摘 要: 罗克韦尔PowerFlex7000变频器在九洲中压变频实验站测试系统中作为变流逆变器使用，由于本身属于电流源型变频器，具有四象限运行功能，能够实现能量的回馈和对电机的制动，先进的矢量控制技术，可以实现各种复杂多变的负载特性，在模拟电机负载方面起到了其他变频器无可替代的作用，实现了变频器出厂之前的满负荷测试。
关键词: PowerFlex7000，电流源型，矢量控制，能量回馈
1 引言
随着经济的飞速发展，能源问题日益成为越来成为人们最关心的问题，能源分可再生资源和非可再生资源，当非可再生资源越来越短缺的时候，如何节约能源，便是当前最需解决的问题。当前工业用电成本不断加大，为了降低成本，调速设备在工厂中得到了广泛的应用，伴随着技术的不断成熟，变频调速设备在工业中倍受欢迎，由此在变频器市场引发的竞争是日益激烈，特别是在中压变频器的市场竞争更加残酷。如果谁能够在市场竞争中占据一定的优势，那么谁就能笑到最后。
哈尔滨九洲电气与美国罗克韦尔公司合作共同建立了亚洲最大的中压变频实验基地——哈尔滨九洲中压变频实验站，能够完全实现中压变频器出厂前的满载测试，满足不同用户的实际需求。哈尔滨九洲变频实验站采用的是罗克韦尔自动化公司生产的PowerFlex7000型中压变频器作为实验站主体，实现中压变频器在出厂前模拟现场完成满负荷带载测试。有效的保证了变频器的质量。
2 PowerFlex7000型变频器的结构与特点
2.1 PowerFlex7000型变频器电路结构
PowerFlex7000是罗克韦尔自动化公司的第三代中压变频器。它的PowerFlex系列变频器融合了先进的技术，嵌入了通信功能，在多平台、网络、操作员界面编程和硬件方面具有强大的通用性。PowerFlex 7000是通用的独立式中压变频器，可以控制标准的同步或异步交流电动机的速度、转矩、方向、起动和停机。它适用于广泛的标准和特殊应用如风机、泵、压缩机、搅拌机、输送机、窑炉、风扇式泵和试车台。这些应用的主要行业包括石油化工、水泥、采矿和冶炼、发电和供水/废水处理。
PowerFlex7000型变频器不同于世界上其他厂家生产的中压变频器，它是世界上唯一的电流源型中压变频器，根据电流源型变频器的技术特点，它很容易实现四象限运行，比电压源型变频器控制更加简单，可靠。电机可以正反方向以电动机或发电机方式运行，当电机以发电机工作方式时，能量可回馈电网，再生制动，这就为九洲中压变频实验站进行满负荷测试实验提供了可能。
PowerFlex7000型变频器属于电流型中压变频器，它具有结构简单，元器件数量少，四象限运行，同时具有矢量控制功能等特点。图1中所示的是PWM控制方式的无输入变压器的电流型变频器的电路拓扑结构图。
图1 电流型变频器电路拓扑图
电路结构为交-直-交型，功率器件采用对称门极换流晶闸管（SGCT），对于6KV电压等级的变频器，每个桥臂采用3只耐压为6500V的SGCT串联，具有IGBT的全部优点，并能阻断双方向的电压，减少使用器件的数量，使驱动和吸收电路进一步简化，性能更加优越。
2.2 PowerFlex7000型变频器的工作原理
PowerFlex7000型变频器电路部分，分为高压主回路部分和低压控制回路部分。高压主回路功率单元部分也分两部分，整流侧（Rectifiers）和逆变侧（INVERTER）。三相6000V进线电源首先经过 AC LINE REACTOR （进线交流电抗器），进线侧交流电抗器可以提供额外的滤波功能和电流限制特性防止发生进线短路故障。然后进入整流侧，整流侧是由SGCT或SCR（对于18脉冲）组成的整流器将交流变为直流，在经过直流电抗器（DC LINK ）到逆变侧，通过脉宽调制方式，将直流变成交流，再通过电机侧滤波电容进行滤波，将近乎完美正弦电流电压波形输出到电机。低压控制回路部分包括显示操作界面，低压电路，各种控制电路板，不间断电源（UPS）等。
