變頻器的試驗與測試

　　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最理想的電氣傳動(dòng)方案。

　　技術(shù)的發(fā)展

　　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，單機容量等都受到限制。人們開(kāi)始轉向結構簡(jiǎn)單、維護方便的異步電動(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。20世紀60年代以后，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。

　　變頻調速的控制方式經(jīng)歷了脈寬調制變壓變頻(PWM —VVVF)、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等技術(shù)的發(fā)展歷程，在控制精度、控制算法的復雜度、通用性等方面得到很大提高。

　　最新的技術(shù)是矩陣式交-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1，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。

　　變頻器的試驗要求

　　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、目擊試驗等。
   　電氣試驗方面主要是測量變頻器的輸入、輸出值，包括：
　　1） 輸入值：額定輸入電壓、額定輸入電流、額定容量、有功功率、功率因數、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。
　　3）效率： 在設計的頻率范圍內，各個(gè)頻率下的效率。

　　變頻器的測量與儀器

　　1、測量?jì)x器儀表簡(jiǎn)介
　　目前常見(jiàn)的測量?jì)x表很多，這里介紹幾種常見(jiàn)的儀表。
　　1) 動(dòng)鐵式儀表：
　　這種儀表測量的是有效值，它的值由固定線(xiàn)圈磁場(chǎng)與其內可動(dòng)鐵之間相互作用的電磁力所確定的偏轉角度而確定。讀數誤差由動(dòng)鐵的磁飽和以及諧波對線(xiàn)圈內電感的影響引起。儀表精度一般為0.5級。
　　2) 整流式儀表：交流電流經(jīng)整流然后作用于動(dòng)圈式直流表，按交流電流的有效值確定刻度，其有效值是由整流平均值乘以波形系數求出的。該種儀表基本用于測量正弦電流波形，在測量非正弦電流的波形時(shí)，應注意波形系數。典型的儀表精度是1.0級。
　　3) 熱電式儀表 ：
　　溫升與測量電流產(chǎn)生的熱量成正比，溫升被熱電偶轉換為直流電動(dòng)力，其電流有效值由直流毫伏表指示。
　　4) 電動(dòng)式儀表  ：
　　電流指示值具有均勻的刻度，其指針偏轉角度等于兩個(gè)線(xiàn)圈間的力，它的驅動(dòng)轉矩(Im×IF×dT／dq）電流IF是與負載串聯(lián)的固定線(xiàn)圈內的電流Im正比于動(dòng)圈中的電壓。典型精度為0.5級。
　　5) 諧波分析儀：
　　目前最常用的變頻器主電路一般為交-直-交組成。在整流回路中接有大電容，輸入電流的波形不是正弦波；在逆變輸出回路中輸出電壓信號是受PWM 載波信號調制的脈沖波形。其他類(lèi)型的變頻器與此類(lèi)似，輸入、輸出都不是標準的正弦波，有較多的高次諧波含量，因此，在測量?jì)x器的選擇上與傳統的測量有所不同。

　　目前，特別適于變頻器測量的儀器是諧波分析儀，主要有日本橫河（YOKOGAWA）的WT系列諧波分析儀，如WT1600、WT3000等。這類(lèi)產(chǎn)品不僅可以測量基本的電參數，并且針對變頻器做了一些特殊設計：如測量模塊比較多，可以同時(shí)測量輸入、輸出參數，進(jìn)行諧波分析，測量真功率因數；帶寬比較寬，可以從DC到1MHz，精度一般可以達到0.15級或0.02級；顯示方便，可以顯示數值、波形、諧波柱狀圖等；可以測量變頻器驅動(dòng)的電機的機械輸出，如電機轉速、扭矩等，這樣可以更方便的測量變頻器的驅動(dòng)能力及驅動(dòng)效果?？梢哉f(shuō)，一臺WT諧波分析儀可以替代一堆傳統儀表，確保測試的高效和準確。

　　2、變頻器測試
　　對變頻器進(jìn)行測試的電路如圖1所示，這是一個(gè)完整的變頻器測試方案，包括三相電源輸入、三相輸出、驅動(dòng)電機的機械輸出（轉速、扭矩）等。如果被測的變頻器功率較大，輸入、輸出電流超過(guò)了儀器的量程，就需要在電流的測量回路里接入CT（電流互感器），把被測電流轉變成儀器的測量量程內。

