CN207636724U - 变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置,装置包括：供电电网、开关Q1、开关Q2、开关Q3、供电扰动发生器、被测变频器、被测电动机、被拖发电机、滤波装置、电压补偿装置、蓄电池组、测量控制单元、底座、转轴、不间断供电电源UPS、并网变频器。本实用新型优点是具有精确的调压、调频和强大的故障模拟能力并能够实现能量回馈和转速、转矩协调控制及高速高精度采集电气量和机械量、测量电机绕组的温升、控制软件集启停机、转矩控制、实时显示和录波、开关控制、数据分析计算功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置,属于电力电子和电机驱动技术领域。
背景技术
目前，变频器在电机驱动、控制领域得到十分广泛的应用，对于节约电能、自动控制和提高设备效率的方面具有至关重要的作用。例如煤炭行业采用的变频调速的提升机、冶金行业采用的大功率轧机、石化行业使用的各种电机、火电厂使用的各种辅机例如风机、水泵、给煤机。这些设备常常处于低负荷和变负荷运行状态，通过加装变频器，能够达到节能增效的目的。现有技术针对变频器驱动电机系统在供电扰动下的测试针对的是电网电压瞬变包括骤升和骤降下变频器能否继续运行的能力，现有技术针对火电厂低压辅机变频器提出了相应的低电压穿越能力检测设备和方法，现有技术之一采用特种空心变压器，通过改变分接位置来实现不同幅度的电压跌落，并以电力电子装置作为模拟负载，实现能量回馈；现有技术之二针对的是火电厂的辅机变频器的现场测试方法，采用扰动发生器接在厂用母线和被测设备或者抗扰动设备之间，实现低电压穿越能力的检测；现有技术之三提出了采用电力电子装置作为扰动发生装置，能够模拟三相、两相和单相故障，并提出了几种形式的负载方案。
公开号为CN105403910A的专利申请公开了一种现场测试巷道扰动范围的方法，它是在扰动测试区选取相邻两条平行的巷道，一条为震动源巷道，另一条为测压巷道；在震动源巷道中施工爆破孔，在测压巷道的每个测试孔内布置测试系统；在震动源巷道中实施爆破，在测压巷道观看圆柱形柔性胶囊的压力变化情况，如无变化的，说明没有受到挠动，继续对下一个爆破孔实施爆破，依次类推，直到所有圆柱形柔性胶囊出现压力变化为止，此时的圆柱形柔性胶囊与爆破点之间的距离，为炸药爆破后引起的相邻巷道的扰动范围。在现场针对具体煤层开采环境，确定相关距离参数。
公开号为CN105180205A的专利申请公开了一种富氧燃烧烟气循环系统控制方法，该方法包括：在富氧燃烧模式下，对烟气循环系统中的多个控制设备进行开环扰动测试；确定每个所述控制设备对所述富氧燃烧烟气循环系统的系统参数的影响程度；根据所述影响程度确定针对所述多个控制设备的控制参数集合，该控制参数集合包括多组控制参数；以及从所述控制参数集合中选择一组控制参数对每个所述控制设备进行控制。能够确定控制设备对烟气循环系统的影响。
综上所述，由于电网供电不稳定、大量电力电子装置的使用、负荷的非线性、大型电动机的频繁启动的原因，变频器所处的局部电网往往存在较严重的电能质量问题，存在以下缺点：
1.电压波动：例如煤炭行业由于大容量提升机的频繁启动，电网电压频繁波动，明显偏离额定值。
2.三相电压不平衡：例如冶金行业三相电弧炉的负荷不对称造成三相电压不平衡度很高。
3.电压跌落：俗称晃电，在石化行业中常见，是由于石化企业自备电厂的电网短路的故障和电动机群的快速负荷变化导致电压短时跌落甚至中断。
4.电压波形畸变：是由于大量的谐波污染，例如冶金行业中的电弧炉的弧长不规则的变化导致电网电压含有大量的谐波。
5.频率偏移：石化行业通常具有热电联产的自备电厂，因某种原因与系统解列造成孤网运行，此时发电机的出力不足以满足负荷需要时，会造成孤网频率下降甚至供电崩溃。
以上问题一方面给电网造成了谐波污染和功率因数降低，另一方面对供电范围内的其他设备造成了危害，导致变频器驱动电机设备停机、损耗噪声振动增加甚至原件损坏的问题。具体有以下缺点：
1.电压跌落。电压跌落常常会导致变频器闭锁输出。大部分低压变频器在电压短时跌落至85％～90％的额定电压时，就会因为欠压保护而闭锁电力电子元件的输出，导致停机。
2.供电波形畸变，谐波含量大。供电波形的严重畸变，例如电压正弦曲线上的瞬间缺口会影响变频器整流器和逆变器可控元件的触发，不能正常检测触发角，造成保护停机。
3.三相电压不平衡。三相输入电压不平衡会导致变频器直流母线电压明显波动，进而对电机的供电电压造成不平衡，引起电机异常发热。
为了提高供电扰动下变频器驱动电机系统的耐受性，采取多种措施进行改进：
1.不间断供电电源UPS。在变频器输入电压跌落时，依靠串接在变频器交流输入侧的不间断电源，提供变频器短时的供电，实现低电压穿越。
2.加装电压补偿装置。包括直流侧电压补偿装置和交流侧动态电压恢复器(DVR)的电压补偿装置。当变频器供电电能质量恶化时，采用直流侧boost升压电路或者交流侧串联的补偿电路直接给变频器直供电，短时实现变频器的正常工作。
3.采用蓄电池组，当变频器供电电能质量恶化时采用蓄电池组直接给变频器直流母线供电，短时实现变频器的正常工作。
