淺談變頻器的電氣試驗與測試儀表(一)

　　一、引言

　　交流變頻調(diào)速是集電力電子、自動控制、微電子學(xué)和電機學(xué)等技術(shù)之精華的一項高新技術(shù)，自問世以來倍受矚目。它以優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果和廣泛的適用性而被國內(nèi)外公認為世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案。隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展, 變頻技術(shù)得到了迅速提升, 應(yīng)用日漸廣泛。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、輸出轉(zhuǎn)矩、智能控制、節(jié)約電能等方面的優(yōu)異性能，是其它交流調(diào)速方式無法比擬的，特別是在節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備的效率方面, 獲得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　二、變頻技術(shù)的發(fā)展

　　隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來。由于換向器的存在，直流電機的維護量加大，單機容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的異步電動機。但異步電動機的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)的需要。于是，從20世紀30年代開始，人們致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進展緩慢。在相當長的時期內(nèi)，直流調(diào)速一直以其優(yōu)異的性能統(tǒng)治著電氣傳動領(lǐng)域。20世紀60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速媲美。目前，交流調(diào)速已進入逐步代替直流調(diào)速的時代。

　　20世紀80年代, 脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM —VVV F) 調(diào)速研究引起了人們的高度重視， 并得出諸多優(yōu)化模式, 其中以鞍形波PWM 模式效果最佳。20 世紀80年代后半期開始, 美、日、德、英等發(fā)達國家的VVV F 變頻器已投入市場并廣泛應(yīng)用，但它的靜態(tài)調(diào)速精度較差。

　　之后出現(xiàn)的轉(zhuǎn)差頻率控制變頻是根據(jù)速度傳感器的檢測, 可以求得轉(zhuǎn)差頻率△f , 再把它與速度設(shè)定值f相疊加,以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值f1 , 實現(xiàn)轉(zhuǎn)差補償。與VVV F 相比, 其高速精度大為提高。但是, 使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差頻率, 要針對具體電動機的機械特性調(diào)整控制參數(shù), 因而這種控制方式的通用性較差。

　　矢量控制變頻技術(shù)的做法是: 根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型, 利用坐標變換的手段, 將交流電機的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流, 并分別加以控制, 即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進行控制, 以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義，然而在實際應(yīng)用中, 由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確檢測, 系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大, 且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。

　　1985年, 德國魯爾大學(xué)的DePenb rock 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足, 并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制變頻是利用空間電壓矢量PWM 控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)的。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機, 因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制, 也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。

　　矩陣式交-交變頻, 省去了中間直流環(huán)節(jié), 從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l, 輸入電流為正弦且能四象限運行, 系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟, 但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

　　三、變頻技術(shù)的應(yīng)用

　　變頻技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾個方面：

　　3.1 節(jié)能

　　我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風(fēng)機、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當風(fēng)機、水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20％～50％。與此類似, 許多變動負載電機一般按最大需求來設(shè)計,設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。如采用變頻調(diào)速, 可大大提高輕載運行時的工作效率。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。

　　作為節(jié)能目的, 變頻器廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調(diào)、水處理等行業(yè)中。以電力行業(yè)為例, 由于中國大面積缺電, 電力投資將持續(xù)增長,同時, 國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求, 降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點, 因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿? 變頻器的節(jié)能應(yīng)用前景非常廣闊。

　　3.2 工藝控制(速度控制)

        由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點, 在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中, 變頻器正在發(fā)揮著提高工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。以紡織行業(yè)為例, 中國具有世界最大的紡織產(chǎn)品生產(chǎn)能力, 市場范圍遍及全球, 產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大。紡織與化纖行業(yè)也是變頻器應(yīng)用最多的行業(yè)。在最常見的化纖機械設(shè)備中, 選用變頻器的設(shè)備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。選用變頻器較多的棉紡設(shè)備主要有細紗機、粗紗機、精梳機等。這些設(shè)備都要求精確速度控制、多單元同步傳動或比例同步(牽伸) 傳動等。應(yīng)用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量, 同時減輕工人的勞動強度, 提高生產(chǎn)效率?？梢哉f, 變頻器是紡織行業(yè)增強國際競爭能力的重要裝備。

　　此外, 在食品、飲料、包裝、造紙、機床、電梯等行業(yè), 國內(nèi)的企業(yè)需要擴大生產(chǎn)規(guī)模, 提高生產(chǎn)技術(shù), 變頻器的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Χ疾豢尚∮U。

　　3.3 軟啟動

　　交流電動機的啟動電流一般為5-7倍額定電流，如果直接啟動會對電網(wǎng)引起沖擊，影響同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常運行。另外巨大的啟動電流對電動機和機械設(shè)備也會造成嚴重的電磁應(yīng)力和機械應(yīng)力，縮短設(shè)備的使用壽命，因此電力系統(tǒng)希望能夠軟啟動（特別是高壓大容量電動機）。某些加工機械，例如自動流水生產(chǎn)線（瓶、罐包裝線，輸送機等），要求平穩(wěn)啟動和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現(xiàn)象，也希望軟啟動和軟停止（最好是“泵控特性”專用的軟啟動和軟停止）。

