关键词：变频器；并网；测试平台

1 引言

随着变频器应用的日益广泛（例如冶金、机械制造、纺织、造纸、运输、起重等行业），变频器的可靠性就显得尤为重要。在加载测试平台上对变频器硬件进行加载考核已是不可或缺的手段。每一款变频器的型式测试和出厂测试都需要进行大电流的温升测试环节，该环节可以模拟变频器在满载或过载的工况下以最快的方法暴露出来各种问题，从而在出厂前有效解决掉。

2 常用变频器加载测试方式

常用的变频器加载测试平台是用变频器驱动电机，使两台轴相连的电机或发电机用对拖方式来实现的。变频器和电机的额定电压、额定功率需合理匹配。常用的加载测试平台方式有交流电机拖动发电机加载、交流电机和直流电机对拖加载和两台交流电机对拖加载等方式。

2.1 交流电机拖动发电机加载方式

被测变频器驱动1台交流电机，与该电机轴相连拖动1台发电机，电能就消耗在与发电机相连的电阻器上。由于有能量消耗所以该加载测试方式往往不易被人接受。交流电机拖动发电机的加载测试平台所需设备：交流电机1台、发电机1台、电阻器1套。具体见图1所示。

图1 交流电动机拖动发电机

2.2 交流电机拖动直流电机加载方式

被测变频器（需带AFE回馈功能的四象限变频器）驱动1台交流电机，与该电机轴相连的1台直流电机对拖，该直流电机由直流调速器驱动，直流电机与被测变频器驱动的交流电机转向相反，能量回馈在变频器AFE侧实现。该方式只能满足带AFE回馈功能的四象限变频器所需设备：交流电机1台、直流调速器1台、直流电机1台。具体见图2所示。

图2 交流电动机和直流电机对拖

2.3 共直流母线交流电机对拖加载方式

2台共直流母线变频器控制两台同轴的额定频率一致的交流电机，陪试电机功率不小于被试电机功率，陪试电机频率低于被试电机做相同转向的发电运行来实现加载，能量回馈在2台变频器公共的直流母线上实现，整流单元不在能量循环环节中，无法对整流单元的硬件做满载测试。2台交流电机对拖的加载测试平台所需设备：交流电机2台、陪试变频器1台。具体见图3所示。

图3 共直流母线交流电机对拖

2.4 共交流电源电机对拖加载方式

2台共交流电源变频器控制2台同轴的额定频率一致的交流电机，陪试电机功率不小于被试电机功率，陪试电机频率低于被试电机做相同转向的发电运行来实现加载，能量回馈在两台变频器的前级电源上实现，相对共直流母线加载对拖方式，这种方式能将两台变频器整流侧硬件都能测试到，但是必须需要1台具备AFE回馈功能的四象限变频器。2台交流电机对拖的加载测试平台所需设备：交流电机2台、陪试变频器1台。具体见图4所示。

图4 共交流电源交流电机对拖

3 逆变并网加载原理

在电力行业中并网是指发电机组的输电线路与输电网接通（向外输电），发电机组输电线路上的频率、相角、电压和幅值与电网保持一致。

经过交-直-交变换形式的变频器中，整流单元将电网的交流电源整流成稳定的直流电源后与逆变单元输入相连，通过控制逆变单元的输出频率从而达到控制与之相连的电动机速度的目的，这是变频器驱动电动机的过程。如果逆变单元输出不是控制电机而是经过滤波后并入电网，通过软件控制输出稳定的与电网一致50Hz的频率，这就是常说的逆变并网。逆变并网技术已经广泛应用于光伏发电、风力发电等发电行业。逆变并网框图如图5所示。

图5 逆变并网原理框图

对于无穷大的公共电网，逆变器作为电流源向电网输送电能，通过对逆变器输出电流的控制即可达到控制输出功率的大小，通过该输出功率来对变频器进行加载测试，最终达到对变频器各硬件温升测试的目的，这种方法称作逆变并网加载。

逆变并网加载测试过程中的能量转移过程是：变频器的整流单元从电网中吸收能量，整流成稳定的直流电后流入逆变单元，通过软件控制变频器的逆变单元输出电源的相位角而产生有功功率，然后该功率通过滤波、隔离后注入与整流单元输入侧同一电网中，同电网中该能量又被变频器的整流单元吸收，如此反复循环。整个加载测试过程最终相对外网来说只消耗变频器、变压器和滤波器等器件的自身损耗，该损耗相对总功率来说非常少。

