摘 要: 羅克韋爾PowerFlex7000變頻器在九洲中壓變頻實驗站測試系統(tǒng)中作為變流逆變器使用，由于本身屬于電流源型變頻器，具有四象限運行功能，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的回饋和對電機的制動，先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜多變的負(fù)載特性，在模擬電機負(fù)載方面起到了其他變頻器無可替代的作用，實現(xiàn)了變頻器出廠之前的滿負(fù)荷測試。
關(guān)鍵詞: PowerFlex7000，電流源型，矢量控制，能量回饋
ABSTRACT: A Rockwell PowerFlex7000 Variable Frequency Drive is used in JiuZHou Electric medium voltage drive test bay as the converter. Because of it belong to the current source drive, it has the function of the four quadrant, it can achieve the energy feedback and make the motor brake, and also has the advanced vector control technology, so it can achieve all kinds of load test, there are no other drives can replace it in simulate motor load. PowerFlex7000 drive has ability to achieve the full load test before the drive leave factory.
Key words: PowerFlex7000, Current Source Type, Control by vector, energy feedback
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源問題日益成為越來成為人們最關(guān)心的問題，能源分可再生資源和非可再生資源，當(dāng)非可再生資源越來越短缺的時候，如何節(jié)約能源，便是當(dāng)前最需解決的問題。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，由此在變頻器市場引發(fā)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(jù)一定的優(yōu)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(xiàn)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(chǎn)的PowerFlex7000型中壓變頻器作為實驗站主體，實現(xiàn)中壓變頻器在出廠前模擬現(xiàn)場完成滿負(fù)荷帶載測試。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
2.1 PowerFlex7000型變頻器電路結(jié)構(gòu)
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(jìn)的技術(shù)，嵌入了通信功能，在多平臺、網(wǎng)絡(luò)、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(biāo)準(zhǔn)的同步或異步交流電動機的速度、轉(zhuǎn)矩、方向、起動和停機。它適用于廣泛的標(biāo)準(zhǔn)和特殊應(yīng)用如風(fēng)機、泵、壓縮機、攪拌機、輸送機、窯爐、風(fēng)扇式泵和試車臺。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，它很容易實現(xiàn)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(fā)電機方式運行，當(dāng)電機以發(fā)電機工作方式時，能量可回饋電網(wǎng)，再生制動，這就為九洲中壓變頻實驗站進(jìn)行滿負(fù)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(jié)構(gòu)簡單，元器件數(shù)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?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(lián)，具有IGBT的全部優(yōu)點，并能阻斷雙方向的電壓，減少使用器件的數(shù)量，使驅(qū)動和吸收電路進(jìn)一步簡化，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)線電源首先經(jīng)過 AC LINE REACTOR （進(jìn)線交流電抗器），進(jìn)線側(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)線短路故障。然后進(jìn)入整流側(cè)，整流側(cè)是由SGCT或SCR（對于18脈沖）組成的整流器將交流變?yōu)橹绷鳎诮?jīng)過直流電抗器（DC link ）到逆變側(cè)，通過脈寬調(diào)制方式，將直流變成交流，再通過電機側(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。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(zhuǎn)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(diào)整轉(zhuǎn)矩使被測速度等于速度命令。電機和負(fù)載決定了定子頻率并使變頻器與電機同步，這與大多數(shù)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(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羅克維爾變頻器實現(xiàn)帶載測試原理
3.1負(fù)載測試的實現(xiàn)
