SM150中壓變頻器在大功率測試系統中的應用

摘要：近年來，隨著科學技術水平的不斷發展和進步，各類大功率的設備越來越多，德國西門子公司推出的SM150中壓變頻器具有非常多的優點，其現已被廣泛應用于各類系統當中。文章首先對SM150中壓變頻器進行簡介，并在此基礎上對大功率測試系統中的SM150中壓變頻器的具體應用進行研究。

關鍵詞：SM150；中壓變頻器；大功率測試

中圖分類號：TD634 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）13-0046-02

1 SM150中壓變頻器簡介

SM150系列變頻器是德國西門子公司的主推產品，該系列變頻器的成功推出，使2.3～7.2kV大功率中壓變頻調速裝置獲得高動態性能變為可能，其能夠對0～9000RPM范圍內的傳動速度進行精準控制。同時，該系列變頻器還能對線路供電進行再生反饋，而且還能用作帶IGCT半導體器件電機驅動裝置的中壓驅動，它的傳動控制功能具體包括以下幾項：矢量控制、傳動順序控制、速度控制、同步電機勵磁控制、軸定位控制、波形監視、電機冷卻與潤滑以及軸瓦溫控等等。SM150中壓變頻器的整流與逆變的功率元件采用的是相同的設計，兩者的硬件結構基本一致，全部都是采用獨立的水冷單元完成系統的冷卻，以此來降低系統運行過程中的噪音和溫度。SM150變頻器自帶有源前端，并且還能以四象限運行，其結構為中點鉗位的三電平，該變頻器的控制核心為D445控制器，單臺最大功率為10MVA，3臺并聯可以組成28MVA的逆變器。此外，SM150變頻器還可以構成公共直流母線帶若干個逆變器的系統。SM150變頻器的整流與逆變單元全部都是由相模塊構成，每個模塊由4塊IGCT組成，其中整流單元自帶有源前端，水冷單元則是由泵系統、去離子和熱交換裝置構成，控制單元由D445組成。

下面簡要介紹一下SM150中壓變頻器的功能特點：其一，SM150具有非常靈活的電機保護功能。其允許電機在過載情況115%的條件下長期運行，當電機過載達到225%以上時，能夠運行60秒，過載超過250%時，則可以運行20秒，一旦電機過載超出275%便會自行速斷，以此來保護電機不受損壞；其二，控制性能。SM150變頻器的這一性能主要是針對同步電動機而言的，當存在速度反饋時，其最大輸出功率可達90Hz，控制精度則能夠達到±0.01%，弱磁調速范圍是1∶4，力矩控制精度為±2%；其三，功率因素可調。SM150變頻器的變換效率能夠達到0.99，IGCT的開關頻率較低，僅為200Hz，其功率相對較小。

2 大功率測試系統中SM150中壓變頻器的具體應用

對于大功率測試系統而言，其設計的基本原則是應當滿足相應的測試需求，為了便于本文研究，下面以某大功率齒輪箱的出廠測試為依托，對SM150中壓變頻器在其測試系統中的應用進行介紹。

2.1 測試系統的構成

該測試系統主要由以下五個部分構成：

（1）整流變壓器。其為S1連續工作制，整體容量為7750kVA，連接組別為DY5，電壓等級為10kV/3.3kV。

（2）變頻器。該測試系統的變頻器采用的是SM150中壓變頻器，其具有如下優點：設計緊湊、組態靈活，便于工廠集成的實現；操作界面友好、簡單，方便操作人員對系統進行控制；變頻器能夠在需要維護時自動發出信號，有效確保系統的安全穩定運行；變頻器采用的IGCT技術和無保險設計，既堅固又可靠；變頻器自帶的標配接口能夠與自動化系統相連接；電源部分的創新性設計更加便于維修；柜門上的操作面板能夠顯示實際運行工況和設定相關參數，并且還能對故障發出告警顯示。

（3）交流變頻電機。為滿足該大功率測試系統的需要，交流變頻電機的額定輸出功率設定為20MW，轉速為996PRM，不但能夠正轉而且還能反轉，同時電機為S1工作制，冷卻方式水冷。冷卻水系統由熱交換裝置與冷卻水循環泵組成，主要負責對變頻器進行冷卻。

（4）PLC。測試系統的主控采用的是S7-300系列PLC，并配以工業以太網接口模塊，能夠通過CAN對控制器進行編程及調試。

（5）人機界面。測試系統的人機交互界面是其重要的組成部分之一，在操作面板上能夠實現快速維修和本地操作兩種模式，在工控機上則能夠實現遠程控制。利用人機交互界面能夠非常方便地對系統進行監控，具體包括輸入設定值、實際值輸出以及系統狀態實時監控等。

2.2 SM150變頻器驅動功能

驅動系統主要由以下幾個部分構成：整流變壓器、整流單元、隔離開關柜、變頻器水冷系統、逆變單元和變頻電機等等。具體模塊如下：整流模塊、逆變模塊、控制單元、操作單元。SM150變頻器具有本地、維修和遠程操控三種模式，借助PLC柜面上的開關能夠進行模式切換，其中維修模式主要負責對變頻器系統的檢查，包括變頻器、變壓器、電機的風機啟停、冷卻系統啟停等功能；本地模式通過CAN總線與D445進行通訊，以此來實現對測試系統的啟停等操作；遠程控制模式采用的是工控機，并通過以太網與D445進行通訊，對系統啟停進行操作。SM150變頻器是由3個獨立的整流單元構成的，每個單元分別對自身的母線進行控制，并使其維持在4800V左右，而3個逆變單元則是通過D445進行同一控制，IGCT的觸發信號是利用光纖進行傳輸，進而確保了3個逆變三元之間的輸出電流同相位。SM150變頻器具有以下保護功能：電機繞組溫度異常保護、變壓器溫度異常保護、IGCT單元溫度異常保護等。整個變頻器系統具有故障分析和記錄功能，并且還具備過電壓、欠電壓、過電流、過載、接地短路等故障保護功能，相關的故障報警信息通過CAN總線傳輸至上位機進行數據存儲。

3 結語

綜上所述，由于SM150中壓變頻器采用的是D445，其在功能上更加靈活，整個系統具有運行穩定性高、可靠性強等優點，它的模塊化設計理念為維護與維修提供了方便，用戶只需要按照自身的需求進行合理應用，便可以節省大量的維護時間和成本。

參考文獻

[1] 徐捷爽.全新構架的中大功率分立器件測試系統的研制[J].中國集成電路，2010，（10）.

[2] 于恩波，盧楠，孫占功.探討振蕩波測試系統在電纜局部放電測試及定位中的應用[A].山東電機工程學會第十二屆優秀論文匯編[C].2011.

[3] 安明.基于負載牽引法的微波大功率自動調配器的控制軟件的研究及其應用[D].西安電子科技大學，

2011.

[4] 郭士瑞，馮建科，房征.FPGA器件在高速測試系統上的測試方法[A].2010全國測控、計量與儀器儀表學術年會論文集（上冊）[C].2010.

[5] 馬力，蔣煥文.快速頻率特性測試系統——第三代自動測試系統的研究[J].北方交通大學學報，2009，（4）.

作者簡介：鄒秋元（1966—），男，湖南祁東人，湖南衡陽二七二社區電氣工程師，碩士，研究方向：電氣能源節約和管理、工廠變配電技術、電氣自動化。

（責任編輯：周 瓊）