CN112649729A - 用于全面评估变频器控制性能的测试***及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于全面评估变频器控制性能的测试***及测试方法，包含调压器、陪试变频器、陪试异步电动机、电动机轴编码器、联轴器、转矩转速传感器、待测变频器、待测异步电动机、显示触摸屏、电能质量分析仪，陪试异步电动机和待测变频器所驱动的待测异步电动机采用相同的轴径和轴中心高，两台电动机采用转矩转速传感器及联轴器相连。本发明通过实时测量变频器起动和稳态运行过程的输入输出电能数据、所驱动电动机轴转速、转矩数据并存储，对变频器转速转矩控制精度和动态响应速度、能量转换效率、损耗进行分析并生成测试评估报告，实现对控制算法和产品性能的全面客观评估，能够指导变频器开发过程，提高生产质量水平。

Description

用于全面评估变频器控制性能的测试***及测试方法

技术领域：

本发明涉及变频器测试技术领域，尤其涉及一种用于全面评估变频器控制性能的测试***及测试方法。

背景技术：

随着电力电子应用技术、数字信号处理技术的发展，新器件、新技术不断应用于变频器领域，使变频器控制性能可以得到很大的提升，相应地，对变频器测试技术和手段提出了新的更高要求。传统的测试和评估手段存在的问题是：基于工频加载，无法对低频下变频器的控制性能进行评估；从陪试端的负载情况、稳态运行情况对待测端进行稳态控制性能评估，缺少对待测端变频器与电动机的实时数据评估环节；仅关注工频稳态运行时的转速、转矩和电压、电流幅值等，未关注能量的传动过程，如能量转换效率、变频器和电动机的损耗情况。而低频转矩转速的控制精度和稳定性、变频器能量转换效率和自身损耗、变频器输出电能在电动机上产生的损耗是衡量变频器控制性能的重要指标。

发明内容：

针对传统测试手段目前存在的上述问题，本发明提供了一种用于全面评估变频器控制性能的测试***及测试方法。本发明通过实时测量变频器启动和稳态运行过程的输入输出电能数据、所驱动电动机轴转速、转矩数据并存储，对变频器转速转矩控制精度和动态响应速度、能量转换效率、损耗进行分析并生成测试评估报告，实现对控制算法和产品性能的全面客观评估，能够指导变频器开发过程，提高生产质量水平。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种用于全面评估变频器控制性能的测试***，包括待测异步电动机、待测变频器、陪试异步电动机、陪试变频器、三相调压器、具有通信功能的转矩转速传感器、具有通信功能的电能质量分析仪及具有通信接口的显示触摸屏(显示触摸屏)，所述待测异步电动机、陪试异步电动机分别通过联轴器与转矩转速传感器连接，且待测异步电动机、陪试异步电动机采用相同的轴径和轴中心高，所述待测变频器与待测异步电动机连接，所述陪试变频器与陪试异步电动机连接，所述调压器分别与待测变频器、电能质量分析仪连接，所述待测异步电动机与电能质量分析仪连接，所述电能质量分析仪、转矩转速传感器分别与显示触摸屏连接。

其中，所述陪试变频器通过接入轴编码器速度信号对陪试异步电动机进行闭环控制，实现零速到额定转速范围内的0～1.5倍额定转矩输出。

所述待测变频器通过驱动待测异步电动机实现恒转矩带载启动、动态变转矩恒速控制。

所述显示触摸屏通过测试过程生成的输入输出各变量曲线、速度控制性能报告、转矩控制性能报告、电能质量分析报告、电能转换效率分析报告、电动机损耗分析报告、变频器损耗分析报告，对待测变频器控制性能进行客观量化的评估。

***通过通信连接转矩转速传感器、电能质量分析仪，测量待测异步电动机转速、轴上的转矩、待测变频器输入和输出端的电压、电流、频率、谐波频谱，并存储和绘制曲线，评估待测变频器的速度控制精度、转矩输出能力、输入输出电压、电流和频率特性曲线。

***对待测变频器静态恒转矩启动和稳态运行控制性能进行评估，得到稳态时的实际速度，记录启动过程和稳态运行过程中的转速曲线，生成待测变频器速度控制性能报告。

***测量待测变频器启动过程和稳态运行过程中建立陪试变频器及陪试异步电动机输出的负载转矩的时间及幅值，并记录启动过程和稳态运行过程中的转矩曲线，生成待测变频器转矩控制性能报告。

***测量待测变频器启动过程和稳态运行过程输出电压、电流及谐波频谱，并记录启动过程和稳态运行过程中的电压电流和谐波频谱曲线，生成待测变频器输出电能质量分析报告。

***通过测量待测变频器所驱动的待测异步电动机转矩、转速，实时计算待测变频器输出机械功率，通过测量待测变频器进线侧电压、电流，实时计算待测变频器输入侧电功率，通过待测变频器输入侧电功率、电动机机械功率数据，生成待测变频器电能转换效率分析报告。

