矿用电动机及变频器加载试验台的设计

2020-01-13张宇光

煤矿机电 2019年6期

张宇光

(中国煤炭科工集团上海有限公司，上海 201401)

0 引言

近年来，煤矿企业的电气化、智能化愈加成熟，采煤机、掘进机、带式输送机等相关机电设备也在不断地进行升级改造。而作为矿用电动机以及其相对应的变频器核心元件，其性能直接关系到整台设备的正常、高效运行。上海检测中心电气检测所担负着国家矿用机电产品的性能检测,但目前暂不具备1 140 V电压等级、630 kW以上的变频器和电动机的检测能力。为了提升检测中心的试验能力，研制了一套稳定、先进的加载试验系统。

1 加载试验系统的原理和特点

1.1 系统原理

新研制的1 200 kW矿用防爆变频装置加载试验台(以下简称试验台)是变频器测试的基础，其工作原理是将交流电动机发出的交流电,经变频器逆变为交流电上网,通过控制系统调节加载电动机的上网电流来控制加载电动机的转速和扭矩，与测控系统配套使用，除了可对各种旋转动力机械的转速、扭矩进行测量和控制外，还可对温度、压力、流量、电流、电压等参数进行测量和控制。按照GB3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》要求，矿用防爆变频装置的各项试验必须和与之配套的变压器和电动机形成整体调速系统进行检验评定，试验台具备380 V、660 V、1 140 V，1 200 kW试验容量的矿用防爆变频器加载装备。实现数据的精确采集、通信控制、设备的集控及报告分析，形成了防爆变频装置的安全测试评价加载用装备。

1.2 系统特点

本系统实现了对1 200 kW及以下变频设备进行标准所规定的检测项目，防爆变频装置试验系统的完成，形成防爆变频装置、电动机及其电气部件、配套系统的性能检测，包括温升、转矩、效率、启制动、负载特性、振动噪声、绝缘性能等检测项目。对1 200 kW交流变频转矩-转速四象限进行性能测试，在零转速到100%最大转速范围内稳定加载。该测试系统具备以下特点：

1) 1 200 kW加载实现能量反馈，从运行可靠性、稳定性、方便维护性、经济性等方面考虑选择能量反馈方案，采用四象限变频器，通过内部参数设置将加载机产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，达到节能作用。

2) 加载特性的实现从零转速至100%最大转速，并满足单机或双机的加载要求。试验台加载特性从零转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为恒功率特性，符合动力机械的负载特性。

2 系统组成

该系统分为加载系统、控制系统和数据采集处理系统等几大单元，主要对电动机和变频器的特定参数进行分别测量，其加载系统精确控制电动机的速度和转矩；控制系统和数据采集处理系统采用含有现场总线的DCS系统；另外系统配有辅助供电系统。

2.1 加载系统

电气传动基本工作原理从试验电源接入被试变频器(被试电机)，驱动电动机(被试电机)输出轴通过联轴节带动扭矩仪再拖动负载电动机作发电运转，发出电能通过有馈网功能的负载变频器反馈到电网。使整个系统能量形成内部循环反馈过程。变频器采用IGBT作为功率元件。整个系统的能量反馈可达到80%以上。系统框架如图1所示。

加载系统为变频控制系统，用于控制加载电动机，对加载电动机的电能回馈至内部电网，完成内部电能循环。采用闭环控制，提供精确快速的速度和转矩响应。整个加载系统配置专用的LCL滤波系统，在具有四象限加载能力的同时，保证对电网的谐波影响在2%以内，不对其他用电设备造成影响。加载电动机为变频器专用的660 V，1 400 kW变频调速三相异步电动机，采用F级绝缘材料，配套独立的散热系统和防潮装置。为了防止变频器的谐波电流对电动机轴上的击穿，安装消除谐波电流装置。加载系统工作方式包括：

1) 电压断电时的运行。加载系统可以利用正在旋转的电动机的动能继续运行，只要电动机旋转并产生能量，加载系统将继续运行。

图1 传动系统

2) 零速满转矩。加载系统可以实现在电动机零速的时候达到额定转矩。

3) 启动转矩大。最大启动转矩可以达到200%的电动机额定转矩。

4) 精确速度控制。加载系统的动态转速误差在闭环控制下为0.1%。在静态的精度可以达到0.01%。

5) 精确转矩控制。动态转矩捷越响应时间为1～5 ms。数字量给定转矩精度小于0.1%。

主动力系统由实验室专用10 kV母线经2 000 kVA变压器转为660 V出线，660 V配电系统采用一进两出配电柜，分别供给加载变频器和供电调压器的输入侧。在进行电动机试验时，由于被试电动机功率较大，需要进行降压启动；而变频器电压适应性测试也需要对电压进行带载调整。系统采用300～1 400 V，2 000 kVA的调压器，实现多电压可调。ACS880系列四象限加载变频器原理如图2所示。

