變頻器的試驗(yàn)與測(cè)試

　　交流變頻調(diào)速是集電力電子、自動(dòng)控制、微電子學(xué)和電機(jī)學(xué)等技術(shù)之精華的一項(xiàng)高新技術(shù)，自問(wèn)世以來(lái)倍受矚目。它以?xún)?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(guó)內(nèi)外公認(rèn)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(jié)逐步顯露出來(lái)。由于換向器的存在，直流電機(jī)的維護(hù)量加大，單機(jī)容量等都受到限制。人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的異步電動(dòng)機(jī)。但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)的需要。20世紀(jì)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(diào)速性能可以與直流調(diào)速媲美。目前，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步代替直流調(diào)速的時(shí)代。

　　變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM —VVVF)、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的發(fā)展歷程，在控制精度、控制算法的復(fù)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(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。

　　變頻器的試驗(yàn)要求

　　目前，已制訂了6項(xiàng)電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：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(yàn)類(lèi)型包括型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、抽樣試驗(yàn)、選擇試驗(yàn)、車(chē)間試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)、目擊試驗(yàn)等。
   　電氣試驗(yàn)方面主要是測(cè)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(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(guò)載能力（過(guò)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。
　　3）效率： 在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)，各個(gè)頻率下的效率。

　　變頻器的測(cè)量與儀器

　　1、測(cè)量?jī)x器儀表簡(jiǎn)介
　　目前常見(jiàn)的測(cè)量?jī)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(cè)量的是有效值，它的值由固定線圈磁場(chǎng)與其內(nèi)可動(dòng)鐵之間相互作用的電磁力所確定的偏轉(zhuǎn)角度而確定。讀數(shù)誤差由動(dòng)鐵的磁飽和以及諧波對(duì)線圈內(nèi)電感的影響引起。儀表精度一般為0.5級(jí)。
　　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(shù)求出的。該種儀表基本用于測(cè)量正弦電流波形，在測(cè)量非正弦電流的波形時(shí)，應(yīng)注意波形系數(shù)。典型的儀表精度是1.0級(jí)。
　　3) 熱電式儀表 ：
　　溫升與測(cè)量電流產(chǎn)生的熱量成正比，溫升被熱電偶轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度等于兩個(gè)線圈間的力，它的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Im×IF×dT／dq）電流IF是與負(fù)載串聯(lián)的固定線圈內(nèi)的電流Im正比于動(dòng)圈中的電壓。典型精度為0.5級(jí)。
　　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(hào)是受PWM 載波信號(hào)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波，有較多的高次諧波含量，因此，在測(cè)量?jī)x器的選擇上與傳統(tǒng)的測(cè)量有所不同。

　　目前，特別適于變頻器測(cè)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(cè)量基本的電參數(shù)，并且針對(duì)變頻器做了一些特殊設(shè)計(jì)：如測(cè)量模塊比較多，可以同時(shí)測(cè)量輸入、輸出參數(shù)，進(jìn)行諧波分析，測(cè)量真功率因數(shù)；帶寬比較寬，可以從DC到1MHz，精度一般可以達(dá)到0.15級(jí)或0.02級(jí)；顯示方便，可以顯示數(shù)值、波形、諧波柱狀圖等；可以測(cè)量變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的機(jī)械輸出，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等，這樣可以更方便的測(cè)量變頻器的驅(qū)動(dòng)能力及驅(qū)動(dòng)效果。可以說(shuō)，一臺(tái)WT諧波分析儀可以替代一堆傳統(tǒng)儀表，確保測(cè)試的高效和準(zhǔn)確。

　　2、變頻器測(cè)試
　　對(duì)變頻器進(jìn)行測(cè)試的電路如圖1所示，這是一個(gè)完整的變頻器測(cè)試方案，包括三相電源輸入、三相輸出、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械輸出（轉(zhuǎn)速、扭矩）等。如果被測(cè)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(cè)量回路里接入CT（電流互感器），把被測(cè)電流轉(zhuǎn)變成儀器的測(cè)量量程內(nèi)。

　　測(cè)試電路里的諧波分析儀是橫河公司的WT1600數(shù)字功率計(jì)。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(jī)測(cè)試模塊，可以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等。一臺(tái)WT1600不僅可以測(cè)量變頻器的輸入、輸出參數(shù)，還可以測(cè)量電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、滑差、機(jī)械輸出功率，以及電機(jī)效率變頻器效率等。

　1）輸入側(cè)的測(cè)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(cè)是整流電路，電流的波形一般不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。典型的輸入波形如圖2?！?/p>

　　傳統(tǒng)的有功功率的計(jì)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(cè)量出相位角。
　　橫河的WT1600等WT系列的諧波分析儀使用了數(shù)字采樣方法，對(duì)指定的有效采樣周期內(nèi)獲取的瞬時(shí)波形數(shù)據(jù)的總和進(jìn)行平均?？偤陀蓸颖緮?shù)N平均，得出一個(gè)功率值，如圖3。

　　有功功率計(jì)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(shù)。
　　這樣，不需要測(cè)量電壓電流夾角，就可以計(jì)算出有功功率。
　　相應(yīng)的，功率因數(shù) PF＝P/S＝P/(Urms*Irms)
　　式中：
　　S：視在功率
　　同時(shí)，諧波分析儀測(cè)量波形進(jìn)行諧波分析，計(jì)算出電壓畸變率、電流畸變率等，然后對(duì)系統(tǒng)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(shù)
　　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(shù)
　　2） 輸出側(cè)的測(cè)量
　　變頻器的輸出波形見(jiàn)圖4，是頻率可變的信號(hào)，含有較多的高次諧波。而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩主要依賴(lài)于基波電壓有效值，因此，需要測(cè)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(duì)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(jī)學(xué)會(huì)(JEMA)規(guī)定：使用平均整流方法計(jì)算有效值，因?yàn)樵撝蹈线m地反映了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

　　橫河WT1600等WT系列諧波分析儀，可以同時(shí)測(cè)量有效值、整流平均值等數(shù)值，用戶(hù)可以根據(jù)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(cè)量電機(jī)的機(jī)械輸出，可測(cè)量電機(jī)的速度和扭矩傳感器的輸出，然后計(jì)算扭矩、旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)械功率、同步速度、滑差等，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)儀器上測(cè)量電機(jī)效率與總效率。

　　隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量也提出了更高的要求。測(cè)量?jī)x表廠家根據(jù)變頻器的發(fā)展和需求不斷推出新產(chǎn)品，滿足了測(cè)試的需求。目前，變頻技術(shù)的日益復(fù)雜化，一些非標(biāo)準(zhǔn)的正弦調(diào)制PWM波形的出現(xiàn)，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(duì)這種情況，橫河公司推出WT系列最新型號(hào)WT3000產(chǎn)品，在不改變測(cè)量模式的情況下，改進(jìn)了設(shè)計(jì)，使其可以同時(shí)測(cè)量常規(guī)項(xiàng)目，如整流有效值以及諧波有效值等，用戶(hù)可以自己對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。產(chǎn)品與測(cè)量手段是相輔相成并互相促進(jìn)的，二者會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展不斷推陳出新。