***通过测量待测异步电动机转矩、转速实时计算电动机机械功率，通过测量待测异步电动机电压、电流实时计算电动机输入电功率，通过输入电功率和输出机械功率，计算电动机损耗，生成电动机损耗分析报告。

***通过测量待测变频器进线侧电压、电流，实时计算待测变频器输入侧电功率，通过测量待测变频器输出侧电压、电流，实时计算待测变频器输出侧电功率，通过待测变频器输入、输出侧电功率，计算待测变频器损耗，生成变频器损耗分析报告。

本发明还提供一种用于全面评估变频器控制性能的测试方法，采用上述测试***，具体包括：

(1)空载启动和空载稳态速度控制性能测试：陪试变频器不上电或上电不启动，不向陪试电动机输出电压，测试待测变频器驱动待测异步电动机空载启动和稳态运行特性；

(2)带载启动和带载稳态速度控制、转矩控制性能测试：陪试变频器上电启动并进入运行状态，从0～±T_max转矩值之间分档设定陪试电动机输出的负载转矩T_L，T_max不限于100％的电机额定转矩T_e，从0～f_max之间分段调节待测变频器设定频率f_set，f_max不限于100％的电动机额定频率f_e，测试待测变频器带载启动和带载稳态速度控制、转矩控制性能；

(3)动态转矩响应测试：在上述步骤2测试完成后，保持陪试变频器和待测变频器运行状态，从0～f_max之间分段调节待测变频器设定频率f_set，并使待测变频器处于稳态运行，从0到±T_max、±T_max到0两个方向以阶跃的方式改变陪试变频器输出的负载转矩T_L，测试待测变频器动态转矩响应特性，动态转矩设定方式不限于上述方法；

(4)待测变频器速度控制性能分析：速度控制性能报告是基于步骤1、步骤2和步骤3的测试数据所描绘的曲线，速度控制性能包含速度超调量n_Deta1和稳态偏差n_Deta2，其中n_Deta1为速度上升过程和转矩响应过程最大转速和设定转速的偏差n_max-n_set，n_Deta2为稳态平均速度和设定速度的偏差n_aver-n_set；

(5)待测变频器转矩控制性能分析：转矩控制性能报告是基于步骤2、步骤3的测试数据所描绘的曲线，陪试变频器转矩斜坡时间为t_r，待测变频器响应负载转矩T_L并到达设定速度n_set稳定的时间为t_x，则待测变频器转矩响应时间为t_r1＝t_x-t_r，t_r1用于评估待测变频器的转矩响应速度，t_x的测量依据转矩转速的实时采样数据和曲线，衡量待测变频器转矩控制性能的另外一个指标是转矩超调量T_Deta，超调量T_Deta为负载转矩T_L和转矩上升过程最大输出转矩T_max的差值，即T_Deta＝T_max-T_L；

(6)待测变频器输出电能质量分析：在步骤1、步骤2、步骤3测试过程中，记录电能质量分析仪的第2组探头的电压、电流和频率数据并生成曲线，曲线能够客观地反应输出功率、功率因数、电压频谱和电流频谱，用以评估待测变频器输出电能质量是否符合要求；

(7)待测变频器能量转换效率的计算过程：以实时测量的待测电动机转矩和转速计算待测电动机输出的机械功率P_m＝2π*n*T_L/(60*1000)，其中T_L单位为Nm，P_m单位为kW，n单位为转/分。以电能质量分析仪的第1组探头的输入电压、电流实时数据计算输入有功电功率P_in＝U_in*I_in*cosφ_in，则能量转换效率η＝100％*P_m/P_in；

(8)待测变频器损耗计算过程：以电能质量分析仪的第2组探头的输出电压、电流实时数据计算待测变频器输出有功电功率P_out＝U_out*I_out*cosφ_out，则待测变频器损耗功率P_{Lost_inv}＝P_in-P_out；

(9)待测电动机损耗计算过程：待测电动机损耗P_{Lost_motor}＝P_out-P_m；

(10)测试数据的存储及曲线绘制：所有测试过程数据存入存储器，供外部计算机访问和导出，同时在显示触摸屏上可手动选择一个或多个数据变量名称，显示所选变量的测试过程曲线。

本发明的有益效果是：该用于全面评估变频器控制性能的测试***及测试方法通过实时测量变频器起动和稳态运行过程的输入输出电能数据、所驱动电动机轴转速、转矩数据并存储，对变频器转速转矩控制精度和动态响应速度、能量转换效率、损耗进行分析并生成测试评估报告，实现对控制算法和产品性能的全面客观评估，能够指导变频器开发过程，提高生产质量水平。

