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變頻器的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試探討

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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。它以優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果和廣泛的合用性而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為世界上最抱負(fù)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)樸、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)營(yíng)，系統(tǒng)的功率密度大。變頻器的實(shí)驗(yàn)規(guī)定目前，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/T3886.1-2023、JB/T10251-2023、GB/T12668.1-2023、GB/T12668.2-2023、GB/12668.3-2023、GB/T12668.4。此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在進(jìn)行最后階段的審批。變頻器的實(shí)驗(yàn)類型涉及型式實(shí)驗(yàn)、出廠實(shí)驗(yàn)、抽樣實(shí)驗(yàn)、選擇實(shí)驗(yàn)、車(chē)間實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)、目擊實(shí)驗(yàn)等。

電氣實(shí)驗(yàn)方面重要是測(cè)量變頻器的輸入、輸出值，涉及：

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)載能力合用于額定的轉(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)鐵之間互相作用的電磁力所擬定的偏轉(zhuǎn)角度而擬定。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擬定刻度，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。其他類型的變頻器與此類似，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，重要有日本橫河（YOKOGAWA）的WT系列諧波分析儀，如WT1600、WT3000等。這類產(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)成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?？梢哉f(shuō)，一臺(tái)WT諧波分析儀可以替代一堆傳統(tǒng)儀表，保證測(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，涉及三相電源輸入、三相輸出、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械輸出（轉(zhuǎn)速、扭矩）等。假如被測(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。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，變頻器的輸入電流涉及高次諧波，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)，具有較多的高次諧波。而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩重要依賴于基波電壓有效值，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，由于該值更合適地反映了驅(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)量也提出了更高的規(guī)定。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，改善了設(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，兩者會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展不斷推陳出新。外商投資先進(jìn)技術(shù)公司的確認(rèn)1、確認(rèn)依據(jù)《關(guān)于確認(rèn)和考核外商投資的產(chǎn)品出口公司和先進(jìn)技術(shù)公司的實(shí)行辦法》等。2、確認(rèn)條件（1）屬于國(guó)家鼓勵(lì)外商投資的生產(chǎn)性項(xiàng)目；（2）采用國(guó)際先進(jìn)和合用的工藝、技術(shù)和設(shè)備；（3）生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)性能處在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。（4）生產(chǎn)的產(chǎn)品為有形產(chǎn)品。注：如屬?gòu)氖赂咝录夹g(shù)開(kāi)發(fā)的公司，雖不生產(chǎn)有形產(chǎn)品，也可申報(bào)確認(rèn)為先進(jìn)技術(shù)公司。3、確認(rèn)程序（1）凡符合“先進(jìn)技術(shù)公司”的外商投資公司，在其投產(chǎn)6個(gè)月后，即可向省級(jí)商務(wù)部門(mén)申請(qǐng)確認(rèn)“先進(jìn)技術(shù)公司”，領(lǐng)取有關(guān)申請(qǐng)表格；（2）備齊申報(bào)材料并經(jīng)本地審批機(jī)關(guān)初審；（3）初審合格后，本地審批機(jī)關(guān)行文報(bào)審機(jī)關(guān)；（4）審批機(jī)關(guān)將協(xié)議與有關(guān)部門(mén)進(jìn)行進(jìn)一步的審核后,頒布文獻(xiàn)及證書(shū)。注：除審批機(jī)關(guān)認(rèn)為有必要復(fù)核外，先進(jìn)技術(shù)公司可不進(jìn)行逐年考核。4、需報(bào)材料（1）先進(jìn)技術(shù)公司確認(rèn)申請(qǐng)書(shū)；（2）項(xiàng)目可