4.采用滤波装置。在变频器电源输入侧加装各种滤波装置，能够改善变频器的供电波形，减小波形畸变的影响。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置，本实用新型能够测试变频器驱动电机系统对电网各种扰动的耐受性以及各种改进措施的有效性并能够有效地模拟各种供电扰动即电能质量恶化现象，同时通过测量电机和变频器的各种参数经过分析得到变频器驱动电机系统或者变频器驱动电机系统的耐受性评价。
本实用新型的技术术语解释如下：
变频器驱动电机系统：是由变频器进行供电的三相电动机系统，电动机包括鼠笼式异步电机、永磁同步电机，本实用新型中所指的变频器驱动电机系统包括被测变频器、被测电动机以及抗扰动装置组成的整个系统。
供电扰动：是供电电源的电能质量下降现象，包括三相、两相、单相电压对称及不对称骤降和骤升、电压波动、频率偏移、谐波污染。
耐受性：是变频器驱动电机系统在供电扰动下能够持续运行，电机输出转矩和转速、温升不出现不能容忍的变化。
抗扰动装置：是为了提高变频器驱动电机系统对供电扰动的耐受性而增加的装置，包括抗电压跌落的交流侧或者直流侧电压补偿装置、蓄电池组、UPS，改善输入电源谐波畸变的各种滤波装置。
电压波动：是电压方均根值即有效值的一系列的变动或连续的改变。
不间断供电电源简称为UPS。
本实用新型所述装置包括：供电电网、开关Q1、开关Q2、开关Q3、供电扰动发生器、被测变频器、被测电动机、被拖发电机、滤波装置、电压补偿装置、蓄电池组、测量控制单元、底座、转轴、不间断供电电源UPS、并网变频器。被测变频器分别与不间断供电电源、电压补偿装置、滤波装置、蓄电池组、测量控制单元、并网变频器、被测电动机、被拖发电机连接；供电扰动发生器分别与测量控制单元、电压补偿装置、滤波装置连接。
测量控制单元包括：上位机、采样电路、信号调理电路、A/D转换器、数字处理芯片、通信总线、转轴、光电编码器、脉冲处理电路、被测变频器控制芯片、脉冲驱动电路、逆变电路、扭矩传感器、并网变频器控制芯片、供电扰动发生器控制芯片、直流电阻测试仪。采样电路、信号调理电路、A/D转换器、数字处理芯片通过通信总线与上位机连接；转轴、光电编码器、脉冲处理电路、被测变频器控制芯片通过通信总线与上位机连接；转轴、扭矩传感器、并网变频器控制芯片通过通信总线与上位机连接；逆变电路、脉冲驱动电路、供电扰动发生器控制芯片通过通信总线与上位机连接。
本实用新型的工作流程及原理如下：供电电网经开关Q1连接基于背靠背电力电子装置的供电扰动发生器，供电扰动发生器经开关Q2连接被测变频器，为被测变频器供电，被测变频器连接被测电动机，为被测电动机提供电能和转速控制，同转轴连接的被拖发电机作为被测电动机的负载，在被测电动机的拖动下，被拖发电机发出电能，通过连接在被拖发电机定子侧的背靠背的并网变频器及开关Q3，经过整流和逆变将电能回馈至供电电网，安装在集装箱之中。实际测试时，滤波装置施加在供电扰动发生器和被测变频器交流输入侧之间，电压补偿装置设置在供电扰动发生器和被测变频器直流或者交流母线之间，起到电压支撑的作用，蓄电池组并联在被测变频器的直流母线上，在扰动时起到旁路支撑作用，不间断供电电源UPS接在供电电网和被测变频器交流输入侧之间，在供电扰动时自动供电，起到不间断供电的作用。
所述供电扰动发生器一方面能够实现被测变频器的正常供电，另一方面能够产生供电扰动。供电扰动发生器采用功率级全控电力电子器件，具有四象限运行能力，能够实现能量回馈，三相电压幅值、相位能够独立调节，具备电压可调、频率可调、谐波可控、电网模拟的功能，除了常见供电故障导致的各种类型的电压跌落，包括三相对称及不对称、两相、单相跌落以外，还能够模拟局部供电电网的频率波动、谐波污染、电压波动的电能质量现象。
所述供电扰动发生器参数如下：
1.功率：20kW；
2.输入电压：三相380V±15；
3.交流输出电压：0～690V三相独立调节；
4.能够在基波基础上叠加2～50次谐波；
5.可编程电压幅值、频率、相位；
6.电压相位0～360°可调，调节步长1°；
7.交流电压调节步长0.1V；
8.输出电压频率0.1Hz～400Hz，调节步长0.01Hz；
9.频率输出精度≤0.01Hz；
10.电源稳压率≤0.5％；
11.设置总THD 0～20％，多种谐波组合，分别设置单次谐波占比；
12.电压失真度≤1％(线性负载)；
13.设置负序不平衡度0～100％，解析度：0.1％；
14.设定持续时间10ms～10min，解析度：1ms；
15.设置波动闪变幅值Pst＝1～10；
16.过载能力：110％In:1min；120％In:30s；2In:2s。
被测变频器：为被测电动机提供电能和启停、转速控制。
被测电动机：为整套系统的测试对象之一，作为驱动电机。
抗扰动装置：抵御电网扰动的装置，如抗电压跌落的电压补偿装置，输入侧的各种配套滤波装置、蓄电池组、不间断供电电源UPS。
被拖发电机与被测电动机同轴连接，作为被测电动机的负载，还包括底座、转轴的部分。
所述被拖发电机参数如下：
1.额定功率：22kW；
2.额定电压：380V；
3.额定转矩：142.93N.m；
4.额定电流：42.5A；