PowerFlex7000变频器是通过控制电机的转矩来控制电机速度的，通过计算和测量电机速度，并按要求调整转矩使被测速度等于速度命令。电机和负载决定了定子频率并使变频器与电机同步，这与大多数V/F控制的交流变频器形成了对照，V/F控制的变频器是变频器决定定子频率并且不能使输出与电机同步。PowerFlex7000的控制方式是直接矢量控制。术语矢量控制表明定子电流矢量的位置是相对于电动机磁通矢量而控制的。直接矢量控制意味着电机磁通可以测量，这与多数通用的间接矢量控制不同，间接矢量控制中电机的磁通是估算的。两种控制算法中，定子电流（ ）被分解为可以独立控制的磁通分量 和 正交转矩分量 ，矢量控制的目的就是获得与直流电动机相似的性能，可以快速改变转矩而不影响磁通。 图2 为 powerflex7000控制系统功能块图。
图2 powerflex7000系统功能块图
3罗克维尔变频器实现带载测试原理
3.1负载测试的实现
九洲中压变频实验站共有三台测试电机，一台1000KW，两台2000KW，电压等级分别是6000V和10000V，未来还要引进一台5000KW的电机，可进行带载测试达到5000KW。三台电机由连轴器连接成同轴电机，其中两台作为待测变频器测试电机，另外一台与A-B PowerFlex7000型变频器相连做负载电机，由于电流型变频器直流环节是电抗器而不是电容，并采用了对称的功率器件，直流侧电压方向可以改变，因此可将电机电能回馈电网，实现四象限运行。运行时负载电机作为再生电机，通过A-B变频器将产生的电能逆变回馈到电网，节约了一部分能源，而且并不会对电网造成污染，所以称为再生变频器。九洲变频实验站主回路原理如图3所示
图3 实验站主回路原理图
我们知道异步电动机作为发电机运行，必须要有在相位上超前电压的电流进行激磁，而PowerFlex7000型变频器的接入恰好能满足这一要求，它可以对电机提供激磁电流，较好的解决了发电机激磁问题。当变频器拖动M1或M2电动机旋转时，M3电机与M1和M2同轴，所以M3电机的转子也同时旋转，启动罗克维尔的变频器时，则立即在定子三相绕组中通入励磁电流，使定子产生静止磁场。当M3转子由M1或M2的转子拖动旋转时，其导体切割磁场便感应电流并产生与转子方向相反的电磁制动转矩而实现制动，这样所存储的动能就转换成电能。
当能量回馈时，PowerFlex7000型变频器的控制器将晶闸管的触发角向后移动，整流器进入有源逆变状态，向电网回馈能量。该电流源型变频器采用了更加精确的矢量控制PWM整流控制算法，以提高网侧功率因数并降低网侧谐波。该过程是通过PowerFlex7000电流控制块功能实现的。
电流控制块的主要功能是确定输入端整流器和输出端逆变器触发角的大小。其输入是分别来自速度控制块和磁通控制块的直流母线电流命令值中的转矩分量和磁通分量，以及来自进线整流器反馈的直流母线电流和输入电压。 命令值和 命令值的平方和的平方根即为直流母线电流命令值，从直流电流基准值中减去测得的直流电流反馈值，即为直流电流误差，它也是电流调节器的输入信号。电流调节器的响应由参数电流调节器带宽，直流母线电感，和直流母线时间常数共同决定的。进线整流器触发角由直流电压基准值取反余弦得到的，驱动端逆变器触发角由 命令值和 命令值的比值取反正切而得。图4为电流控制模型。
图4 电流控制