　　變頻器可以調(diào)整通過輸出電壓的頻率，從低頻開始，一直調(diào)到額定頻率，從而實現(xiàn)電機的軟啟動/停止，降低啟動/停止沖擊。

　　3.4 變頻家電

　　在普通家庭中, 節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來越多的關(guān)注, 變頻家電成為變頻技術(shù)應(yīng)用的另一個廣闊市場。它在節(jié)能、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度、延長使用壽命等方面有很大的優(yōu)勢。以變頻微波爐為例, 它是以變頻器替代了傳統(tǒng)微波爐內(nèi)的變壓器, 變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉(zhuǎn)換成為20000～ 45000Hz 的高頻率, 通過改變頻率來得到不同的輸出功率, 解決了傳統(tǒng)微波爐加熱不均勻的弊端, 實現(xiàn)了真正意義上的均勻火力調(diào)控。除此之外, 與傳統(tǒng)微波爐相比, 變頻微波爐還具有機身輕巧、噪音小、烹飪速度快、節(jié)電等特點。

　　目前, 中國是世界上最主要的家電供應(yīng)國, 但家電采用變頻器的比例很低, 而在日本, 90% 以上的家電是變頻控制。因此, 變頻家電具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　四、變頻器的試驗要求

　　近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)在我國有了突飛猛進地發(fā)展，我國的變頻器產(chǎn)業(yè)從無到有不斷壯大，發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有大大小小的變頻器生產(chǎn)廠70多家，年銷售額在7億元左右，但這只占全國變頻器市場容量的一小部分，80%~90%的國內(nèi)市場被各種國外變頻器所占領(lǐng)。回顧我國變頻器的發(fā)展歷程，結(jié)合我國國情開發(fā)出性能優(yōu)越、適銷對路的產(chǎn)品，逐步擴大市場份額，是國人的期盼。而市場經(jīng)濟是依靠法規(guī)形式來規(guī)范、協(xié)調(diào)市場行為的，標準也將作為法律、法規(guī)的技術(shù)支撐來參與規(guī)范和調(diào)控市場。只有及時地了解先進標準的發(fā)展水平，制定符合我國國情的標準，提高企業(yè)的標準化意識，才能提高產(chǎn)品質(zhì)量，推進行業(yè)的發(fā)展和進步。

　　全國電力電子學(xué)調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)半導(dǎo)體電力變流器標準化技術(shù)委員會是在國內(nèi)外電氣傳動調(diào)速產(chǎn)品迅速發(fā)展的形勢下于2000年成立的，秘書處掛靠在天津電氣傳動設(shè)計研究所，負責(zé)國家電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的標準化技術(shù)工作的組織及歸口，涉及的產(chǎn)品主要是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)工業(yè)交直流電氣傳動設(shè)備。目前已制訂了6項電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)的國家及行業(yè)標準：GB/T3886.1-2002、JB/T10251-2001、GB/T12668.1-2003、GB/T12668.2-2003、GB/12668.3-2004、GB/T12668.4。此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在進行最后階段的審批。

　　變頻器的試驗類型包括型式試驗、出廠試驗、抽樣試驗、選擇試驗、車間試驗、驗收試驗、現(xiàn)場調(diào)試試驗、目擊試驗。

1） 型式試驗：對按照某一設(shè)計制造的一個或數(shù)個部件進行的試驗，用于說明該設(shè)計滿足特定的技術(shù)要求。
2 ） 出廠試驗：在制造期間或制造之后對各個部件進行的試驗，用于確定其是否符合某一準則。
3） 抽樣試驗：在一批產(chǎn)品中隨機抽取的一些部件上進行的試驗。
4） 選擇試驗：除型式試驗和出廠試驗之外，按照制造廠之意，或經(jīng)過制造廠和用戶或其代理人協(xié)商而進行的試驗。
5） 車間試驗：為了驗證設(shè)計，在制造廠的實驗室里對部件或設(shè)備進行的試驗。
6） 驗收試驗：合同上規(guī)定的、用以向用戶證明該部件滿足其技術(shù)規(guī)格中某些條件的試驗。
7） 現(xiàn)場調(diào)試試驗：在現(xiàn)場對部件或設(shè)備進行的試驗，用于驗證安裝和運行的正確性。
8） 目擊試驗：在客戶、用戶或其代理人在場的情況下進行的上述任何一種試驗。
驗項目見表4-1：

　　表4－1

　　其中電氣試驗方面主要的是測量變頻器的輸入、輸出值，主要包括以下幾個值：

　　1）輸入值
                  ──額定輸入電壓；
                  ──額定輸入電流；
                  ──輸入頻率；
                  ──額定容量；
                  ──有功功率；
                  ──功率因數(shù)；
                  ──相數(shù)；
                  ──輸入各次諧波；
                  ──輸入總失真度。

　　2）輸出值
                  ──最大額定輸出電壓；
                  ──額定連續(xù)電流；
                  ──額定功率；
                  ──頻率范圍；
                  ──過載能力（過載能力適用于額定的轉(zhuǎn)速范圍）；
                  ──輸出各次諧波；
                  ──輸出總失真度；
                  ──相數(shù)；
                  ──輸出相序。

　　3）效率

　　在設(shè)計的頻率范圍內(nèi)，各個頻率下的效率。