中压变频器应用于九洲电气中压变频器实验站

 

    1  引言

    罗克韦尔PowerFlex7000变频器在九洲中压变频实验站测试系统中作为变流逆变器使用，由于本身属于电流源型变频器，具有四象限运行功能，能够实现能量的回馈和对电机的制动，先进的矢量控制技术，可以实现各种复杂多变的负载特性，在模拟电机负载方面起到了其他变频器无可替代的作用，实现了变频器出厂之前的满负荷测试。

    哈尔滨九洲电气与美国罗克韦尔公司合作共同建立了亚洲的中压变频实验基地——哈尔滨九洲中压变频实验站，能够完全实现中压变频器出厂前的满载测试，满足不同用户的实际需求。哈尔滨九洲变频实验站采用的是罗克韦尔自动化公司生产的PowerFlex7000型中压变频器作为实验站主体，实现中压变频器在出厂前模拟现场完成满负荷带载测试。有效的保证了变频器的质量。

    2  PowerFlex7000型变频器的结构与特点

    2.1 PowerFlex7000型变频器电路结构

    PowerFlex7000是罗克韦尔自动化公司的第三代中压变频器。它的PowerFlex系列变频器融合了先进的技术，嵌入了通信功能，在多平台、网络、操作员界面编程和硬件方面具有强大的通用性。PowerFlex 7000是通用的独立式中压变频器，可以控制标准的同步或异步交流电动机的速度、转矩、方向、起动和停机。

    PowerFlex7000型变频器不同于世界上其他厂家生产的中压变频器，它是世界上的电流源型中压变频器，根据电流源型变频器的技术特点，它很容易实现四象限运行，比电压源型变频器控制更加简单，可靠。电机可以正反方向以电动机或发电机方式运行，当电机以发电机工作方式时，能量可回馈电网，再生制动，这就为九洲中压变频实验站进行满负荷测试实验提供了可能。

    PowerFlex7000型变频器属于电流型中压变频器，它具有结构简单，元器件数量少，四象限运行，同时具有矢量控制功能等特点。

    图1中所示的是PWM控制方式的无输入变压器的电流型变频器的电路拓扑结构图。

　　图1 电流型变频器电路拓扑图

　　电路结构为交-直-交型，功率器件采用对称门极换流晶闸管（SGCT），对于6KV电压等级的变频器，每个桥臂采用3只耐压为6500V的SGCT串联，具有IGBT的全部优点，并能阻断双方向的电压，减少使用器件的数量，使驱动和吸收电路进一步简化，性能更加优越。

　　2.2 PowerFlex7000型变频器的工作原理 

　　PowerFlex7000型变频器电路部分，分为高压主回路部分和低压控制回路部分。高压主回路功率单元部分也分两部分，整流侧（Rectifiers）和逆变侧。

　　PowerFlex7000变频器是通过控制电机的转矩来控制电机速度的，通过计算和测量电机速度，并按要求调整转矩使被测速度等于速度命令。电机和负载决定了定子频率并使变频器与电机同步，这与大多数V/F控制的交流变频器形成了对照，V/F控制的变频器是变频器决定定子频率并且不能使输出与电机同步。PowerFlex7000的控制方式是直接矢量控制。术语矢量控制表明定子电流矢量的位置是相对于电动机磁通矢量而控制的。直接矢量控制意味着电机磁通可以测量，这与多数通用的间接矢量控制不同，间接矢量控制中电机的磁通是估算的。两种控制算法中，定子电流被分解为可以独立控制的磁通分量  和 正交转矩分量  ，矢量控制的目的就是获得与直流电动机相似的性能，可以快速改变转矩而不影响磁通。 图2 为 powerflex7000控制系统功能块图。                   

           

