一款通用变频器的设计目标是为交流异步电机提供经济、高精度的速度和转矩控制。在变频器的工程设计阶段, 初步的软硬件结构设计等完成后就必须对工程样机进行广泛和严格的系统测试。其中, 变频器电流输出的负载能力是最重要的设计指标之一, 也是系统测试的重点。所以需要设计一款可靠通用的测试系统对变频器的工程样机进行严格的负载性能测试。
该测试系统由变频器测试样机系统、负载变频器系统、电机系统和测量系统组成, 如图1所示。测试样机是指被测试的变频器 (以西门子MM420为例) 。负载变频器的主要作用是控制扭矩, 包含西门子G120变频器、控制盒及S7300PLC。电机系统包括测试异步电动机M1、负载异步电动机M2、连接和固定装置。测量系统包括扭矩传感器和示波器。用于实时采集扭矩, 变频器输出电流, 变频器直流母线电压, 以及速度等数据。
测试样机系统主要由被测试变频器样机, 测试附件 (包括:电抗器, 制动电阻) 、开关、断路器、继电器、接触器及急停按钮等启停和保护电路组成。
负载变频器系统主要由用于扭矩控制的G120变频器、控制盒及S7300PLC组成。下面就分别对这3部分内容进行详细阐述:
1) G120变频器。
在负载性能的测试中需要对被测试变频器/电机的扭矩进行精确的控制, 同时需要对电机的实际转速数据进行实时采集和监控。对MM420变频器来说, 可以选用G120 (CU240S+PM250) 作为负载变频器。因为CU240S具有矢量控制功能, 可以对扭矩进行精确控制。还可以连接西门子24V的HTL 1XP8001-1编码器从而监控电机的实际转速, 且有较强的抗干扰能力。而PM250有很宽的输入电压范围 (380~480VAC±10%) 和较强的过载能力 (重载 (HO) 模式下1.5×额定输出电流 (即150%过载) 57秒, 2×额定输出电流 (即200%过载) 3秒) 。同时可以实现再生能量回馈电网, 而不需要外加制动单元和制动电阻。这点在本测试系统中尤为重要, 因为负载电机及变频器经常被测试变频器和电机拖动运行而处于回馈发电状态。如果没有能量的再生回馈功能, 制动电阻在长期测试中会过热甚至烧坏。
2) G120 IO控制盒。
方便对G120进行调试, 扭矩控制及信号测量。通过数字量输入 (DI0~DI3) 拨码开关可以控制G120加使能, 正反转及清除过流过压等故障信号。通过模拟量输入 (AI0) 旋钮控制扭矩限幅值。数字量输出信号 (DO0~DO1) 指示灯用于显示报警及故障状态。模拟量输出 (AO0) 端口用于连接示波器, 监控实际电机的速度反馈信号。
部分参数配置如下:
P0010=1, P0304-P0311快速调试:根据电机铭牌参数进行设置。
P3900=1结束快速调试, 进行电动机参数计算。
P1900=2静态条件下识别电机的定子参数。A00541警告将出现。
P0700=2, P1000=2 IO控制盒的数字量输入端子 (DI) 控制G120起停, 模拟量输入 (AI) 控制G120的输出频率和扭矩。
P1120=1, P1121=1设置斜坡加减速时间各为1秒。
P1300=21 and P0400=2将G120工作模式配置为带速度传感器的矢量控制 (VC control) , 并通过参数P0400配置编码器的类型。
P1960=1使能速度控制优化。A00542警告会出现。通过IO控制盒给出运行指令和速度, G120将自动进行速度环优化。完成后A00542警告会消失。
P1200=1 and P1202=20%使能捕捉再启动功能和电流。电流值需要在实际运行中根据负载的大小进行调整, 20%为经验值。默认值100%太大, 经常会输出较大扭矩而使MM420产生F1过电流报警。
P1522.0=755.1 BICO配置:设置扭矩上限值为模拟量输入AI2输入值。
P1523.0=2878.0下面几步设置扭矩下限值为AI2输入值的相反数。扭矩为矢量, 负号表征方向。
P2100.0=453, 2101.0=0消除电机失速故障代码F00453。在本测试系统的使用中, M2电机经常被M1拖动运行。所以F00453会偶尔发生。为保证在长期测试中扭矩输出的可靠性, 需将F00453禁止。
P0290=1在G120出现过载I2T或IGBT温升过载时, 关闭降低输出电流、输出频率、开关频率等保护措施。最大程度保证扭矩输出的稳定性。