用逆变并网方式对四象限变频器进行加载测试的拓扑比较简单，只需要LCL滤波单元和隔离变压器即可实现。测试两象限变频器时为了降低运行产生的谐波含量干扰电网，需要配置输入滤波器。

4 逆变并网加载测试平台

为了适应变频器不同电压和功率等级，逆变并网加载测试在实际应用中还需要增加多抽头电源变压器和多种功率等级的滤波LCL，还有方便测试人员操作的操作台，方便远程监控的上位机等装置供选择配置。

4.1 平台的设备配置

逆变并网加载测试平台的配置主要由电源变压器、输入滤波器、隔离变压器、LCL滤波单元和操作台等组成。主要配置和拓扑原理见图6所示。

图6 逆变并网加载测试平台拓扑原理图

● 电源变压器：提供测试变频器所需电源，通过增加变压器二次侧抽头可满足不同电压等级的变频器测试需求。

● 输入滤波器：降低变频器运行产生的谐波含量对电网的干扰；降低变频器运行产生的谐波含量对电能回馈电网时锁相的干扰。通过增减输入滤波器的数量可以满足不同功率等级的测试需求。（如果只测试四象限变频器时可以省略。）

● 隔离变压器：将变频器运行时产生的直流分量与交流电网隔离。

● LCL滤波单元：改善逆变输出波形，使变频器输出并网波形接近正弦波。通过增减LCL滤波单元的数量可以满足不同功率等级的测试需求。

● 操作台：方便测试人员操作和监控。

4.2 平台的操作控制

操作台是这个逆变并网测试平台的控制中心，配有可编程控制器和上位机显示屏，发出对平台和被测变频器的控制指令。测试人员只需要在操作台上选择电压、电流等级，确定被测变频器类型（两象限和四象限）即可，清点鼠标完成平台送电和断电、变频器测试、测试报告打印以及测试平台状态和故障查询等工作任务。具体的操作控制可见图7所示。

图7 平台操作台控制示意图

同时平台的各个设备都配备手动操作的功能，是为了防止操作台中可编程控制器和上位机故障而不至于影响测试工作的冗余设计。

4.3 平台的性能特点

相对传统的变频器加载测试平台来说，逆变并网加载测试平台优点更多，性能更佳，具体如下：

对电网没有污染：逆变单元输出的电源经滤波、隔离后与电网的正弦波完全吻合；电源端配有高阻抗隔离变压器和滤波器，完全控制住了谐波进入电网。

噪音低：相比电机对拖加载方式完全没有电机运转发出的高分贝噪音。

节能：逆变单元并网注入电网的能量重复被整流单元吸收，能量在变频器的整流单元、逆变单元、LCL滤波器和隔离变压器的较小电网中循环，最终消耗外网极小的器件自身损耗能量。

智能：平台通过传感器采集电压、电流信号进行自动校对；友好的上位机界面，非常方便操作人员操作和查看；只需轻点按钮和鼠标即可完成测试工作；可自动保存、诊断平台故障；自动记录测试数据和生成测试报告；平台可通过接入网络即能实现远程监控功能。

安全：测试过程中一旦有人员进入测试区域即可出发红外报警装置；整个操作过程无需近距离带电开合闸，全部采用远程分合闸上电、断电方式。

被测对象多：可以对四象限变频器、两象限变频器、逆变器、整流器、电动机、电力电子等器件进行满载和过载测试。

测试电压宽：保持与并网的电网电压保持一致，可通过电源变压器的二次抽头实现对额定电压为380V ~ 10kV的变频器进行加载测试。

测试功率大：通过LCL单元数量的增减能实现变频器额定功率到1600kW的并网加载测试。

5 结束语

逆变并网加载是变频器加载测试平台的新技术，解决了使用电机对拖产生的巨大设备投入费用，能量消耗费用和电机运转而产生的巨大噪音等问题。由于逆变并网加载测试平台不仅可以对变频器、伺服控制器等驱动产品测试，还可以对电动机、电力电子等器件的加载测试，所以被广泛的行业应用，同时也被越来越多的测试平台制造企业认可。