基于变频电源的防爆高压变频器加载实验平台系统设计和应用

刘治强

摘 要： 叙述企业电网容量仅有630kVA，采用变频电源共直流母线方案，实现对AC3.3kV、6kV、10kV、功率最大至2.2MW级矿用隔爆兼本质安全型变频器加载实验系统。该系统采用PLC+上位机模式，采用以太网通信控制，包含供配电系统、变频电源系统、净化电源、电能质量测量系统、水冷系统、油冷系统等，实现对电动机和防爆变频器多种实验项目。

关键词：变频电源 ；功率分析儀；PLC；变频器； 以太网；滤波

矿用高压隔爆兼本质安全型大功率交流变频器比同等功率通用高压变频器设计、制造、测试、应用等要求高，难度大。目前不少防爆变频器生产商，其生产的防爆变频器输入电压为AC660V/1140V，功率等级1MW，已经不能满足煤矿大型用电设备的调速、生产工艺、节能的需求。制造防爆变频器厂家逐年递增，但大功率高压防爆变频器制造厂家寥寥可数，重要原因是高压防爆变频器投资巨大、研发周期长、技术门槛高、测试系统复杂等。我公司开发高压防爆变频器，其中就需要一套功能完善、测试精准的加载实验平台系统。

公司需要对生产的2.2MW功率级别的防爆高压变频器进行调速特性、压频比、正、反相序功能、速度稳定精度、显示功能、频率分辨率、轴功率测试、温升、过载、过压、欠压、EMC、漏电闭锁等等一系列实验项目，需要一个功能完整的大功率电机加载实验平台。公司电网改造前容量为315kVA，改造后也只能扩容到630kVA，而被测变频器功率为2.2MW，并且还会做1.2倍过载实验，峰值电网容量需求达3150kVA。如采用传统的交流电网电机对托实验平台方案，电网容量远不够加载实验需求。计算论证后，采用直接直流输入的逆变器与可控硅整流单元组成公共直流母线方案变频电源电机对托方案，在做电机、变频器试验时，电能在公共直流母线上形成循环，制动能量和驱动能量可以实现完美对接，快速交换，本测试台采用的是背靠背配置，即两台电机对拖，每台电机由各自变频器驱动，一台电机处于电驱动状态，另一台处于发电制动状态。电动与发电能量只在直流母线上交换，从电网上所需要及消耗的能量非常小，只需要提供变频器与电机运行所消耗的热量，以及电机需要克服的机械摩擦力、风阻等能量即可，因此，按照整个系统驱动能量的三分之一选择即可满足需要。

本系统设置了PLC控制柜、操作台、上位计算机、仪表柜、计量柜。采用西门子S7 1200 PLC作为控制器，PLC采集2台主变压器、3台主电机、变频电源、进线电源、水冷系统、电机油循环系统振动、温度、压力、电流、电压等信号，采集各开关柜、逆变单元、变频电源、变频器、变压器等状态，采集转矩转速等数据，利用逻辑程序判断数据是否异常，当发现异常情况时，采取相应措施保护系统不受损坏。PLC底层采用了Modbus和Prifbus DP通信，顶层采用Profinet与上位计算机通信，上位计算机采用西门子Wincc7.3制作的操作监控画面。本系统还通过公司网络将数据发布至全公司用户，可以在线访问运行画面和数据。

1 系统内主要设备选型

1.1 变频电源结构和选型计算

变频电源系统由进线柜、整流柜、逆变柜、均流电抗器柜、制动电阻柜5部分构成。网侧3相690VAC电源接入770A进线柜，经过1组710kW整流柜整流后通过共直流母线的形式连接2组2200kW逆变柜。实现功能：2组逆变柜其中1组当作被测高压变频器的电源输入，高压变频器拖动1台3300V/6000V/10000V电机，另外1组逆变柜拖动1台690VAC电机，2台电机通过联轴器进行机械连接，一台处于电动状态另一台处于发电状态，实现无功电流的循环，满足高压变频器的型式试验和出厂测试。

1.2 逆变器负载计算

1.2.1接LC滤波器输出的逆变器电流计算

两台逆变器并联时电机轴功率计算：

由公式1和公式2可得：

电机额定时对逆变器的输出电流需求计算如下：

以上时电源拖动2.2MW电机额定时的电流，下面计算几种应用工况的情况：

（1）1.2倍过载时电流

（2）电压下降到0.85倍的额定（3300Vac）时

对应的变频器输出电压需要下调至85%，即变频器输出电压为

（3）电压上升1.1倍的额定（3300Vac）时

考虑输出电压上升1.1倍的情况，设计变压器时，逆变器电压必须依照690/1.1倍设计，计算的为：

所以，计算的单台逆变器的最大输出电流为1327A。

1.2.2回馈用逆变器功率计算

两台逆变器并联时电机轴功率计算：

1.2倍过载时电流

所以，计算的单台回馈用逆变器的最大输出电流为1255A；

而回馈用逆变器的额定输出电流为1270A（额定条件，工作温度40℃），接LC滤波器输出的逆变器即差57A，回馈用的逆变器最大电流差12A。

因整流部分采用的是基本整流，母线电压相对较低（约970Vdc，设计按照1200Vdc），IGBT损耗会低于实际，所以可以使用。回馈用逆变器标配的是铝散热片，为进一步提升输出电流能力改用铜散热片。

故经过计算，变频电源由1台进线柜+1台整流柜+2台输入逆变柜+2台拖动逆变柜+1台制动单元这种方式组成，达到系统最优化配置。

1.3 正弦波滤波器选型

由于变压器要给被测变频器提供一个正弦波电源，而且变压器本身没有承受较高DV/Dt的能力，所以，在T2变压器的输出侧必须安装一个正弦波滤波器。

三相10kV600A输入滤波器选型依据：1）共模电感磁芯选用HP2 H152/104/19C，9个磁环叠加。线材选用200平方聚酰亚胺绕包线，磁环内部理论可绕12圈，那么共模电感为：

