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目前，隨著社會上環保意識、節能意識的提高，采用公用直流母線變頻器以實現電功率封閉、采用IGBT整流供電方式以減少諧波提高功率因數的方案正逐漸代替傳統的交流變頻發電機組傳動等方案。3000kW交流電機試驗臺利用ABB ACS800 multidrive變頻器、ABB AC800M PLC、工控計算機、3100kW變頻電機、5000kVA同步發電機等，用于傳遞功率在到3000kW、傳遞力矩在25kN·m以下、電壓等級從690~11?500V、轉速在3600r/min以下的異步電機測試，滿足IEC規定的各種電機測試要求。

圖1  系統單線圖

試驗臺性能

(1) 電源機組的輸出頻率精度≤0.06%FS，動態穩定精度為≤0.2%/s，瞬態調整率≤±8%FS，恢復時間≤2.5s。

(2) 電源機組的輸出電壓穩定調整率≤±0.2%，10min波動率≤±0.15%，瞬態調整率≤±15%，恢復時間≤2s。

(3) 電源機組的輸出功率穩定調整率≤±0.2%，10min波動率≤±0.25%。

(4) 加載機組的力矩響應時間<5ms，轉矩控制精度<±2%FS。

(5) 在全功率和全速度范圍內任意轉速轉矩點連續運行。

(6) 控制臺操作通過觸摸屏來進行各種電機測試功能。該試驗臺可測試交流異步電機、雙饋電機、同步電機。

(7) 主要測試項目，如起動特性、空載特性、負載特性、轉矩轉速特性，以及電機的發熱試驗。

(8) 傳動系統應具備快速停車功能，當壓下快速停車按鈕時應能強制傳動裝置逆變制動至停車。由于電機處于制動而發出的電能量應返回電網。

電氣控制系統構成

電機試驗臺電氣控制系統主要由試驗用電源變頻器、電源機組、被試電機、加載電機、加載變頻器和測控系統等組成。

電源機組含有一臺ABB異步交流變頻電機，額定功率為 3100kW、 額定電壓為690V、額定轉速1000r/min、最高轉速1500r/min、額定頻率50Hz;一臺ABB同步交流發電機，額定容量5000kVA、額定電壓為11?500V、額定轉速1000r/min、最高轉速1500r/min、額定頻率50Hz。一臺變壓器，額定容量5000kVA、變比為11.5/6/3.3kV。

加載電機為一臺ABB異步交流變頻電機，額定功率為 3680kW、 額定電壓為690V、額定轉速1634r/min、最高轉速3600r/min、額定頻率55Hz。

變頻電機驅動系統為ABB公司的ACS800 multidrive，其分為供電單元和逆變單元。整流單元型號為 ACS800-207-4550-7，額定直流輸出功率，額定進線電壓AC690V。電源變頻器用逆變單元型號為ACS800-107-4650-7，額定輸出功率為3700kW，額定輸出電壓為AC690V。加載變頻器逆變單元同上。逆變器的選型基于重載應用考慮，具有每5min工作周期可有1min150%過載能力。同步電機的勵磁控制采用了ABB DCS600系列直流傳動產品。

使用的電參量分析儀是Norma 4000，溫度測量是keithley2700系列，轉矩測量是HBM儀表及其法蘭傳感器。

ABB變頻器通過光纖適配器和光纖連接OPC，使得計算機與傳動直接的通信速度為10Mb/s，測控系統軟件采用Lab View和Matlab。采用先進的人機對話的控制顯示模式，控制操作人員能根據要求采集所需的數據。在整個試驗過程中顯示屏根據試驗項目不同，實時顯示實驗的數據和變化的特性曲線，直到試驗完成(見圖1)。

ABB 變頻器的一些特點

ACS800 Drive 是新一代全數字交流變頻器，能達到控制交流電機的完美極限。ACS800是采用直接轉矩控制技術 DTC 的交流變頻器。它能夠精確控制任何標準鼠籠電機的速度和轉矩。在DTC中，高速數字信號處理器與電機軟件模型有效接合，以25μs的周期，即電機的狀態每秒中更改40?000次-計算電機的轉矩和定子磁通。這意味著它可以對電機的動態變化做出快速反應，以保證在電機測試中有足夠的控制精度和動態響應時間(見圖2)。

圖2  ABB DTC 示意圖

ACS800 Big Drive主要由輔助控制單元 (ACU) 、進線單元 (ICU) 、供電單元 (DSU) 和傳動單元 (Drive Section) 等構成。

1.輔助控制單元(ACU)

為傳動和進線單元中的輔助設備提供電源。24V電源掉電時發出急停功能。可選的AC電壓表和電流表，接地監測和電弧監測都位于輔助控制單元內。

2.進線單元(DCU)

電源電纜進入進線單元并連接到供電單元，根據電網條件選擇接觸器或空氣斷路器、進線刀熔開關柜、頂部進線為可選配置。

3.供電單元 (ISU)

IGBT供電單元把三相交流電轉化成為直流電，用于再生傳動系統。供電單元由二繞組變壓器供電。IGBT供電電源可顯著減少電網中的諧波含量，電流總諧波小于4%。進線單元中標配有進線LCL濾波器，二類環境EMC濾波器等。

4.傳動單元 (Drive Section)

每一個逆變器都有一個傳動控制單元(DCU)，它包括應用和電機控制器(AMC)以及標準I/O板。標準傳動控制單元(DCU) 位于柜體的側面，簡化了維護工作。逆變器內部有電容器，用以消除直流母線的電壓波動。它通過熔斷器和直流母線連接。