　　測試電路里的諧波分析儀是橫河公司的WT1600數字功率計。該儀器有6個(gè)模塊，可以同時(shí)輸入6路電壓、6路電流；同時(shí)有電機測試模塊，可以測量電機的轉速、扭矩等。一臺WT1600不僅可以測量變頻器的輸入、輸出參數，還可以測量電機的扭矩、轉速、滑差、機械輸出功率，以及電機效率變頻器效率等。

　1）輸入側的測量
　　變頻器輸入電源是50Hz交流電源，但是由于變頻器的輸入側是整流電路，電流的波形一般不是標準的正弦波。典型的輸入波形如圖2?！?/p>

　　傳統的有功功率的計算公式為：
　　P＝ Urms × Irms × cosφ
　　式中：
　　P：有功功率；Urms：電壓有效值；Irms：電流有效值；φ：電壓電流夾角。
　　但是，變頻器的輸入電流包括高次諧波，很難測量出相位角。
　　橫河的WT1600等WT系列的諧波分析儀使用了數字采樣方法，對指定的有效采樣周期內獲取的瞬時(shí)波形數據的總和進(jìn)行平均?？偤陀蓸颖緮礜平均，得出一個(gè)功率值，如圖3。

　　有功功率計算公式為：

　　式中：
　　u(t):時(shí)刻“t”的電壓瞬時(shí)值；i(t)：時(shí)刻“t”的電流瞬時(shí)值；Δt:采樣時(shí)間間隔；N ：總采樣樣本數。
　　這樣，不需要測量電壓電流夾角，就可以計算出有功功率。
　　相應的，功率因數 PF＝P/S＝P/(Urms*Irms)
　　式中：
　　S：視在功率
　　同時(shí)，諧波分析儀測量波形進(jìn)行諧波分析，計算出電壓畸變率、電流畸變率等，然后對系統進(jìn)行綜合分析判斷。
電壓總的畸變率Uthd：

　　式中：
　　U（1）：基波電壓；U（k）：k次諧波電壓；max：最大諧波次數
　　電流的總畸變率Ithd：

　　式中：
　　1）：基波電流；I（k）：k次諧波電流；max：最大諧波次數
　　2） 輸出側的測量
　　變頻器的輸出波形見(jiàn)圖4，是頻率可變的信號，含有較多的高次諧波。而電動(dòng)機轉矩主要依賴(lài)于基波電壓有效值，因此，需要測量的電壓值或者說(shuō)一般變頻器的額定電壓值是指基波有效值。對PWM類(lèi)型的變頻器來(lái)說(shuō)，PWM電壓的整流平均值正比于其輸出電壓基波有效值。如日本電機學(xué)會(huì )(JEMA)規定：使用平均整流方法計算有效值，因為該值更合適地反映了驅動(dòng)電機的輸出轉矩。

　　橫河WT1600等WT系列諧波分析儀，可以同時(shí)測量有效值、整流平均值等數值，用戶(hù)可以根據需要進(jìn)行方便的選擇。
變頻器的效率為：

　　式中：
　　h：變頻器效率ΣPout：變頻器輸出有功功率；ΣPin：變頻器輸入有功功率。
　　WT1600還可以測量電機的機械輸出，可測量電機的速度和扭矩傳感器的輸出，然后計算扭矩、旋轉速度、機械功率、同步速度、滑差等，實(shí)現在一臺儀器上測量電機效率與總效率。

　　隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展，對測量也提出了更高的要求。測量?jì)x表廠(chǎng)家根據變頻器的發(fā)展和需求不斷推出新產(chǎn)品，滿(mǎn)足了測試的需求。目前，變頻技術(shù)的日益復雜化，一些非標準的正弦調制PWM波形的出現，經(jīng)常發(fā)生輸出電壓的整流平均值與基波有效值不相等的情況。針對這種情況，橫河公司推出WT系列最新型號WT3000產(chǎn)品，在不改變測量模式的情況下，改進(jìn)了設計，使其可以同時(shí)測量常規項目，如整流有效值以及諧波有效值等，用戶(hù)可以自己對數據進(jìn)行對比。產(chǎn)品與測量手段是相輔相成并互相促進(jìn)的，二者會(huì )隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展不斷推陳出新。