四種變頻器負(fù)載試驗方法的分析

1引言

隨著國內(nèi)變頻器技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器生產(chǎn)廠家的迅速崛起，變頻器的應(yīng)用大戶、制造廠家迫切需要變頻器性能測試，優(yōu)化加載設(shè)備。如何選擇有效的測試機(jī)組成為一個值得研究的課題。

2滑差電機(jī)原理介紹由于以下的內(nèi)容中，多用到電磁調(diào)速異步電動機(jī)，俗稱滑差電機(jī)，因此，有必要對滑差電機(jī)的原理做一個簡單的介紹。電磁調(diào)速異步電動機(jī)是由普通鼠籠式異步電動機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機(jī)作為原動機(jī)使用，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時帶動離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。圖1是電磁滑差離合器結(jié)構(gòu)示意圖，包括電樞、磁極和勵磁線圈三部分。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結(jié)構(gòu)，它與鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連接，俗稱主動部分;磁極做成爪形結(jié)構(gòu)，裝在負(fù)載軸上，俗稱從動部分。主動部分和從動部分在機(jī)械上無任何聯(lián)系。當(dāng)勵磁線圈通過電流時產(chǎn)生磁場，爪形結(jié)構(gòu)便形成很多對磁極。此時若電樞被鼠籠式異步電動機(jī)拖著旋轉(zhuǎn)，那么它便切割磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，于是從動部分的磁極便跟著主動部分電樞一起旋轉(zhuǎn)，前者的轉(zhuǎn)速低于后者，因為只有當(dāng)電樞與磁場存在著相對運(yùn)動時，電樞才能切割磁力線。磁極隨電樞旋轉(zhuǎn)的原理與普通異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子跟著定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動的原理沒有本質(zhì)區(qū)別，所不同的是:異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交流電產(chǎn)生，而電磁滑差離合器的磁場則由勵磁線圈中的直流電流產(chǎn)生，并由于電樞旋轉(zhuǎn)才起到旋轉(zhuǎn)磁場的作用。

圖1電磁滑差離合器基本結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與離合器的電磁轉(zhuǎn)矩相等。當(dāng)負(fù)載一定時，勵磁電流的大小決定從動部分轉(zhuǎn)速的高低，勵磁電流愈大，轉(zhuǎn)速愈高;反之，勵磁電流愈小，轉(zhuǎn)速就愈低。根據(jù)這一特性，可以利用電氣控制電路非常方便地調(diào)節(jié)從動部分的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

3單臺滑差電機(jī)堵轉(zhuǎn)法本方法是直接采用單臺滑差電機(jī)，將滑差電機(jī)主軸輸出(圖1所示)，通過機(jī)械與機(jī)座硬連接，此時，輸出主軸的速度一直為零。通過在勵磁線圈上加載直流電壓來調(diào)節(jié)勵磁電流的大小和輸出轉(zhuǎn)矩大小，從而用于調(diào)節(jié)負(fù)載的大小，如圖2所示。

圖2單臺滑差電機(jī)堵轉(zhuǎn)法示意圖

該方法需要用戶自備一個0~60~90v/2~8a(最大)的直流可調(diào)電壓源。如果無合適的電源，可以采用調(diào)壓器加整流濾波電路來實現(xiàn)，如圖3所示。另外，由于購買滑差電機(jī)的時候，一般附帶了調(diào)速器，因此可以通過取消原滑差電機(jī)調(diào)速器中的電壓閉環(huán)控制部分改制成單相scr調(diào)壓電路來實現(xiàn)。但是這種方法的缺點是電壓輸出為非線性，在起始段，輸出電壓變化緩慢，加載較慢，在高輸出電壓的時候，輸出電壓變化較快，負(fù)載調(diào)整比較困難。

圖3直流勵磁電壓產(chǎn)生電路—調(diào)壓整流電路圖

該方法的優(yōu)點是簡單，成本低，適用于中小功率變頻器中高速加載試驗場合。由于通過勵磁不能夠?qū)崿F(xiàn)快速的加卸載，故不能實現(xiàn)動態(tài)性能的測試，也不能實現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)的性能測試。另外，由于低速時，滑差電機(jī)滑差頭相對運(yùn)行速度低，不能夠?qū)崿F(xiàn)低速加載。