5.额定转速：1480r/min；
6.频率范围：恒转矩方式5～50Hz，恒功率方式50～100Hz；
7.接法：Δ。
并网变频器为四象限变流器，连接被拖发电机定子侧，将被拖发电机发出的交流电经过整流和逆变转变为50Hz的工频交流电并入供电电网，实现能量回馈，提高了整套系统的效率，同时实现转矩的闭环控制，从而控制并网功率，实现负载控制。
所述开关实现电气回路的开关连接，所述开关包括电源与供电扰动发生器之间的开关Q1，供电扰动发生器与被测变频器之间的开关Q2，以及并网变频器与供电电网之间的并网开关Q3，开关采用小型断路器形式，能够抵抗分合闸瞬间的电流冲击，防止损坏电力电子设备。
所述测量控制单元用于实现模拟量的测量、处理和显示、开关控制、负载系统的转矩控制以及供电扰动发生器的扰动发生控制，分为采集区、显示区、数据计算区和控制操作区。如图3所示，电压电流的电气模拟量经过采样电路和信号调理电路，转变为适用于A/D转换器的模拟输入信号，经过高精度的A/D转换器转换为数字信号，数字信号传递给数字处理芯片进行数据的处理和计算，然后通过通信总线上传至上位机进行显示和存储；位于转轴上的光电编码器通过转轴的转动输出一系列的光栅脉冲，经过脉冲处理电路处理后传输给被测变频器控制芯片，通过计数得到电机的转速信号，通过通信总线实时传输至上位机进行显示；位于转轴上的扭矩传感器将扭矩作用力转变为电信号传输至并网变频器控制芯片，并网变频器控制芯片通过通信总线将实测转矩数值实时传输至上位机进行显示和存储；被测电动机的定子三相绕组连接直流电阻测试仪，测得的三相定子电阻值通过通信总线传输到上位机，用于计算定子绕组的温升。通过上位机的显示器实时显示各电压电流转速转矩波形和数值以及各开关的分合闸状态，同时能够显示功率的二次计算量。
数据计算区根据采集的电压电流计算各功率值，根据被测电动机定子电阻值计算被测电动机的温升，同时对转矩进行傅里叶分析，根据温升、傅里叶分析的各谐波转矩分量及相关给定参数按照公式(1)计算耐受性评价指数。
控制操作区给出各种指令，上位机输出的转速、启停机指令经过通信总线传递至被测变频器控制芯片，被测变频器控制芯片输出开关控制信号，经过被测变频器内部的脉冲驱动电路放大后，传递至被测变频器内部的逆变电路，从而实现被测电动机的转速、启停控制；上位机输出的转矩指令经过通信总线传递至并网变频器控制芯片，并网变频器控制芯片按照转矩控制算法输出开关信号至内部的脉冲驱动电路，经放大后输出至内部的逆变电路从而实现被拖发电机的转矩控制；上位机输出的扰动发生指令经过通信总线传递至供电扰动发生器控制芯片，同样经过内部的脉冲放大电路和内部的逆变电路至被测变频器，产生相应的供电扰动；同时，上位机还能够输出开关的分合指令至开关内部的控制回路，控制开关触点，实现开关控制。
测量控制单元安装有显示器并内置有电脑主机，操作面板上有电气接线示意图，开关的状态有指示灯指示，试验数据能够导出*.txt，*.csv，*.xls的格式的文件方便进行处理。控制软件采用LABVIEW程序编写。同时，测量控制单元配备有供电扰动发生器和并网变频器的过压、过流保护，短路保护，过温保护，直流母线过电压保护。
测量控制单元参数：
1.A/D转换器采集通道：16路；
2.A/D转换器采样频率：10kHz；
3.A/D转换器分辨率：16位；
4.扭矩传感器测量精度：±0.2％；
5.扭矩传感器最大测量转矩：200N.m。
本实用新型所述装置安装在集装箱中以方便转运，所述集装箱为20英尺标准集装箱，防护等级IP54，适合室外长期存放整套系统。所述集装箱内按场地使用功能划分为办公区、设备区、测试区3个区域并有明显标记。集装箱装有相应的空气调节装置，为工程人员提供较为理想工作环境。所述集装箱装有相应的照明、消防、应急照明装置。所述集装箱具有外部电源接口，满足其照明及测试用电的需要。
本实用新型所述变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置的工作步骤如下：
步骤1、测试方法：
11.抗瞬时电压扰动测试：
111.测量控制单元给出指令，闭合开关Q1、开关Q2；
112.测量控制单元给定目标转速，向被测变频器发送启动命令，被测变频器拖动被测电动机和被拖发电机空载软启动至目标转速；
113.测量控制单元给出指令，闭合开关Q3，系统并网；
114.测量控制单元上缓慢增加转矩给定，系统加载至目标转矩；
115.测量控制单元向供电扰动发生器发出扰动指令，包括电压跌落幅度和持续时间以及跌落产生的相别，供电扰动发生器按照要求产生设定的时间和幅度的电压跌落，是三相对称、不对称跌落、两相跌落、单相跌落，跌落结束后，自动恢复至正常供电；
116.测量控制单元上缓慢减小转矩给定至零；
117.测量控制单元向被测变频器发送停机指令，整套系统停机；
118.测量控制单元按照开关Q3、开关Q2、开关Q1的顺序依次断开各开关；
119.在扰动期间，通过人工观察来确定被测变频器是否存在停机；测量控制单元采集被测变频器的输出电流、电压波形，计算输出功率；通过采集转矩信号并通过傅里叶分析得到转矩的平均值和各次谐波分量；由于不同的跌落可能会导致电机中存在负序磁场，引起电机发热，测试结束后，立刻采用直阻测试仪测量被测电动机定子绕组的电阻，测量控制单元根据绕组电阻计算出绕组温度，得到电机定子绕组的温升。综合以上数据得出系统的抗瞬时电压扰动耐受性评价。
