变频器的试验与测试

　　技术的发展

　　生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量等都受到限制。人们开始转向结构简单、维护方便的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。20世纪60年代以后，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

　　变频调速的控制方式经历了脉宽调制变压变频(PWM —VVVF)、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等技术的发展历程，在控制精度、控制算法的复杂度、通用性等方面得到很大提高。

　　最新的技术是矩阵式交-交变频，省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

　　变频器的试验要求

　　目前，已制订了6项电气传动调速系统的国家及行业标准：GB/T3886.1-2002、JB/T10251-2001、GB/T12668.1-2003、GB/T12668.2-2003、GB/12668.3-2004、GB/T12668.4。此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在进行最后阶段的审批。

　　变频器的试验类型包括型式试验、出厂试验、抽样试验、选择试验、车间试验、验收试验、现场调试试验、目击试验等。
   　电气试验方面主要是测量变频器的输入、输出值，包括：
　　1） 输入值：额定输入电压、额定输入电流、额定容量、有功功率、功率因数、输入各次谐波、输入总失真度。
　　2） 输出值：最大额定输出电压、额定连续电流、额定功率、频率范围、过载能力（过载能力适用于额定的转速范围）、输出各次谐波、输出总失真度。
　　3）效率： 在设计的频率范围内，各个频率下的效率。

　　变频器的测量与仪器

　　1、测量仪器仪表简介
　　目前常见的测量仪表很多，这里介绍几种常见的仪表。
　　1) 动铁式仪表：
　　这种仪表测量的是有效值，它的值由固定线圈磁场与其内可动铁之间相互作用的电磁力所确定的偏转角度而确定。读数误差由动铁的磁饱和以及谐波对线圈内电感的影响引起。仪表精度一般为0.5级。
　　2) 整流式仪表：交流电流经整流然后作用于动圈式直流表，按交流电流的有效值确定刻度，其有效值是由整流平均值乘以波形系数求出的。该种仪表基本用于测量正弦电流波形，在测量非正弦电流的波形时，应注意波形系数。典型的仪表精度是1.0级。
　　3) 热电式仪表 ：
　　温升与测量电流产生的热量成正比，温升被热电偶转换为直流电动力，其电流有效值由直流毫伏表指示。
　　4) 电动式仪表  ：
　　电流指示值具有均匀的刻度，其指针偏转角度等于两个线圈间的力，它的驱动转矩(Im×IF×dT／dq）电流IF是与负载串联的固定线圈内的电流Im正比于动圈中的电压。典型精度为0.5级。
　　5) 谐波分析仪：
　　目前最常用的变频器主电路一般为交-直-交组成。在整流回路中接有大电容，输入电流的波形不是正弦波；在逆变输出回路中输出电压信号是受PWM 载波信号调制的脉冲波形。其他类型的变频器与此类似，输入、输出都不是标准的正弦波，有较多的高次谐波含量，因此，在测量仪器的选择上与传统的测量有所不同。

　　目前，特别适于变频器测量的仪器是谐波分析仪，主要有日本横河（YOKOGAWA）的WT系列谐波分析仪，如WT1600、WT3000等。这类产品不仅可以测量基本的电参数，并且针对变频器做了一些特殊设计：如测量模块比较多，可以同时测量输入、输出参数，进行谐波分析，测量真功率因数；带宽比较宽，可以从DC到1MHz，精度一般可以达到0.15级或0.02级；显示方便，可以显示数值、波形、谐波柱状图等；可以测量变频器驱动的电机的机械输出，如电机转速、扭矩等，这样可以更方便的测量变频器的驱动能力及驱动效果。可以说，一台WT谐波分析仪可以替代一堆传统仪表，确保测试的高效和准确。

　　2、变频器测试
　　对变频器进行测试的电路如图1所示，这是一个完整的变频器测试方案，包括三相电源输入、三相输出、驱动电机的机械输出（转速、扭矩）等。如果被测的变频器功率较大，输入、输出电流超过了仪器的量程，就需要在电流的测量回路里接入CT（电流互感器），把被测电流转变成仪器的测量量程内。

　　测试电路里的谐波分析仪是横河公司的WT1600数字功率计。该仪器有6个模块，可以同时输入6路电压、6路电流；同时有电机测试模块，可以测量电机的转速、扭矩等。一台WT1600不仅可以测量变频器的输入、输出参数，还可以测量电机的扭矩、转速、滑差、机械输出功率，以及电机效率变频器效率等。

　1）输入侧的测量
　　变频器输入电源是50Hz交流电源，但是由于变频器的输入侧是整流电路，电流的波形一般不是标准的正弦波。典型的输入波形如图2。　

　　传统的有功功率的计算公式为：
　　P＝ Urms × Irms × cosφ
　　式中：
　　P：有功功率；Urms：电压有效值；Irms：电流有效值；φ：电压电流夹角。
　　但是，变频器的输入电流包括高次谐波，很难测量出相位角。
　　横河的WT1600等WT系列的谐波分析仪使用了数字采样方法，对指定的有效采样周期内获取的瞬时波形数据的总和进行平均。总和由样本数N平均，得出一个功率值，如图3。

　　有功功率计算公式为：

　　式中：
　　u(t):时刻“t”的电压瞬时值；i(t)：时刻“t”的电流瞬时值；Δt:采样时间间隔；N ：总采样样本数。
　　这样，不需要测量电压电流夹角，就可以计算出有功功率。
　　相应的，功率因数 PF＝P/S＝P/(Urms*Irms)
　　式中：
　　S：视在功率
　　同时，谐波分析仪测量波形进行谐波分析，计算出电压畸变率、电流畸变率等，然后对系统进行综合分析判断。
电压总的畸变率Uthd：

　　式中：
　　U（1）：基波电压；U（k）：k次谐波电压；max：最大谐波次数
　　电流的总畸变率Ithd：

　　式中：
　　1）：基波电流；I（k）：k次谐波电流；max：最大谐波次数
　　2） 输出侧的测量
　　变频器的输出波形见图4，是频率可变的信号，含有较多的高次谐波。而电动机转矩主要依赖于基波电压有效值，因此，需要测量的电压值或者说一般变频器的额定电压值是指基波有效值。对PWM类型的变频器来说，PWM电压的整流平均值正比于其输出电压基波有效值。如日本电机学会(JEMA)规定：使用平均整流方法计算有效值，因为该值更合适地反映了驱动电机的输出转矩。

　　横河WT1600等WT系列谐波分析仪，可以同时测量有效值、整流平均值等数值，用户可以根据需要进行方便的选择。
变频器的效率为：

　　式中：
　　h：变频器效率ΣPout：变频器输出有功功率；ΣPin：变频器输入有功功率。
　　WT1600还可以测量电机的机械输出，可测量电机的速度和扭矩传感器的输出，然后计算扭矩、旋转速度、机械功率、同步速度、滑差等，实现在一台仪器上测量电机效率与总效率。

　　随着变频技术的发展，对测量也提出了更高的要求。测量仪表厂家根据变频器的发展和需求不断推出新产品，满足了测试的需求。目前，变频技术的日益复杂化，一些非标准的正弦调制PWM波形的出现，经常发生输出电压的整流平均值与基波有效值不相等的情况。针对这种情况，横河公司推出WT系列最新型号WT3000产品，在不改变测量模式的情况下，改进了设计，使其可以同时测量常规项目，如整流有效值以及谐波有效值等，用户可以自己对数据进行对比。产品与测量手段是相辅相成并互相促进的，二者会随着技术的发展不断推陈出新。