4兩臺異步電機(jī)通過滑差電機(jī)對拖法本方法是采用一臺滑差電機(jī)與另外一臺異步電機(jī)同軸連接,兩臺電機(jī)可以通過兩臺變頻器分別來驅(qū)動,如圖4所示。

圖4兩臺異步電機(jī)通過滑差電機(jī)對拖法示意圖

本方法可以通過在勵磁線圈上加載直流電壓來調(diào)節(jié)負(fù)載大小，也可以通過調(diào)節(jié)兩臺電機(jī)的相對速度來調(diào)整負(fù)載大小。即可以實現(xiàn)反向電動運(yùn)行的加載，也可以實現(xiàn)同相發(fā)電運(yùn)行的加載。由于存在相對速度，相比以上三種單滑差電機(jī)的方案，可以實現(xiàn)零速或者低速的加載。缺點是由于滑差電機(jī)加載采用電磁感應(yīng)和滑差實現(xiàn)，加載響應(yīng)速度慢，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速加載，因此還不能夠滿足高精度、快速的性能測試。

5兩個交流電機(jī)對拖法本方法是采用兩臺同功率的異步電機(jī)同軸連接，兩臺電機(jī)通過兩臺變頻器分別來驅(qū)動，如圖5所示。其中一臺電機(jī)通過測試變頻器驅(qū)動，另外一臺電機(jī)通過具有精確轉(zhuǎn)矩控制功能的閉環(huán)矢量控制變頻器來驅(qū)動，如emerson的td3000系列產(chǎn)品。改變轉(zhuǎn)矩的大小和方向，就可以實現(xiàn)作為被測電機(jī)的負(fù)載，就可以驗證測試變頻器的性能。

圖5兩個交流電機(jī)對拖法

本方法可以實現(xiàn)反向電動運(yùn)行的加載，也可以實現(xiàn)同相發(fā)電運(yùn)行的加載。由于為閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，可以實現(xiàn)零速、低速和高速的高轉(zhuǎn)矩高精度的加載。由于電機(jī)連接為機(jī)械硬連接，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相比滑差電機(jī)較快，加載響應(yīng)速度較快，可以滿足大多數(shù)場合的測試要求，但是對于高精度、快速的性能測試還不能夠完全滿足。

6交直流機(jī)組對拖法本方法是采用一臺直流電機(jī)和另外一臺異步電機(jī)同軸連接，如圖6所示。其中異步交流電機(jī)通過被測變頻器來驅(qū)動，直流電機(jī)通過一臺可以四象限運(yùn)行的直流調(diào)速器來驅(qū)動。直流電機(jī)通過精確的轉(zhuǎn)矩控制，改變測試轉(zhuǎn)矩的大小和方向，就可以實現(xiàn)被測電機(jī)的負(fù)載任意變化，就可以驗證測試變頻器的性能。

圖6交直流機(jī)組對拖法

本方法可以實現(xiàn)反向電動運(yùn)行的加載，也可以實現(xiàn)同相發(fā)電運(yùn)行的加載。由于為直流電機(jī)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，可以實現(xiàn)零速、低速和高速的高轉(zhuǎn)矩高精度的加載。由于電機(jī)連接為機(jī)械硬連接，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，加載響應(yīng)速度就快，基本可以滿足絕大多數(shù)場合的測試要求，是目前最理想的測試方法。

7結(jié)束語通過對以上四種變頻器負(fù)載試驗方法的分析，可以看出各種方法都有優(yōu)缺點。至于用戶需要選擇什么樣的測試方案，需要根據(jù)測試目的，選用不同的測試方案。需要強(qiáng)調(diào)的一點是，如果用戶在以上4、5、6節(jié)描述的機(jī)組中間，加入轉(zhuǎn)矩傳感器，就可以精確知道電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。