　　图2  powerflex7000系统功能块图

　　3  罗克维尔变频器实现带载测试原理 

　　3.1负载测试的实现 

　　九洲中压变频实验站共有三台测试电机，一台1000KW，两台2000KW，电压等级分别是6000V和10000V，未来还要引进一台5000KW的电机，可进行带载测试达到5000KW。三台电机由连轴器连接成同轴电机，其中两台作为待测变频器测试电机，另外一台与A-B PowerFlex7000型变频器相连做负载电机，由于电流型变频器直流环节是电抗器而不是电容，并采用了对称的功率器件，直流侧电压方向可以改变，因此可将电机电能回馈电网，实现四象限运行。

    运行时负载电机作为再生电机，通过A-B变频器将产生的电能逆变回馈到电网，节约了一部分能源，而且并不会对电网造成污染，所以称为再生变频器。九洲变频实验站主回路原理如图3所示

　　图3  实验站主回路原理图

　　当能量回馈时，PowerFlex7000型变频器的控制器将晶闸管的触发角向后移动，整流器进入有源逆变状态，向电网回馈能量。该电流源型变频器采用了更加的矢量控制PWM整流控制算法，以提高网侧功率因数并降低网侧谐波。该过程是通过PowerFlex7000电流控制块功能实现的。 

　　电流控制块的主要功能是确定输入端整流器和输出端逆变器触发角的大小。其输入是分别来自速度控制块和磁通控制块的直流母线电流命令值中的转矩分量和磁通分量，以及来自进线整流器反馈的直流母线电流和输入电压。 命令值和 命令值的平方和的平方根即为直流母线电流命令值，从直流电流基准值中减去测得的直流电流反馈值，即为直流电流误差，它也是电流调节器的输入信号。图4为电流控制模型。

　　图4 电流控制

　　Powerflex7000的PWM整流控制算法将电流控制块计算得到的网侧直流电流给定值与一般设为零的网侧交流电流给定值进行同步坐标反变换后，得到网侧逆变器的三相电流给定值，并直接通过PWM发生器输出至电网，对电网电流进行的控制。理想情况下可以将网侧功率因数提高到1左右，并限度地降低网侧谐波。 

　　通过上述可知，M3电机与PowerFlex7000型变频器相当于构成了一个模拟负载。PowerFlex7000型变频器采用的是直接转矩控制可以根据设定值输出转矩而不受速度限制。转矩的测量采用扭矩传感器，转矩的控制通过A-B公司RSLogix5000型PLC里的PID功能块完成。模拟负载电机M3工作在发电状态的时候发出的电经过SGCT整流回馈到直流母线上。PowerFlex7000型变频器本身带有VSBL用来检测和反馈进线电网电压的电压，相位，功率因数等参数。PowerFlex7000型变频器的CIB板可以根据检测到的电网参数通过控制SGCT的占空比和频率把直流电逆变成和电网本身完全同相位同频率的交流电回馈到电网。

　　3.2 PowerFlex7000型变频器的通讯与负载特性实验 

　　PowerFlex7000型变频器与其他设备进行通讯采用的是CONTROLNET通讯方式，组态软件应用的是RSView SE Client组态软件。图5为九洲中压变频实验站系统原理图。

　　图5 变频实验站系统原理图

　　由于PowerFlex7000型变频器采用的是先进的矢量控制系统，通过计算机软件和PLC程序可以利用PowerFlex7000型变频器进行各种负载特性实验；与电机速度平方成比例的负载特性试验；阶梯仿真负载特性试验；用户自定义负载特性试验等等。图6是罗克维尔变频器对电机进行阶梯负载控制界面。

　　图6 阶梯负载仿真界面

　　4   结语 

　　PowerFlex7000型变频器作为再生变频器，不仅实现了对被测变频器进行负载测试，而且将产生的电能回馈到电网中去，节约了一部分能源，根本的是真正检测了出厂变频器的带载能力和各项运行指标，从而验证了产品的稳定性和可靠性，并且可以对现场可能出现的各种复杂工况进行模拟测试，来检验产品对复杂多变的现场环境的反应能力和适应能力。从某种意义上来说，负载测试为提高变频器质量打下了坚实的基础。