淺談變頻器的電氣試驗與測試儀表(一)

　　一、引言

　　交流變頻調速是集電力電子、自動(dòng)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(wèn)世以來(lái)倍受矚目。它以?xún)?yōu)異的調速性能、顯著(zhù)的節電效果和廣泛的適用性而被國內外公認為世界上應用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動(dòng)方案。隨著(zhù)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, 應用日漸廣泛。變頻調速在調速范圍、調速精度、動(dòng)態(tài)響應、輸出轉矩、智能控制、節約電能等方面的優(yōu)異性能，是其它交流調速方式無(wú)法比擬的，特別是在節約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高設備的效率方面, 獲得了很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　二、變頻技術(shù)的發(fā)展

　　隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節逐步顯露出來(lái)。由于換向器的存在，直流電機的維護量加大，單機容量、最高轉速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開(kāi)始轉向結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機。但異步電動(dòng)機的調速性能難以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。于是，從20世紀30年代開(kāi)始，人們致力于交流調速技術(shù)的研究，然而進(jìn)展緩慢。在相當長(cháng)的時(shí)期內，直流調速一直以其優(yōu)異的性能統治著(zhù)電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。20世紀60年代以后，特別是70年代以來(lái)，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，使得交流調速性能可以與直流調速媲美。目前，交流調速已進(jìn)入逐步代替直流調速的時(shí)代。

　　20世紀80年代, 脈寬調制變壓變頻(PWM —VVV F) 調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(kāi)始, 美、日、德、英等發(fā)達國家的VVV F 變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應用，但它的靜態(tài)調速精度較差。

　　之后出現的轉差頻率控制變頻是根據速度傳感器的檢測, 可以求得轉差頻率△f , 再把它與速度設定值f相疊加,以該疊加值作為逆變器的頻率設定值f1 , 實(shí)現轉差補償。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差頻率, 要針對具體電動(dòng)機的機械特性調整控制參數, 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: 根據交流電動(dòng)機的動(dòng)態(tài)數學(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(chǎng)分量電流和轉矩分量電流, 并分別加以控制, 即模仿自然解耦的直流電動(dòng)機的控制方式，對電動(dòng)機的磁場(chǎng)和轉矩分別進(jìn)行控制, 以獲得類(lèi)似于直流調速系統的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義，然而在實(shí)際應用中, 由于轉子磁鏈難以準確檢測, 系統特性受電動(dòng)機參數的影響較大, 且在等效直流電動(dòng)機控制過(guò)程中所用矢量旋轉變換較復雜,使得實(shí)際的控制效果難以達到理想分析的結果。

　　1985年, 德國魯爾大學(xué)的DePenb rock 教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術(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(jiǎn)潔明了的系統結構、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,該技術(shù)已成功地應用在電力機車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。

　　直接轉矩控制變頻是利用空間電壓矢量PWM 控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩實(shí)現的。它不需要將交流電動(dòng)機化成等效直流電動(dòng)機, 因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動(dòng)機的控制, 也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機的數學(xué)模型。

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

　　三、變頻技術(shù)的應用

　　變頻技術(shù)主要應用在以下幾個(gè)方面：

　　3.1 節能

　　我國的電動(dòng)機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機、水泵設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、水泵等設備傳統的調速方法是通過(guò)調節入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)地截流過(guò)程中。由于風(fēng)機、水泵類(lèi)大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關(guān)系，所以當風(fēng)機、水泵轉速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻器來(lái)調節流量、風(fēng)量，應用變頻器節電率為20％～50％。與此類(lèi)似, 許多變動(dòng)負載電機一般按最大需求來(lái)設計,設計的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車(chē)”的現象，效率低下，造成電能的大量浪費。如采用變頻調速, 可大大提高輕載運行時(shí)的工作效率。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著(zhù)。

　　作為節能目的, 變頻器廣泛應用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調、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, 電力投資將持續增長(cháng),同時(shí), 國家電改方案對電廠(chǎng)的成本控制提出了要求, 降低內部電耗成為電廠(chǎng)關(guān)注焦點(diǎn), 因此變頻器在電力行業(yè)有著(zhù)巨大的發(fā)展潛力, 變頻器的節能應用前景非常廣闊。

　　3.2 工藝控制(速度控制)

        由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動(dòng)態(tài)響應好等優(yōu)點(diǎn), 在許多需要精確速度控制的應用中, 變頻器正在發(fā)揮著(zhù)提高工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著(zhù)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(chǎng)范圍遍及全球, 產(chǎn)業(yè)規模龐大。紡織與化纖行業(yè)也是變頻器應用最多的行業(yè)。在最常見(jiàn)的化纖機械設備中, 選用變頻器的設備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。選用變頻器較多的棉紡設備主要有細紗機、粗紗機、精梳機等。這些設備都要求精確速度控制、多單元同步傳動(dòng)或比例同步(牽伸) 傳動(dòng)等。應用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量, 同時(shí)減輕工人的勞動(dòng)強度, 提高生產(chǎn)效率?？梢哉f(shuō), 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), 國內的企業(yè)需要擴大生產(chǎn)規模, 提高生產(chǎn)技術(shù), 變頻器的應用前景和發(fā)展潛力都不可小覷。