12.长时电压波动测试：
121.测量控制单元给出指令，闭合开关Q1、开关Q2；
122.测量控制单元给定目标转速，向被测变频器发送启动命令，被测变频器拖动被测电动机和被拖发电机空载软启动至目标转速；
123.测量控制单元给出指令，闭合开关Q3，系统并网；
124.测量控制单元上缓慢增加转矩给定，系统加载至目标转矩；
125.测量控制单元向供电扰动发生器发出扰动指令，包括变动频度、变动量、持续时间，供电扰动发生器按照要求在数十分钟内产生设定的变动频度[4]和变动量[4]的电压波动。波动结束后，自动恢复至正常供电。
126.测量控制单元上缓慢减小转矩给定至零；
127.测量控制单元向被测变频器发送停机指令，整套系统停机；
128.测量控制单元按照开关Q3、开关Q2、开关Q1的顺序依次断开各开关；
129.测试期间，通过人工观察来确定扰动期间被测变频器是否存在停机；测量控制单元采集被测电机的输出电流、电压波形，通过计算得到变频器的输出功率；通过采集转矩信号，来计算被测电动机的转矩相对于无干扰供电下的波动幅度；由于长时间的电压波动同样会引起绕组的异常发热，按照同样的方法测量电机绕组的温升。综合以上数据得出系统的抗长时电压波动耐受性评价。
13.谐波扰动测试：
131.测量控制单元给出指令，闭合开关Q1、开关Q2；
132.测量控制单元给定目标转速，向被测变频器发送启动命令，被测变频器拖动被测电动机和被拖发电机空载软启动至目标转速；
133.测量控制单元给出指令，闭合开关Q3，系统并网；
134.测量控制单元上缓慢增加转矩给定，系统加载至目标转矩；
135.测量控制单元向供电扰动发生器发出扰动指令，包括谐波幅值、谐波次数、持续时间，供电扰动发生器按照要求在正常电压波形上叠加电压谐波，通过此方法模拟电网的波形畸变。畸变结束后，自动恢复至正常供电。
136.测量控制单元上缓慢减小转矩给定至零；
137.测量控制单元向被测变频器发送停机指令，整套系统停机；
138.测量控制单元按照开关Q3、开关Q2、开关Q1的顺序依次断开各开关；
139.测试期间，通过人工观察来确定被测变频器是否存在停机；测量控制单元采集被测电机的输出电流、电压的波形，并计算被测变频器的输出功率；对采集的转矩信号进行谐波分析，分析被测电动机的转矩直流分量和谐波分量；同样的，谐波电压过高会引起电机的温升增加，测试结束后，亦应测量电机的温升。综合以上数据得出系统的抗谐波畸变扰动耐受性评价。
步骤2、评价方法：
评价方法是针对变频器驱动电机系统在供电扰动下的耐受性并以系统是否停机为基础、综合系统的转矩或功率波动幅度以及电机的温升为指标的耐受性评价方法，具体步骤如下：
21.在供电扰动下，当变频器驱动电机系统出现停机现象时，耐受性评价指数Stol＝0，即认为系统对于供电扰动没有耐受性。
22.在供电扰动下，当变频器驱动电机系统仍能持续运行时，耐受性评价指数按照以下公式进行取值：
Stol是耐受性评价指数；
kf是基波转矩(功率)波动加权系数；
T1是测量的基波转矩(功率)，直流分量；
Ts是转矩(功率)设定值；
kh是谐波转矩(功率)波动加权系数；
Ti是i次谐波转矩(功率)，交流量；
kt是温升加权系数；
kp是温升增益；
Δt是测量的电机温升；
tmax是电机的温升限值；
tset是系统在正常供电下电机的温升控制值；
e是数学常数,即自然对数函数的底数。
对于恒转矩负载，T代表的为电机的输出转矩，对于恒功率负载，T代表的是电机的输出功率。
耐受性评价采用在基础分值100上减分的形式，转矩或者功率的波动、谐波转矩或功率即相当于转矩或者功率的脉动、电机的温升对于耐受性来说都是减分项。转矩或者功率由基波转矩和谐波转矩构成。理论上，电机输出的转矩应平稳无变化，是直流量，这部分转矩定义为基波转矩。在供电扰动下，引入基波转矩相对于设定转矩的比值作为评价指标的一部分，乘以设定的加权系数kf能够反映系统出力的波动对耐受性的影响。另外，当供电电压出现不平衡时，或者谐波供电电压下，电机的出力会出现各次的谐波分量，通过对转矩信号进行傅里叶分析，能够得到各次的谐波转矩，这种谐波转矩能够很好地反映电机的振动和噪声，取各次谐波转矩的方均根值与设定转矩的比值作为评价指标的组成部分，并乘以设定的加权系数kh能够反映谐波转矩对耐受性的影响。
电机的温升是耐受性的重要指标，因为温度对于电机的绝缘和寿命有很大影响。本实用新型采取的是指数函数的形式。当异常供电下的温升Δt小于正常供电下的温升控制值tset时，温升对于电机的影响较小，属于正常范围，此时指数函数的幂为负，数值较小，且变化不大，对评价指数总的影响较为平和；当异常供电下的温升Δt大于正常供电下的温升控制值tset但小于温升限值tmax时，温升对于电机的影响很大，此时指数函数的幂为正，取值随着温升的增加迅速增大，耐受性评价指数将明显减小。通过温升增益系数kp能够调节温升对评价系数的变化速度。