L=9*AL*N2=9*9.1*4*4=1310Uh=1.3mH

2）差模电容选用1uF/3000VAC薄膜电容器，两个并接，三个串接，再结成星型结构。对地电容采用20nF/10000VAC薄膜电容器，一端接星型点，一端接大地，那么对大地的共模电容约等于20nF。

3）根据电感电容值，可以算得150kHz理论衰减倍数为：

ω2LC=（2πf）2*L*C=（2*3.14*150*103）2*1.3*10-3*20*10-9=23.14

单机滤波可以衰减：

20lg23.14=20*1.36=27.2dB

三极滤波传导测试时共模理论可以衰减81dB。

a）纳米晶磁环虽然电感量更大，但是高频效果差，应对外界高频干扰时，HP2 H152/104/19C滤波效果更好，因此优先选用HP2 H152/104/19C。

b）电容越大，出现电网不平衡时，会造成漏电流增加，导致跳闸，因此尽量增加电感，减小电容，同时做好接地防护，防止发生触电事故。

2 系统电压控制

因矿用防爆兼本质安全型高压变频器涉及10%过压、-15%欠压、过负荷等试验，且要满足多电压等级的产品试验，系统内涉及到多种电压控制。

首先，进线配电室将10kV进线电源经过630kVA降压变压器变至AC380V电压，然后经过试验系统内630kVA升压T1变压器将电压变至AC700V±2.5%后進入变频电源，变频电源经过整流单元后，将电压整流为DC900V，提供给逆变单元，逆变单元将公共直流母线电源逆变为AC0-690V可调整连续交流输出，经过滤波后，进入系统内3150kVA升压T2变压器，T2变压器为多输入电压和多输出型变压器，计算过防爆变频器过压、欠压、过载、损耗、阻抗、系统压降等参数，T2变压器设置061kV和0.56kV输入端，设置3.3 kV±2.5%、6/10 kV±2×2.5%输出端，经过输入计量柜和EMC净化电源滤波器后，到系统内矿用3150kVA移动T3变压器，因测试防爆变频器为12脉波整流防爆变频器，故T3变压器需要10kV输入电压，经T3变压器输出2路AC2070V防爆变频器主电源和1路AC380V防爆变频器控制电源，防爆变频器拖动AC690V/2.2MW主电机当发电机，经变频电源逆变后变为DC900V直流电，送至公共直流母线，电能在公共直流母线上形成循环。

通过自动调节变频电源输出AC0-690V电压源输出，可模拟实际电网电压变化，对被测防爆变频器做过压、欠压、过载实验。

3 电能检测和计量

为计算被测防爆变频器的输入功率及损耗、效率，被测电机的参数均要进行测量，本试验系统配置一台功率分析仪完成数据检测任务，共配置6个功率测试（电压+电流）通道以及一个转矩转速测量通道。

该系统电压等级涵盖3.3/6/10KV，最高测试电压12kV，最大测试电流540A。主要测试项目包含三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位角、峰值电压、峰值电流、峰值因数、谐波测量、扭矩和转速。实现同步数据采集各测试通道，电压、电流参数可选择显示算术平均值avg、真有效值rms、校准平均值mean、基波有效值h01；功率根据需要可选择总有功功率Pavg，基波有功功率Ph01。

测量误差： U/I基本精度0.1%；P基本精度0.2%

本测试系统由4只12kV霍尔电压传感器、6只500A霍尔电流传感器、DT数字变送器6台、DM分布式测控系统一套（含DM双通道频率测试子站一台、DMC数字主机一台）、动态扭矩转速传感器一台、WP变频功率分析仪一台及扩展上位机数据采集软件一套构成。

变频器输入与输出侧的三相电参量（电压、电流）由霍尔传感器获取，三相电压由两表法进行测量（如图），6台DT数字变送器对霍尔传感器输出信号进行高精度采集（编号DT1-DT6），每台DT变送器可同时采集一相支路的电压和电流信号的各个瞬态特征值（幅值、频率、相位），采集数据在变送器内部数字化，由光纤传输至WP功率分析仪，被测高压电机的输出轴功率参量由扭矩、转速传感器获取后，输出频率信号由DM（编号DM1）进行采集，传输至DMC数字主机，DMC数字主机通过RS232接口与WP4000功率分析仪进行通讯。WP内置同步源，保障6台DT变送器和DM模块数据采集的同步性。同时，WP将变送器及DMC主机送来的数据进行运算分析，得出信号的稳态特征值显示在屏幕上。

4 PLC保护功能设计

因为实验加载平台是高压设备，设计了系统安全操作逻辑判断，如操作工人误操作，系统立即将判断错误点，切除高压真空接触器、急停变频电源等线路所有高压设备，如有严重故障，系统会紧急停机，总电源跳闸。设计了主回路高压漏电闭锁、接地故障、综合保护、油温、油压、电机振动、电机轴温、循环水温度、压力、流量监测、温度记录等保护功能，所有故障点排除后才允许加载实验运行。

5 实验平台系统应用效果

本实验平台实际可为多电压等级下矿用防爆变频器、通用高压变频器、或变频一体机和其他涉及逆变实验系统全部集成到总系统，实验系统可以模拟实际工况，模拟各类谐波，发出干扰、创造无功功率，可以记录、分析实验数据，并且将数据远传，为我司和其他公司技术人员提供第一手数据。

6 结语

本文描述了实验系统主要选型依据和功能，并且实际工程验证了该系统的正确性，可作为变频器电机实验负载平台的参考文献。