5.電氣性能

電源斷電時的運行，ACS800將利用正在旋轉著的電機的動能繼續運行，只要電機旋轉并產生能量，ACS800將繼續運行。零速滿轉矩，由ACS800帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉矩，并且不需要光碼盤或測速電機的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現滿力矩輸出。

起動轉矩，DTC提供的精確的轉矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩的最大起動轉矩。最大起動轉矩能達到200%的電機額定轉矩。自動起動，ACS800的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能。因為ACS800能在幾毫秒內測出電機的狀態，任何的條件下在0.48s內迅速起動。

磁通優化，在優化模式下，電機磁通被自動地適應于負載以提高效率，同時降低電機的噪音。得益于磁通優化，基于不同的負載，變頻器和電機的總效率可提高1%~10%。磁通制動，ACS800能通過提高電機的磁場來提供足夠快的減速。ACS800持續監視電機的狀態，在磁通制動時也不停止監視。磁通制動也能用于停止電機和轉速變換。

精確速度控制，ACS800的動態轉速誤差在開環應用時為0.4%s，在閉環應用時為0.1%s，ACS800變頻器的靜態精度為0.01%。精確轉矩控制，動態轉矩階躍響應時間，在開閉環應用時都能達到1~5ms。

主要測試功能實現

由于電機測試中，有相當部分與加載相關。根據試驗要求，選擇了電力測功機加載方式。與傳統采用直流電機作為加載電機不同，本試驗臺采用了交流變頻電機作為加載電機。與直流傳動相比，采用交流傳動有以下優點：①功率因數高，直流傳動運行時通常功率因素為0.6~0.7，而采用IGBT整流方式的交流傳動功率因素可為1，甚至還可以根據需要來設定功率因素，發出或接受一定量的無功功率。②諧波電流小，直流傳動運行時通常諧波電流占基波分量的30%左右，而采用IGBT整流方式交流傳動的小于4%，對比工廠原有的采用直流加載的另外測試臺，實測表明，交流變頻的諧波大小符合理論計算，滿足實際使用。③效率高且維護方便，由于直流電機效率低于交流電機(約5%)，同時交流電機的運行維護明顯好于直流電機，運行成本較低。④電功率封閉易于實現，由于采用的變頻器為交直交電壓型變頻器，可以有效地利用直流母線來進行電能量循環。直流傳動也可實現這個功能，但控制手段較為繁瑣，調試復雜。

基于試驗臺的實用、可靠及先進的要求，電機驅動采用ABB傳動公司的ACS800系列多傳動(即公用直流母線)變頻器，整流部分采用IGBT整流，有兩臺逆變單元分別驅動電源機組和加載機組，由于逆變單元公用直流母線，電源部分和加載部分組成電功率閉環，加載電機發出的電能回饋到直流母線，可進行電能量的循環利用，到達一定的節能效果。

1.空載試驗

三相異步電動機的空載試驗是給定子加額定頻率的額定電壓下的空載運行的試驗。目的是檢查電機的運轉情況、判斷噪聲和振動是否符合要求;得到電機額定電壓下的鐵心損耗和在額定轉速下的機械損耗;得到空載電流與空載電壓的關系曲線(空載特性)。這個測試中，只有變頻器驅動的電源機組投入運行，使得電源機組輸出為規定的頻率和電壓。在測量空載特性時，測控系統自動發出命令控制電源機組頻率和電壓，同時對測量儀表自動采樣。

2.熱試驗

熱實驗也稱為溫升試驗。試驗目的是通過試驗得到定子繞組、軸承等部件在規定工作條件下運行，并達到穩定溫升時的溫度或溫升值。這個測試中(直接負荷法)，變頻器驅動的電源機組和加載電機均投入運行，電源變頻器驅動電源機組輸出為規定的頻率和電壓，加載變頻驅動和加載電機輸出規定反向力矩，來模擬被試電機的負載，這時加載電機處于發電狀態，其發出的能量通過加載變頻器向直流母線傳遞，然后又通過直流母線傳遞到電源變頻器，供給電源機組。而電網所提供的能量僅僅用于補充電源機組、被試電機、加載電機、變頻器的能量損失，通常為被試電機功率的15%~20%。測試時間為1h，測量電機的定子繞組的溫度，可以采用直流電阻壓降法(伏安法)來測量電機的溫升。對轉子的溫度采用紅外線溫度探測儀進行測量。

3.特性試驗

試驗目的是通過試驗得到被試電機的滿載或規定負載下的效率、功率因數、電流、轉矩及轉差率。將試驗項目選擇在特性試驗位置，啟動電源機組，通過電源變頻器和同步電機的勵磁裝置使得電源機組輸出的頻率和電壓達到規定要求，使被試電機空載運行。啟動加載機組，加載電機作發電機運行。調節電源機組和負載發電機組，使被試電機在規定的電壓、頻率和負載轉矩下運行。同時調節電源機組的電壓和頻率，使被試電機在起動點和最高工作點之間處于規定的電壓、頻率和負載轉矩下運行，使電機輸出轉矩與所選定的試驗點的轉矩保持一致。試驗時，始終在各個選定的試驗點上使被試電機的頻率、輸出轉矩、電壓與規定值保持一致，測量被試電機的電流、輸入功率、輸出功率;計算電機轉差率、效率。試驗目的是通過試驗得到被試電機的滿載或規定負載下的效率、功率因數、電流、轉矩及轉差率。

該試驗臺已經于2007年1月成功投入使用，試驗臺功能完全滿足工廠要求。傳動系統及測控系統工作穩定，各項指標均達到設計要求。傳動系統輸入側的電流諧波和電壓諧波也遠小于設計要求。