變頻器負載試驗的四種方法對比分析
隨著國內變頻器技術的飛速發展，變頻器生產廠家的迅速崛起，變頻器的應用大戶、製造廠家迫切需要變頻器效能測試，最佳化載入裝置。如何選擇有效的測試機組成為一個值得研究的課題。本文透過對四種變頻器負載試驗方法的分析，從中看出各種方法都有優缺點。使用者可根據需要選擇什麼樣的測試方案，根據測試目的，選用不同的測試方案。
滑差電機原理介紹
由於以下的內容中，多用到電磁調速非同步電動機，俗稱滑差電機，因此，有必要對滑差電機的原理做一個簡單的介紹。電磁調速非同步電動機是由普通鼠籠式非同步電動機、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。非同步電機作為原動機使用，當它旋轉時帶動離合器的電樞一起旋轉，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。圖1是電磁滑差離合器結構示意圖，包括電樞、磁極和勵磁線圈三部分。電樞為鑄鋼製成的圓筒形結構，它與鼠籠式非同步電動機的轉軸相連線，俗稱主動部分；磁極做成爪形結構，裝在負載軸上，俗稱從動部分。主動部分和從動部分在機械上無任何聯絡。當勵磁線圈透過電流時產生磁場，爪形結構便形成很多對磁極。此時若電樞被鼠籠式非同步電動機拖著旋轉，那麼它便切割磁場相互作用，產生轉矩，於是從動部分的磁極便跟著主動部分電樞一起旋轉，前者的轉速低於後者，因為只有當電樞與磁場存在著相對運動時，電樞才能切割磁力線。磁極隨電樞旋轉的原理與普通非同步電動機轉子跟著定子繞組的旋轉磁場運動的原理沒有本質區別，所不同的是：非同步電動機的旋轉磁場由定子繞組中的三相交流電產生，而電磁滑差離合器的磁場則由勵磁線圈中的直流電流產生，並由於電樞旋轉才起到旋轉磁場的作用。
圖1 電磁滑差離合器基本結構示意圖
當穩定執行時，負載轉矩與離合器的電磁轉矩相等。當負載一定時，勵磁電流的大小決定從動部分轉速的高低，勵磁電流愈大，轉速愈高；反之，勵磁電流愈小，轉速就愈低。根據這一特性，可以利用電氣控制電路非常方便地調節從動部分的轉速和轉矩。
一、單臺滑差電機堵轉法
本方法是直接採用單臺滑差電機，將滑差電機主軸輸出（圖1所示），透過機械與機座硬連線，此時，輸出主軸的速度一直為零。透過在勵磁線圈上載入直流電壓來調節勵磁電流的大小和輸出轉矩大小，從而用於調節負載的大小，如圖2所示。
圖2 單臺滑差電機堵轉法示意圖
該方法需要使用者自備一個0~60~90v/2~8a（最大）的直流可調電壓源。如果無合適的電源，可以採用調壓器加整流濾波電路來實現，如圖3所示。另外，由於購買滑差電機的時候，一般附帶了調速器，因此可以透過取消原滑差電機調速器中的電壓閉環控制部分改制成單相scr調壓電路來實現。但是這種方法的缺點是電壓輸出為非線性，在起始段，輸出電壓變化緩慢，載入較慢，在高輸出電壓的時候，輸出電壓變化較快，負載調整比較困難。
圖3 直流勵磁電壓產生電路—調壓整流電路圖
該方法的優點是簡單，成本低，適用於中小功率變頻器中高速載入試驗場合。由於透過勵磁不能夠實現快速的加解除安裝，故不能實現動態效能的測試，也不能實現發電狀態的效能測試。另外，由於低速時，滑差電機滑差頭相對執行速度低，不能夠實現低速載入。
二、兩臺非同步電機透過滑差電機對拖法
本方法是採用一臺滑差電機與另外一臺非同步電機同軸連線， 兩臺電機可以透過兩臺變頻器分別來驅動， 如圖4所示。
圖4 兩臺非同步電機透過滑差電機對拖法示意圖
本方法可以透過在勵磁線圈上載入直流電壓來調節負載大小，也可以透過調節兩臺電機的相對速度來調整負載大小。即可以實現反向電動執行的載入，也可以實現同相發電執行的載入。由於存在相對速度，相比以上三種單滑差電機的方案，可以實現零速或者低速的載入。缺點是由於滑差電機載入採用電磁感應和滑差實現，載入響應速度慢，不能夠實現快速載入，因此還不能夠滿足高精度、快速的效能測試。
三、兩個交流電機對拖法
本方法是採用兩臺同功率的非同步電機同軸連線，兩臺電機透過兩臺變頻器分別來驅動，如圖5所示。其中一臺電機透過測試變頻器驅動，另外一臺電機透過具有精確轉矩控制功能的閉環向量控制變頻器來驅動，如emerson的td3000系列產品。改變轉矩的大小和方向，就可以實現作為被測電機的負載，就可以驗證測試變頻器的效能。
圖5 兩個交流電機對拖法
本方法可以實現反向電動執行的載入，也可以實現同相發電執行的載入。由於為閉環轉矩控制，可以實現零速、低速和高速的高轉矩高精度的載入。由於電機連線為機械硬連線，非同步電機的轉矩響應相比滑差電機較快，載入響應速度較快，可以滿足大多數場合的測試要求，但是對於高精度、快速的效能測試還不能夠完全滿足。
四、 交直流機組對拖法
本方法是採用一臺直流電機和另外一臺非同步電機同軸連線，如圖6所示。其中非同步交流電機透過被測變頻器來驅動，直流電機透過一臺可以四象限執行的直流調速器來驅動。直流電機透過精確的轉矩控制，改變測試轉矩的大小和方向，就可以實現被測電機的負載任意變化，就可以驗證測試變頻器的效能。
圖6 交直流機組對拖法
本方法可以實現反向電動執行的載入，也可以實現同相發電執行的載入。由於為直流電機閉環轉矩控制，可以實現零速、低速和高速的高轉矩高精度的載入。由於電機連線為機械硬連線，直流電機的轉矩響應快，載入響應速度就快，基本可以滿足絕大多數場合的測試要求，是目前最理想的測試方法。
7 結束語
透過對以上四種變頻器負載試驗方法的分析，可以看出各種方法都有優缺點。至於使用者需要選擇什麼樣的測試方案，需要根據測試目的，選用不同的測試方案。需要強調的一點是，如果使用者在以上4、5、6節描述的機組中間，加入轉矩感測器，就可以精確知道電機的輸出轉矩。