另外，kf、kh、kt能够根据系统情况进行合适的选取，反应了三者之间的权重关系。kh要小于kf和kt。采用上述评价方法，能够综合反映在供电扰动下，系统的运行能力、出力稳定性、振动和温升的性能，得到系统的耐受性评价指数。
本实用新型的优越效果是：
1.本实用新型针对的对象是一种变频器驱动电机系统，对变频器、电机两者在电网扰动下的响应都能测试和评价。
2.本实用新型所提出的供电扰动是一种广义的电能质量问题，包括电压瞬变、电压波动闪变、高含量谐波导致的电网波形畸变、频率偏移，测试的是在电能质量下降时变频器和电机的耐受性。所采用的电力电子扰动发生器能够通过控制算法实现所述的电能质量现象模拟。
3.本实用新型提出的耐受性包括是否停机、出力波动、温升相结合的评价指标，通过相应的测量系统对关键数据进行采集，并针对耐受性提出了相应的评价体系。对于变频器而言，电压的瞬间跌落、电网波形的畸变会直接导致变频器因欠压保护、触发失败而闭锁停机，对于电机而言，电压的长时波动、谐波增加、不对称跌落都会导致电机的出力波动和温升增加，耐受性评价是一种对电机变频器系统是否能够使用户使用要求的综合性能评价。
4.本实用新型以集装箱为检测环境，能够使电力电子设备有一个比较稳定的工作环境，同时又能方便运输；具有精确的调压、调频和强大的故障模拟能力并能够实现能量回馈和转速、转矩协调控制以满足测试工况需求；能够实现高速高精度采集电气量和机械量、测量电机绕组的温升、控制软件集启停机、转矩控制、实时显示和录波、开关控制、数据分析计算功能；能够提供舒适的测试环境且操作监控方便快捷并实现了远程操作。本实用新型能广泛地应用于火电厂、石化行业重要辅机及其变频器测试的相关技术领域。
附图说明
图1是本实用新型所述装置的结构示意图；
图2是本实用新型所述装置的工作步骤流程图；
图3是本实用新型本实用新型所述装置的测量控制单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。
本实用新型所述装置结构如图1、图3所示：本实用新型所述装置包括：供电电网、开关Q1、开关Q2、开关Q3、供电扰动发生器、被测变频器、被测电动机、被拖发电机、滤波装置、电压补偿装置、蓄电池组、测量控制单元、底座、转轴、不间断供电电源UPS、并网变频器。被测变频器分别与不间断供电电源、电压补偿装置、滤波装置、蓄电池组、测量控制单元、并网变频器、被测电动机、被拖发电机连接；供电扰动发生器分别与测量控制单元、电压补偿装置、滤波装置连接。
如图3所示：测量控制单元包括：上位机、采样电路、信号调理电路、A/D转换器、数字处理芯片、通信总线、转轴、光电编码器、脉冲处理电路、被测变频器控制芯片、脉冲驱动电路、逆变电路、扭矩传感器、并网变频器控制芯片、供电扰动发生器控制芯片、直流电阻测试仪。采样电路、信号调理电路、A/D转换器、数字处理芯片通过通信总线与上位机连接；转轴、光电编码器、脉冲处理电路、被测变频器控制芯片通过通信总线与上位机连接；转轴、扭矩传感器、并网变频器控制芯片通过通信总线与上位机连接；逆变电路、脉冲驱动电路、供电扰动发生器控制芯片通过通信总线与上位机连接。
本实用新型的工作流程及原理如下：如图1所示，供电电网经开关Q1连接基于背靠背电力电子装置的供电扰动发生器，供电扰动发生器经开关Q2连接被测变频器，为被测变频器供电，被测变频器连接被测电动机，为被测电动机提供电能和转速控制，同转轴连接的被拖发电机作为被测电动机的负载，在被测电动机的拖动下，被拖发电机发出电能，通过连接在被拖发电机定子侧的背靠背的并网变频器及开关Q3，经过整流和逆变将电能回馈至供电电网，安装在集装箱之中。图1中，实际测试时，滤波装置施加在供电扰动发生器和被测变频器交流输入侧之间，电压补偿装置设置在供电扰动发生器和被测变频器直流或者交流母线之间，起到电压支撑的作用，蓄电池组并联在被测变频器的直流母线上，在扰动时起到旁路支撑作用，不间断供电电源UPS接在供电电网和被测变频器交流输入侧之间，在供电扰动时自动供电，起到不间断供电的作用。
如图1和图3所示的本实用新型所述装置的测量控制单元，图1展示了测量控制单元与本实用新型所述装置的连接，图3为测量控制单元的具体结构。测量控制单元用来采集图1所示的各类参数，包括电压电流的电气量、转速转矩的机械量以及电机的定子电阻值，经过图3所示的各路信号处理环节将采集的参数传输至上位机；上位机为测量控制单元的控制部分，作用是通过与供电扰动发生器的通信实现扰动发生控制、通过与被测变频器的通信实现转速、启停控制，通过与并网变频器的通信实现转矩控制，通过与开关控制回路的通信实现开关控制，以及将测量控制单元上传的数据进行记录存储显示，并根据评价算法得出被测对象的供电扰动耐受性评价。图2是本实用新型所述装置的测试流程。测试时，系统先在正常供电下通过转速、启停控制将电机启动并稳定在规定的转速，然后通过转矩控制实现加载，然后通过扰动发生控制产生设定时间、设定指标要求的电网扰动即电能质量问题，扰动结束后，本实用新型所述装置通过上位机控制停机。测试期间，测量电机是否停机、电机的转矩变化、电机的输入电压电流、电机的温升的参数并上传至上位机，通过上位机来得到被测变频器驱动下的被测电动机的供电扰动耐受性评价。