2.2 控制系统

2.2.1 集散式模块化的控制方式

整个控制系统采用以太网络互联。PLC作为系统的前端控制器，接受计算机发出的命令，进一步控制加载系统。除此之外，利用其模拟量模块采集试验的温度数据。计算机作为后台数据处理的集散系统控制方式，利用监控软件，对试验过程自动实时监控，同时利用试验分析程序对试验数据进行采集、分析和出具试验报告。试验的全过程具有机械以及传感器多重安全保护，每一步的试验过程状态都有实时动态的显现，可直观了解试验进程状况。

图2 四象限加载变频器原理

2.2.2 软件系统

软件系统主要包括系统监控程序以及数据采集和处理专用程序，两套程序独立工作，互不影响。

试验软件采用工控机通过数据总线和服务器及测量仪表(温度巡检仪、电参数测量仪、转矩转速测量仪等)通信，根据测试需求自动采集试验数据如电压、电流、功率、功率因数、转矩、转速、温度等，并根据试验项目及相关设置存储和处理报告，绘制曲线并自动生成试验报告。软件符合GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》和GB/T22670—2008《变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》等国家标准的规定,能够完成变频器和电动机的型式试验。

监控软件采用TIA PROTAL软件绘制，配合西门子S71500PLC将系统上设备的电压、电流和温度等状态采集并显示到界面中，方便用户监控和操作。

图3、图4分别为系统监控程序以及数据采集和处理专用程序的人机界面图。

2.3 数据采集系统

测量系统由高精度的仪表和传感器组成,见图5。由于系统要对电动机及变频器的各个性能做出精确分析，故整个系统对精度要求较高，除电量仪表需要非工频电量仪表，精度须达到0.01%以外，转矩转速传感器的精度也需要达到0.05%。根据试验要求要求，将系统测量带宽定为0.1～2 600 Hz，系统含有高级波形分析功能，可以在0.1～2 600 Hz范围内测量谐波失真因数和谐波成分。具备快速傅里叶变换，可以分析和显示波形的各个频率成分，也可以显示除整数倍基波以外的信号成分。

图3 系统监控程序人机界面

图4 数据采集和处理专用程序人机界面

图5 控制及数据采集系统

3 系统的技术关键

3.1 被试电动机启动方式

尽管被试电动机启动已采取了采用调压器降压启动，减小了电动机启动时对电网的冲击，但如果被试电动机功率太大直接启动时,仍有可能对电网或对机械联接冲击过大,故可以通过设置变频器参数，使变频器首先工作在驱动状态下，利用变频器的四象限性能先启动加载电动机，用加载电动机拖动被试驱动电动机转到接近额定转速时，将变频器切换至加载模式，但加载量设为0，此时整个机械系统处于自由旋转模式，在这种情况下启动被试电动机，可最大限度地对电网和机械联接起到保护作用。

3.2 变频器程序设置

加载变频器作为整个试验系统的核心装置，起到了极其重要的作用,故变频器的程序设置就显得尤为重要。若程序设置不对，则会导致台位工作不正常。该系统的变频器为ACS880系列，对其进行适当的程序控制，可实现加载电动机对被试件的自动加载功能[1]。

ACS880变频器具有多种加载控制模式，有DTC控制，也有速度控制。DTC控制无疑扭矩控制精度更高,但作为四象限控制，当其工作在反馈试验时，若此时驱动端突然掉电，极有可能在一个大扭矩下引起“飞车”事故,故在存在反馈试验的四象限变频器加载试验时，此控制模式并非首选。这里选择速度控制，为了弥补速度控制的精度缺陷，增加速度编码器反馈，可以使控制更加精确。

ACS880系列变频器包含速度环和电流环。在进行试验时,加载变频器速度可设为任意一个值,以保证其最大速度不超过设定值。可以利用驱动电动机和加载电动机的速度差来进行加载,如果加载电动机的转速小于驱动电动机的转速，则被试件做加载试验；如果加载电动机的转速大于驱动电动机的转速且方向相同，则被试件做反馈试验。若方向相反，被试件依旧做加载试验，但此时若加载量过大，可能出现驱动电动机被加载电动机拉停进而反转的情况,故试验时必须保证驱动电动机与加载电动机转向一致。

基于以上原理，当进行加载试验时，将速度给定值设定为0，这样只要电动机在运转，就能实现加载，而不用考虑电动机的转向。

当进行反馈试验时，情况较为复杂。需要通过速度编码器来判断驱动电动机的转向。当驱动电动机正转时，通过PLC将变频器速度设定为20 000；当驱动电动机反转时，通过PLC将变频器速度设定为-20 000；由于变频器速度有正负之分，故加载方向只需与电动机转向相同即可,这样，只要被试件在运行，就很容易实现反馈加载。但具体的加载量其实是变频器的电流限制量，当将电流值限制的比较小时，可实现小功率加载；当慢慢放开电流限制值时，加载量会慢慢增大,见图6。