Powerflex7000的PWM整流控制算法将电流控制块计算得到的网侧直流电流给定值与一般设为零的网侧交流电流给定值进行同步坐标反变换后，得到网侧逆变器的三相电流给定值，并直接通过PWM发生器输出至电网，对电网电流进行精确的控制。理想情况下可以将网侧功率因数提高到1左右，并最大限度地降低网侧谐波。
PowerFlex7000型（DTD）变频器采用的是SGCT整流，是完全受控的整流，带有输入电源检测板可以实时检测输入的电压和电流相位并通过CIB板（用户界面控制板）调整整流部分SGCT的触发角，从而达到矫正波形和补偿电网功率因数的作用，PowerFlex7000型变频器本身产生的谐波非常小，不会对电网产生影响。
当电机从正常运行，转入制动运行时，电动机的输出转矩从与转速同向变为与转速反向，电动机侧逆变器将电动机发出的有功功率传递给直流电感，促使直流电感电流上升，电感电流PI调节器检测到这一上升电流后，将触发θ向后移动，使网侧逆变器进入能量回馈状态。通过调整PowerFlex7000型变频器的PI调节器调整控制晶闸管的触发角，来调节电动机的输出转矩，由于M3电机是由M1或M2电机拖动的，所以增加M3的反向转矩，便对M3电机转子进行了制动，从而相当对M1或M2进行制动，而M1或M2电机是由被测试变频器驱动的，增加对M1和M2电机转子的制动转矩，便相当于增加了M1和M2电机的负载，这样就实现了对测试变频器的带载测试。根据九洲变频实验站的电机的额定功率，变频实验站可以测试额定功率为3000KW 的变频器。
通过上述可知，M3电机与PowerFlex7000型变频器相当于构成了一个模拟负载。PowerFlex7000型变频器采用的是直接转矩控制可以根据设定值输出转矩而不受速度限制。转矩的测量采用扭矩传感器，转矩的控制通过A-B公司RSLogix5000型PLC里的PID功能块完成。模拟负载电机M3工作在发电状态的时候发出的电经过SGCT整流回馈到直流母线上。PowerFlex7000型变频器本身带有VSBL（进线电压反馈板）用来检测和反馈进线电网电压的电压，相位，功率因数等参数。PowerFlex7000型变频器的CIB板可以根据检测到的电网参数通过控制SGCT的占空比和频率把直流电逆变成和电网本身完全同相位同频率的交流电回馈到电网。
3.2 PowerFlex7000型变频器的通讯与负载特性实验
PowerFlex7000型变频器与其他设备进行通讯采用的是CONTROLNET通讯方式，组态软件应用的是RSView SE Client组态软件。各个客户端可以对PowerFlex7000型变频器进行实时的状态监测和控制，并对产生的数据进行下载和保存。图5为九洲中压变频实验站系统原理图。
图5 变频实验站系统原理图
由于PowerFlex7000型变频器采用的是先进的矢量控制系统，通过计算机软件和PLC程序可以利用PowerFlex7000型变频器进行各种负载特性实验，比如与电机速度成正比例的负载特性试验；与电机速度平方成比例的负载特性试验；阶梯仿真负载特性试验；用户自定义负载特性试验等等。图6是罗克维尔变频器对电机进行阶梯负载控制界面。
图6 阶梯负载仿真界面
4 结语
PowerFlex7000型变频器作为再生变频器，不仅实现了对被测变频器进行负载测试，而且将产生的电能回馈到电网中去，节约了一部分能源，最根本的是真正检测了出厂变频器的带载能力和各项运行指标，从而验证了产品的稳定性和可靠性，并且可以对现场可能出现的各种复杂工况进行模拟测试，来检验产品对复杂多变的现场环境的反应能力和适应能力。从某种意义上来说，负载测试为提高变频器质量打下了坚实的基础。