所述供电扰动发生器一方面能够实现被测变频器的正常供电，另一方面能够产生供电扰动。供电扰动发生器采用功率级全控电力电子器件，具有四象限运行能力，能够实现能量回馈，三相电压幅值、相位能够独立调节，具备电压可调、频率可调、谐波可控、电网模拟的功能，除了常见供电故障导致的各种类型的电压跌落，包括三相对称及不对称、两相、单相跌落以外，还能够模拟局部供电电网的频率波动、谐波污染、电压波动的电能质量现象。
所述供电扰动发生器参数如下：
1.功率：20kW；
2.输入电压：三相380V±15；
3.交流输出电压：0～690V三相独立调节；
4.能够在基波基础上叠加2～50次谐波；
5.可编程电压幅值、频率、相位；
6.电压相位0～360°可调，调节步长1°；
7.交流电压调节步长0.1V；
8.输出电压频率0.1Hz～400Hz，调节步长0.01Hz；
9.频率输出精度≤0.01Hz；
10.电源稳压率≤0.5％；
11.设置总THD 0～20％，多种谐波组合，分别设置单次谐波占比；
12.电压失真度≤1％(线性负载)；
13.设置负序不平衡度0～100％，解析度：0.1％；
14.设定持续时间10ms～10min，解析度：1ms；
15.设置波动闪变幅值Pst＝1～10；
16.过载能力：110％In:1min；120％In:30s；2In:2s。
被测变频器：为被测电动机提供电能和启停、转速控制。
被测电动机：为整套系统的测试对象之一，作为驱动电机。
抗扰动装置：抵御电网扰动的装置，如抗电压跌落的电压补偿装置，输入侧的各种配套滤波装置、蓄电池组、不间断供电电源UPS，如图1虚线框内所示。
被拖发电机与被测电动机同轴连接，作为被测电动机的负载，还包括底座、转轴的部分。
所述被拖发电机参数如下：
1.额定功率：22kW；
2.额定电压：380V；
3.额定转矩：142.93N.m；
4.额定电流：42.5A；
5.额定转速：1480r/min；
6.频率范围：恒转矩方式5～50Hz，恒功率方式50～100Hz；
7.接法：Δ。
并网变频器为四象限变流器，连接被拖发电机定子侧，将被拖发电机发出的交流电经过整流和逆变转变为50Hz的工频交流电并入供电电网，实现能量回馈，提高了整套系统的效率，同时实现转矩的闭环控制，从而控制并网功率，实现负载控制。
所述开关实现电气回路的开关连接，所述开关包括电源与供电扰动发生器之间的开关Q1，供电扰动发生器与被测变频器之间的开关Q2，以及并网变频器与供电电网之间的并网开关Q3，开关采用小型断路器形式，能够抵抗分合闸瞬间的电流冲击，防止损坏电力电子设备。
所述测量控制单元用于实现模拟量的测量、处理和显示、开关控制、负载系统的转矩控制以及供电扰动发生器的扰动发生控制，分为采集区、显示区、数据计算区和控制操作区。如图3所示，电压电流的电气模拟量经过采样电路和信号调理电路，转变为适用于A/D转换器的模拟输入信号，经过高精度的A/D转换器转换为数字信号，数字信号传递给数字处理芯片进行数据的处理和计算，然后通过通信总线上传至上位机进行显示和存储；位于转轴上的光电编码器通过转轴的转动输出一系列的光栅脉冲，经过脉冲处理电路处理后传输给被测变频器控制芯片，通过计数得到电机的转速信号，通过通信总线实时传输至上位机进行显示；位于转轴上的扭矩传感器将扭矩作用力转变为电信号传输至并网变频器控制芯片，并网变频器控制芯片通过通信总线将实测转矩数值实时传输至上位机进行显示和存储；被测电动机的定子三相绕组连接直流电阻测试仪，测得的三相定子电阻值通过通信总线传输到上位机，用于计算定子绕组的温升。通过上位机的显示器实时显示各电压电流转速转矩波形和数值以及各开关的分合闸状态，同时能够显示功率的二次计算量。
数据计算区根据采集的电压电流计算各功率值，根据被测电动机定子电阻值计算被测电动机的温升，同时对转矩进行傅里叶分析，根据温升、傅里叶分析的各谐波转矩分量及相关给定参数按照公式(1)计算耐受性评价指数。
控制操作区给出各种指令，如图3所示，上位机输出的转速、启停机指令经过通信总线传递至被测变频器控制芯片，被测变频器控制芯片输出开关控制信号，经过被测变频器内部的脉冲驱动电路放大后，传递至被测变频器内部的逆变电路，从而实现被测电动机的转速、启停控制；上位机输出的转矩指令经过通信总线传递至并网变频器控制芯片，并网变频器控制芯片按照转矩控制算法输出开关信号至内部的脉冲驱动电路，经放大后输出至内部的逆变电路从而实现被拖发电机的转矩控制；上位机输出的扰动发生指令经过通信总线传递至供电扰动发生器控制芯片，同样经过内部的脉冲放大电路和内部的逆变电路至被测变频器，产生相应的供电扰动；同时，上位机还能够输出开关的分合指令至开关内部的控制回路，控制开关触点，实现开关控制。
测量控制单元安装有显示器并内置有电脑主机，操作面板上有电气接线示意图，开关的状态有指示灯指示，试验数据能够导出*.txt，*.csv，*.xls的格式的文件方便进行处理。控制软件采用LABVIEW程序编写。同时，测量控制单元配备有供电扰动发生器和并网变频器的过压、过流保护，短路保护，过温保护，直流母线过电压保护。
测量控制单元参数：
1.A/D转换器采集通道：16路；
2.A/D转换器采样频率：10kHz；
3.A/D转换器分辨率：16位；
