機發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調節器檢測到這一上升電流后，將觸發θ向后移動，使網側逆變器進入能量回饋狀態。通過調整PowerFlex7000型變頻器的PI調節器調整控制晶閘管的觸發角，來調節電動機的輸出轉矩，由于M3電機是由M1或M2電機拖動的，所以增加M3的反向轉矩，便對M3電機轉子進行了制動，從而相當對M1或M2進行制動，而M1或M2電機是由被測試變頻器驅動的，增加對M1和M2電機轉子的制動轉矩，便相當于增加了M1和M2電機的負載，這樣就實現了對測試變頻器的帶載測試。根據九洲變頻實驗站的電機的額定功率，變頻實驗站可以測試額定功率為3000KW 的變頻器。
通過上述可知，M3電機與PowerFlex7000型變頻器相當于構成了一個模擬負載。PowerFlex7000型變頻器采用的是直接轉矩控制可以根據設定值輸出轉矩而不受速度限制。轉矩的測量采用扭矩傳感器，轉矩的控制通過A-B公司RSLogix5000型PLC里的PID功能塊完成。模擬負載電機M3工作在發電狀態的時候發出的電經過SGCT整流回饋到直流母線上。PowerFlex7000型變頻器本身帶有VSBL（進線電壓反饋板）用來檢測和反饋進線電網電壓的電壓，相位，功率因數等參數。PowerFlex7000型變頻器的CIB板可以根據檢測到的電網參數通過控制SGCT的占空比和頻率把直流電逆變成和電網本身完全同相位同頻率的交流電回饋到電網。
3.2 PowerFlex7000型變頻器的通訊與負載特性實驗
PowerFlex7000型變頻器與其他設備進行通訊采用的是CONTROLNET通訊方式，組態軟件應用的是RSView SE Client組態軟件。各個客戶端可以對PowerFlex7000型變頻器進行實時的狀態監測和控制，并對產生的數據進行下載和保存。圖5為九洲中壓變頻實驗站系統原理圖。
圖5 變頻實驗站系統原理圖
由于PowerFlex7000型變頻器采用的是先進的矢量控制系統，通過計算機軟件和PLC程序可以利用PowerFlex7000型變頻器進行各種負載特性實驗，比如與電機速度成正比例的負載特性試驗；與電機速度平方成比例的負載特性試驗；階梯仿真負載特性試驗；用戶自定義負載特性試驗等等。圖6是羅克維爾變頻器對電機進行階梯負載控制界面。
圖6 階梯負載仿真界面
4 結語
PowerFlex7000型變頻器作為再生變頻器，不僅實現了對被測變頻器進行負載測試，而且將產生的電能回饋到電網中去，節約了一部分能源，最根本的是真正檢測了出廠變頻器的帶載能力和各項運行指標，從而驗證了產品的穩定性和可靠性，并且可以對現場可能出現的各種復雜工況進行模擬測試，來檢驗產品對復雜多變的現場環境的反應能力和適應能力。從某種意義上來說，負載測試為提高變頻器質量打下了堅實的基礎。