3) S7300PLC。
PLC在本系统中的作用主要是通过数字量输出和模拟量输出控制G120的起停、正反转以及设定速度和扭矩限幅值。所以需要选择一款高精度多功能的PLC来完成这些功能。本系统中选择西门子S7300PLC:CPU314C-2DP+SM332 AO模块+CP341RS485通信模块, 可以使用西门子的TIA PORTV13软件进行组态和编程。如图3所示。
PLC程序由主程序, DB块数据, FC1 (IO功能处理) , FC2 (RS485通信处理) 以及DB1和DB2数据块。FC1用来通过DOAO来控制G120, FC2用于与G120通信。DB1和DB2用于存储中间数据。部分程序的地址定义如图3所示。首先由手动调整IO控制盒的AO输出到指定值 (比如MM420的额定输出电流的100%或150%等) 。然后由PLC编程定时定值地改变G120的参数值, 来自动控制不同扭矩的输出。
电机系统由两个对拖的三相异步电动机组成。变频器电流输出的过载能力通常是同功率异步电机额定电流的1.5~2倍。为了充分测试变频器输出电流的过载能力以及保护电机不被烧坏, 最好选择比被测试变频器功率大一等级的电机用于被测电机。本系统中选择3相400V 3k W1LG0电机作为400V 2.2k W MM420的驱动电机 (M1) 。选择400V 4k W的1LA7电机作为M2电机。之所以选择1LA7系列电机是因为此系列西门子电机可以选择加装1XP8001-1编码器。M1, M2电机通过弹性联轴节连接, 既能保证扭矩和速度的同步, 又能适度降低两电机同轴度的安装要求, 避免运行噪音和振动。还可以在两电机轴中间加装扭矩传感器, 用以精确测量实时的扭矩值。
测量系统包括示波器和上节提到的扭矩传感器。
示波器用于精确测试变频器输出的各种信号, 比如电流波形和幅值, 直流母线电压, AIAODIDO电压电流值等。在本系统中主要用于对变频器样机的输出电流精度的测量。
扭矩传感器主要用于实时测量扭矩值和速度值。在本系统中只需要测量扭矩值。
以MM420负载循环测试为例。如图4所示。在默认4k Hz (参数编号P1800=4) 脉冲频率下从被测试变频器读出变频器额定电流值为5.6364 (参数编号r0207.0=5.6364 (A) ) 。所以r0207.0*150%=8.4546 A, r0207.0*94.5%=5.33 A。
将被测试变频器的输出电流实际值 (r0027[A]) , 过载利用率 (r0036[%]) 以及过载状态字 (r0052.15[%]) 通过USS通信采集出来并通过S7300的AO, DO端口发送出至示波器输入端。同时通过示波器电流探头实时采集变频器的输出电流值。得到如图5所示的测试结果。经过至少4个循环的测试, 被测变频器的负载能力符合测试标准。 (实际测试中94.5%负载运行时间被人为设定减少, 以高于设计指标进行测试。) 通过这个测试也证明了本系统可以稳定可靠的运行。
本系统可以精确可靠地实现对被测变频器输出电流的控制。通过参数配置和编程不仅能够模拟电梯, 传送带等恒转矩负载的测试环境, 还可以建立风机水泵等变转矩负载的测试环境。通过示波器和扭矩传感器可以校正变频器的电流扭矩等输出值, 同时还可以更改配置或更换组件以实现不同的功能。比如可以连接PLC的RS485模块与被测样机实现参数和起停的自动化, 把G120更换成精度更高的S120可以实现伺服驱动器的负载性能测试等。所以本测试系统在变频器以及伺服驱动器的研发和大批量生产阶段都有着重要的作用和借鉴意义。
摘要：每一种变频器在工程设计阶段都需要根据设计指标对样机进行负载性能测试。这需要设计一款测试系统可以精确地自动地执行这种测试。本文基于PLC、变频器、异步电机、示波器、扭矩传感器等模块阐述了一款变频器通用负载测试系统。文中介绍了系统的软件和硬件设计。实践证明这款测试系统对于变频器的设计研发有着广泛的用途和重要意义。
关键词：测试系统,变频器,PLC
[1] 西门子公司.SINAMICS G120 Function Manual.2007.
[2] 西门子公司.SINAMICS G120 Control Units CU240S.2007.
[3] 西门子公司.MICROMASTER MM420中文使用说明书.2011.
