1  引言

    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，先進的矢量控制技術(shù)，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜多變的負載特性，在模擬電機負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荷測試。

    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，可以控制標準的同步或異步交流電動機的速度、轉(zhuǎn)矩、方向、起動和停機。

    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(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撲結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 電流型變頻器電路拓撲圖

　　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)。

　　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(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

　　當能量回饋時，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(diào)節(jié)器的輸入信號。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)交流電流給定值進行同步坐標反變換后，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)電流進行的控制。理想情況下可以將網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到1左右，并限度地降低網(wǎng)側(cè)諧波。 

　　通過上述可知，M3電機與PowerFlex7000型變頻器相當于構(gòu)成了一個模擬負載。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用來檢測和反饋進線電網(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載特性實驗 

　　PowerFlex7000型變頻器與其他設(shè)備進行通訊采用的是CONTROLNET通訊方式，組態(tài)軟件應(yīng)用的是RSView SE Client組態(tài)軟件。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型變頻器進行各種負載特性實驗；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(jié)語 

　　PowerFlex7000型變頻器作為再生變頻器，不僅實現(xiàn)了對被測變頻器進行負載測試，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，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(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，負載測試為提高變頻器質(zhì)量打下了堅實的基礎(chǔ)。