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(jìn)一臺5000KW的電機，可進(jìn)行帶載測試達(dá)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(fù)載電機，由于電流型變頻器直流環(huán)節(jié)是電抗器而不是電容，并采用了對稱的功率器件，直流側(cè)電壓方向可以改變，因此可將電機電能回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)四象限運行。運行時負(fù)載電機作為再生電機，通過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，而且并不會對電網(wǎng)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(fā)電機運行，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足這一要求，它可以對電機提供激磁電流，較好的解決了發(fā)電機激磁問題。當(dāng)變頻器拖動M1或M2電動機旋轉(zhuǎn)時，M3電機與M1和M2同軸，所以M3電機的轉(zhuǎn)子也同時旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)生靜止磁場。當(dāng)M3轉(zhuǎn)子由M1或M2的轉(zhuǎn)子拖動旋轉(zhuǎn)時，其導(dǎo)體切割磁場便感應(yīng)電流并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子方向相反的電磁制動轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)制動，這樣所存儲的動能就轉(zhuǎn)換成電能。
當(dāng)能量回饋時，PowerFlex7000型變頻器的控制器將晶閘管的觸發(fā)角向后移動，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。該過程是通過PowerFlex7000電流控制塊功能實現(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。電流調(diào)節(jié)器的響應(yīng)由參數(shù)電流調(diào)節(jié)器帶寬，直流母線電感，和直流母線時間常數(shù)共同決定的。進(jìn)線整流器觸發(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PWM發(fā)生器輸出至電網(wǎng)，對電網(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(diào)整整流部分SGCT的觸發(fā)角，從而達(dá)到矯正波形和補償電網(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，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。
當(dāng)電機從正常運行，轉(zhuǎn)入制動運行時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩從與轉(zhuǎn)速同向變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速反向，電動機側(cè)逆變器將電動機發(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)器檢測到這一上升電流后，將觸發(fā)θ向后移動，使網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)入能量回饋狀態(tài)。通過調(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，來調(diào)節(jié)電動機的輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，便對M3電機轉(zhuǎn)子進(jìn)行了制動，從而相當(dāng)對M1或M2進(jìn)行制動，而M1或M2電機是由被測試變頻器驅(qū)動的，增加對M1和M2電機轉(zhuǎn)子的制動轉(zhuǎn)矩，便相當(dāng)于增加了M1和M2電機的負(fù)載，這樣就實現(xiàn)了對測試變頻器的帶載測試。根據(jù)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(dāng)于構(gòu)成了一個模擬負(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)矩的測量采用扭矩傳感器，轉(zhuǎn)矩的控制通過A-B公司RSLogix5000型PLC里的PID功能塊完成。模擬負(fù)載電機M3工作在發(fā)電狀態(tài)的時候發(fā)出的電經(jīng)過SGCT整流回饋到直流母線上。PowerFlex7000型變頻器本身帶有VSBL（進(jìn)線電壓反饋板）用來檢測和反饋進(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)檢測到的電網(wǎng)參數(shù)通過控制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)載特性實驗
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。各個客戶端可以對PowerFlex7000型變頻器進(jìn)行實時的狀態(tài)監(jiān)測和控制，并對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和保存。圖5為九洲中壓變頻實驗站系統(tǒng)原理圖。
圖5 變頻實驗站系統(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)，通過計算機軟件和PLC程序可以利用PowerFlex7000型變頻器進(jìn)行各種負(fù)載特性實驗，比如與電機速度成正比例的負(fù)載特性試驗；與電機速度平方成比例的負(fù)載特性試驗；階梯仿真負(fù)載特性試驗；用戶自定義負(fù)載特性試驗等等。圖6是羅克維爾變頻器對電機進(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
PowerFlex7000型變頻器作為再生變頻器，不僅實現(xiàn)了對被測變頻器進(jìn)行負(fù)載測試，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了出廠變頻器的帶載能力和各項運行指標(biāo)，從而驗證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，并且可以對現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬測試，來檢驗產(chǎn)品對復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境的反應(yīng)能力和適應(yīng)能力。從某種意義上來說，負(fù)載測試為提高變頻器質(zhì)量打下了堅實的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 羅克韋爾POWER FLEX7000技術(shù)手冊， 羅克韋爾公司 2004
[2] 倚鵬 高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用， 人民郵電出版社 2008.2
[3] 葉雙，郭耀華 變頻器在電機測試平臺的應(yīng)用 電機與控制應(yīng)用 2007，07
作者簡介：
于明濤（1982-），男， 本科， 工程師， 現(xiàn)在在九洲電氣中壓變頻實驗站從事對九洲POWERSMART電壓源型變頻器和羅克韋爾POWERFLEX7000電流源型變頻器調(diào)試檢測工作。