　　3.3 軟啟動(dòng)

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

　　變頻器可以調整通過(guò)輸出電壓的頻率，從低頻開(kāi)始，一直調到額定頻率，從而實(shí)現電機的軟啟動(dòng)/停止，降低啟動(dòng)/停止沖擊。

　　3.4 變頻家電

　　在普通家庭中, 節約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來(lái)越多的關(guān)注, 變頻家電成為變頻技術(shù)應用的另一個(gè)廣闊市場(chǎng)。它在節能、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度、延長(cháng)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微波爐內的變壓器, 變頻器通過(guò)變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉換成為20000～ 45000Hz 的高頻率, 通過(guò)改變頻率來(lái)得到不同的輸出功率, 解決了傳統微波爐加熱不均勻的弊端, 實(shí)現了真正意義上的均勻火力調控。除此之外, 與傳統微波爐相比, 變頻微波爐還具有機身輕巧、噪音小、烹飪速度快、節電等特點(diǎn)。

　　目前, 中國是世界上最主要的家電供應國, 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)展潛力。

　　四、變頻器的試驗要求

　　近年來(lái)，交流變頻調速技術(shù)在我國有了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，我國的變頻器產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有不斷壯大，發(fā)展迅速。據統計，我國現有大大小小的變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)70多家，年銷(xiāo)售額在7億元左右，但這只占全國變頻器市場(chǎng)容量的一小部分，80%~90%的國內市場(chǎng)被各種國外變頻器所占領(lǐng)?；仡櫸覈冾l器的發(fā)展歷程，結合我國國情開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越、適銷(xiāo)對路的產(chǎn)品，逐步擴大市場(chǎng)份額，是國人的期盼。而市場(chǎng)經(jīng)濟是依靠法規形式來(lái)規范、協(xié)調市場(chǎng)行為的，標準也將作為法律、法規的技術(shù)支撐來(lái)參與規范和調控市場(chǎng)。只有及時(shí)地了解先進(jìn)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(jìn)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

　　全國電力電子學(xué)調速電氣傳動(dòng)系統半導體電力變流器標準化技術(shù)委員會(huì )是在國內外電氣傳動(dòng)調速產(chǎn)品迅速發(fā)展的形勢下于2000年成立的，秘書(shū)處掛靠在天津電氣傳動(dòng)設計研究所，負責國家電氣傳動(dòng)調速系統技術(shù)領(lǐng)域內的標準化技術(shù)工作的組織及歸口，涉及的產(chǎn)品主要是國民經(jīng)濟基礎工業(yè)交直流電氣傳動(dòng)設備。目前已制訂了6項電氣傳動(dòng)調速系統的國家及行業(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(jìn)行最后階段的審批。

　　變頻器的試驗類(lèi)型包括型式試驗、出廠(chǎng)試驗、抽樣試驗、選擇試驗、車(chē)間試驗、驗收試驗、現場(chǎng)調試試驗、目擊試驗。

1） 型式試驗：對按照某一設計制造的一個(gè)或數個(gè)部件進(jìn)行的試驗，用于說(shuō)明該設計滿(mǎn)足特定的技術(shù)要求。
2 ） 出廠(chǎng)試驗：在制造期間或制造之后對各個(gè)部件進(jìn)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(jìn)行的試驗。
4） 選擇試驗：除型式試驗和出廠(chǎng)試驗之外，按照制造廠(chǎng)之意，或經(jīng)過(guò)制造廠(chǎng)和用戶(hù)或其代理人協(xié)商而進(jìn)行的試驗。
5） 車(chē)間試驗：為了驗證設計，在制造廠(chǎng)的實(shí)驗室里對部件或設備進(jìn)行的試驗。
6） 驗收試驗：合同上規定的、用以向用戶(hù)證明該部件滿(mǎn)足其技術(shù)規格中某些條件的試驗。
7） 現場(chǎng)調試試驗：在現場(chǎng)對部件或設備進(jìn)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(hù)、用戶(hù)或其代理人在場(chǎng)的情況下進(jìn)行的上述任何一種試驗。
驗項目見(jiàn)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(gè)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；
                  ──相數；
                  ──輸入各次諧波；
                  ──輸入總失真度。

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

　　3）效率

　　在設計的頻率范圍內，各個(gè)頻率下的效率。