4.扭矩传感器测量精度：±0.2％；
5.扭矩传感器最大测量转矩：200N.m。
本实用新型所述装置安装在集装箱中以方便转运，所述集装箱为20英尺标准集装箱，防护等级IP54，适合室外长期存放整套系统。所述集装箱内按场地使用功能划分为办公区、设备区、测试区3个区域并有明显标记。集装箱装有相应的空气调节装置，为工程人员提供较为理想工作环境。所述集装箱装有相应的照明、消防、应急照明装置。所述集装箱具有外部电源接口，满足其照明及测试用电的需要。
本实用新型所述变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置的工作步骤如下：
步骤1、测试方法：
11.抗瞬时电压扰动测试：
111.测量控制单元给出指令，闭合开关Q1、开关Q2；
112.测量控制单元给定目标转速，向被测变频器发送启动命令，被测变频器拖动被测电动机和被拖发电机空载软启动至目标转速；
113.测量控制单元给出指令，闭合开关Q3，系统并网；
114.测量控制单元上缓慢增加转矩给定，系统加载至目标转矩；
115.测量控制单元向供电扰动发生器发出扰动指令，包括电压跌落幅度和持续时间以及跌落产生的相别，供电扰动发生器按照要求产生设定的时间和幅度的电压跌落，是三相对称、不对称跌落、两相跌落、单相跌落，跌落结束后，自动恢复至正常供电；
116.测量控制单元上缓慢减小转矩给定至零；
117.测量控制单元向被测变频器发送停机指令，整套系统停机；
118.测量控制单元按照开关Q3、开关Q2、开关Q1的顺序依次断开各开关；
119.在扰动期间，通过人工观察来确定被测变频器是否存在停机；测量控制单元采集被测变频器的输出电流、电压波形，计算输出功率；通过采集转矩信号并通过傅里叶分析得到转矩的平均值和各次谐波分量；由于不同的跌落可能会导致电机中存在负序磁场，引起电机发热，测试结束后，立刻采用直阻测试仪测量被测电动机定子绕组的电阻，测量控制单元根据绕组电阻计算出绕组温度，得到电机定子绕组的温升。综合以上数据得出系统的抗瞬时电压扰动耐受性评价。
12.长时电压波动测试：
121.测量控制单元给出指令，闭合开关Q1、开关Q2；
122.测量控制单元给定目标转速，向被测变频器发送启动命令，被测变频器拖动被测电动机和被拖发电机空载软启动至目标转速；
123.测量控制单元给出指令，闭合开关Q3，系统并网；
124.测量控制单元上缓慢增加转矩给定，系统加载至目标转矩；
125.测量控制单元向供电扰动发生器发出扰动指令，包括变动频度、变动量、持续时间，供电扰动发生器按照要求在数十分钟内产生设定的变动频度[4]和变动量[4]的电压波动。波动结束后，自动恢复至正常供电。
126.测量控制单元上缓慢减小转矩给定至零；
127.测量控制单元向被测变频器发送停机指令，整套系统停机；
128.测量控制单元按照开关Q3、开关Q2、开关Q1的顺序依次断开各开关；
129.测试期间，通过人工观察来确定扰动期间被测变频器是否存在停机；测量控制单元采集被测电机的输出电流、电压波形，通过计算得到变频器的输出功率；通过采集转矩信号，来计算被测电动机的转矩相对于无干扰供电下的波动幅度；由于长时间的电压波动同样会引起绕组的异常发热，按照同样的方法测量电机绕组的温升。综合以上数据得出系统的抗长时电压波动耐受性评价。
13.谐波扰动测试：
131.测量控制单元给出指令，闭合开关Q1、开关Q2；
132.测量控制单元给定目标转速，向被测变频器发送启动命令，被测变频器拖动被测电动机和被拖发电机空载软启动至目标转速；
133.测量控制单元给出指令，闭合开关Q3，系统并网；
134.测量控制单元上缓慢增加转矩给定，系统加载至目标转矩；
135.测量控制单元向供电扰动发生器发出扰动指令，包括谐波幅值、谐波次数、持续时间，供电扰动发生器按照要求在正常电压波形上叠加电压谐波，通过此方法模拟电网的波形畸变。畸变结束后，自动恢复至正常供电。
136.测量控制单元上缓慢减小转矩给定至零；
137.测量控制单元向被测变频器发送停机指令，整套系统停机；
138.测量控制单元按照开关Q3、开关Q2、开关Q1的顺序依次断开各开关；
139.测试期间，通过人工观察来确定被测变频器是否存在停机；测量控制单元采集被测电机的输出电流、电压的波形，并计算被测变频器的输出功率；对采集的转矩信号进行谐波分析，分析被测电动机的转矩直流分量和谐波分量；同样的，谐波电压过高会引起电机的温升增加，测试结束后，亦应测量电机的温升。综合以上数据得出系统的抗谐波畸变扰动耐受性评价。
步骤2、评价方法：
评价方法是针对变频器驱动电机系统在供电扰动下的耐受性并以系统是否停机为基础、综合系统的转矩或功率波动幅度以及电机的温升为指标的耐受性评价方法，具体步骤如下：
21.在供电扰动下，当变频器驱动电机系统出现停机现象时，耐受性评价指数Stol＝0，即认为系统对于供电扰动没有耐受性。
22.在供电扰动下，当变频器驱动电机系统仍能持续运行时，耐受性评价指数按照以下公式进行取值：
Stol是耐受性评价指数；
kf是基波转矩(功率)波动加权系数；
T1是测量的基波转矩(功率)，直流分量；
Ts是转矩(功率)设定值；
kh是谐波转矩(功率)波动加权系数；
Ti是i次谐波转矩(功率)，交流量；
kt是温升加权系数；
kp是温升增益；
Δt是测量的电机温升；
tmax是电机的温升限值；
tset是系统在正常供电下电机的温升控制值；
e是数学常数,即自然对数函数的底数。
对于恒转矩负载，T代表的为电机的输出转矩，对于恒功率负载，T代表的是电机的输出功率。
耐受性评价采用在基础分值100上减分的形式，转矩或者功率的波动、谐波转矩或功率即相当于转矩或者功率的脉动、电机的温升对于耐受性来说都是减分项。转矩或者功率由基波转矩和谐波转矩构成。理论上，电机输出的转矩应平稳无变化，是直流量，这部分转矩定义为基波转矩。在供电扰动下，引入基波转矩相对于设定转矩的比值作为评价指标的一部分，乘以设定的加权系数kf能够反映系统出力的波动对耐受性的影响。另外，当供电电压出现不平衡时，或者谐波供电电压下，电机的出力会出现各次的谐波分量，通过对转矩信号进行傅里叶分析，能够得到各次的谐波转矩，这种谐波转矩能够很好地反映电机的振动和噪声，取各次谐波转矩的方均根值与设定转矩的比值作为评价指标的组成部分，并乘以设定的加权系数kh能够反映谐波转矩对耐受性的影响。
电机的温升是耐受性的重要指标，因为温度对于电机的绝缘和寿命有很大影响。本实用新型采取的是指数函数的形式。当异常供电下的温升Δt小于正常供电下的温升控制值tset时，温升对于电机的影响较小，属于正常范围，此时指数函数的幂为负，数值较小，且变化不大，对评价指数总的影响较为平和；当异常供电下的温升Δt大于正常供电下的温升控制值tset但小于温升限值tmax时，温升对于电机的影响很大，此时指数函数的幂为正，取值随着温升的增加迅速增大，耐受性评价指数将明显减小。通过温升增益系数kp能够调节温升对评价系数的变化速度。
另外，kf、kh、kt能够根据系统情况进行合适的选取，反应了三者之间的权重关系。kh要小于kf和kt。采用上述评价方法，能够综合反映在供电扰动下，系统的运行能力、出力稳定性、振动和温升的性能，得到系统的耐受性评价指数。
如图1所示，以电压跌落测试为例，本实用新型以变频器驱动的鼠笼式三相异步电动机、残压升压式直流母线电压补偿装置为测试对象，进行了测试。
残压升压式直流母线电压补偿装置类属于图1中的电压补偿装置中的一种，并联在变频器输入电源和变频器直流母线之间，在电压正常时，电压补偿装置不工作，变频器在供电电压下正常工作，当扰动发生器发出电压跌落时，电压补偿装置检测被测变频器的直流母线电压，当直流母线电压跌落至设定值时，电压补偿装置支路开始工作，利用电源残压，结合内部的升压电路进行升压，从而维持直流母线电压恒定，使变频器正常驱动电机运行。
下面介绍了三种工况下的测试结果：
工况1：
频率:30Hz
转速:857r/min
转矩:47Nm
变频器功率:4.8kW
跌落深度：AB两相60％
跌落时间：5s
工况2：
频率:30Hz
转速:855r/min
转矩:47Nm
变频器功率:4.8kW
跌落深度：三相25％
跌落时间：5s
工况3：
频率:30Hz
转速:855r/min
转矩:47Nm
变频器功率:4.8kW
跌落深度：AC两相25％
跌落时间：5s
工况4：
频率:30Hz
转速:855r/min
转矩:47Nm
变频器功率:4.8kW
跌落深度：C相25％
跌落时间：5s
从实际测试结果来看，在供电电压单相、两相、三相不同幅值的跌落扰动下，电压补偿装置均投入运行，被测变频器和被测电动机在电压补偿装置的直流母线电压支撑下无干扰、正常运转，输出电压维持稳定，电机的输出转矩也保持稳定，电机温升属于正常范围，整个系统具有较强的抗电压跌落耐受性。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置，其特征在于，包括：供电电网、开关Q1、开关Q2、开关Q3、供电扰动发生器、被测变频器、被测电动机、被拖发电机、滤波装置、电压补偿装置、蓄电池组、测量控制单元、底座、转轴、不间断供电电源UPS、并网变频器；被测变频器分别与不间断供电电源、电压补偿装置、滤波装置、蓄电池组、测量控制单元、并网变频器、被测电动机、被拖发电机连接；供电扰动发生器分别与测量控制单元、电压补偿装置、滤波装置连接。
2.根据权利要求1所述的变频器驱动电机系统供电扰动耐受性测试、评价装置，其特征在于，所述测量控制单元包括：上位机、采样电路、信号调理电路、A/D转换器、数字处理芯片、通信总线、转轴、光电编码器、脉冲处理电路、被测变频器控制芯片、脉冲驱动电路、逆变电路、扭矩传感器、并网变频器控制芯片、供电扰动发生器控制芯片、直流电阻测试仪；采样电路、信号调理电路、A/D转换器、数字处理芯片通过通信总线与上位机连接；转轴、光电编码器、脉冲处理电路、被测变频器控制芯片通过通信总线与上位机连接；转轴、扭矩传感器、并网变频器控制芯片通过通信总线与上位机连接；逆变电路、脉冲驱动电路、供电扰动发生器控制芯片通过通信总线与上位机连接。
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2017
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