附图说明：

图1为本发明的用于全面评估变频器控制性能的测试***的原理图；

图2为本发明的用于全面评估变频器控制性能的测试方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示的一种用于全面评估变频器控制性能的测试***，包括待测异步电动机1、待测变频器2、陪试异步电动机3、陪试变频器4、三相调压器5、具有通信功能的转矩转速传感器6、具有通信功能的电能质量分析仪7及具有通信接口的显示触摸屏8，所述待测异步电动机1、陪试异步电动机3分别通过联轴器9与转矩转速传感器6连接，且待测异步电动机1、陪试异步电动机3采用相同的轴径和轴中心高，所述待测变频器2与待测异步电动机1连接，所述陪试变频器4与陪试异步电动机3连接，所述调压器5分别与待测变频器4、电能质量分析仪7连接，所述待测异步电动机1与电能质量分析仪7连接，所述电能质量分析仪7、转矩转速传感器6分别与显示触摸屏8连接。

如图2所示的一种用于全面评估变频器控制性能的测试方法，采用上述测试***，包括如下步骤：

(1)上电，显示触摸屏与转矩转速传感器、电能质量分析仪建立通信连接；

(2)设定待测变频器运行频率，启动显示触摸屏数据记录功能，启动待测变频器，开始空载启动特性测试；

(3)待测变频器进入稳态，停止数据记录，停止待测变频器，完成一个频率点的空载启动特性测试；

(4)***判断所有待测设定频率是否完成测试，如若完成，进入下一步，如未完成，回到步骤(2)；

(5)设定陪试变频器输出负载转矩并启动，启动显示触摸屏数据记录功能；

(6)设定待测变频器运行频率，启动待测变频器，开始带载启动特性测试；

(7)待测变频器进入稳态，停止数据记录，停止待测变频器，停止陪试变频器，完成一个频率点、负载转据点的带载启动特性测试；

(8)***判断所有待测设定频率和负载转矩是否完成测试，如若完成，进入下一步，如未完成，回到步骤(5)；

(9)设定待测变频器运行频率，设定陪试变频器负载转矩为0，启动显示触摸屏数据记录功能，先后启动陪试变频器、待测变频器；

(10)待测变频器进入稳态运行，设定陪试变频器负载转矩阶跃变化；

(11)待测变频器响应负载转矩再次进入稳态运行，停止陪试变频器、待测变频器，停止显示触摸屏数据记录，完成一个转据点的动态响应测试；

(12)***判断所有待测设定频率和负载转矩是否完成测试，如未完成，回到步骤(9)。

为了更清楚地表述本发明，下面结合实施例对本发明做进一步阐述。

首先搭建测试***(测试平台)，以660V 90kW电动机两台，其中一台作为待测变频器驱动的待测电动机，另一台作为陪试变频器驱动的陪试电动机。两台电动机之间采用联轴器和转速转矩传感器相连。

连接待测变频器和待测电动机，连接陪试变频器和陪试电动机，安装电能质量分析仪并挂接两组探头于待测变频器输入端和输出端，连接显示触摸屏与电能质量分析仪、转矩转速传感器，给三者通入辅助电源，使触摸屏进入工作状态，显示测试初始画面，使电能质量分析仪进入测试采样状态，使转矩转速传感器初始化完毕，进入工作状态并使分析仪、传感器与显示触摸屏建立通信，准备就绪等待测试开始。

给待测变频器经调压器通入660V交流电源，给陪试变频器通入660V电源。将待测电动机参数输入待测变频器，进行电机参数辨识，选择控制方式(不限于VF、矢量控制、DTC控制等)，给待测变频器设置一定的加速时间，设定一定的转速，在显示触摸屏上选择开始测试，此时显示触摸屏开始记录数据。起动待测变频器直到加速完成达到稳态运行，在显示触摸屏上选择停止测试，数据停止记录，此步骤完成空载速度控制性能测试。

陪试变频器上电起动并进入运行状态，设定陪试电动机输出的负载转矩T_L＝10％T_max，从0～f_max之间分段调节待测变频器设定频率f_set，f_max不限于100％的电动机额定频率f_e。在显示触摸屏上选择开始测试，此时显示触摸屏开始记录数据。起动待测变频器，测试待测变频器在各频率点带10％T_max负载起动和带载稳态速度控制、转矩控制性能。再设定T_L分别为20％T_max，30％T_max，直至100％T_max，测试各负载转矩下，各个频率点的带载起动和稳态速度控制、转矩控制性能。

保持陪试变频器和待测变频器运行状态，调节待测变频器设定频率f_set＝10％f_max并使待测变频器处于稳态运行，从0到±T_max、±T_max到0两个方向以阶跃的方式改变陪试变频器输出的负载转矩T_L，测试待测变频器在10％f_max频率下动态转矩响应特性。再设定f_set为20％f_max，30％f_max，直至100％f_max，测试各频率点下待测变频器的动态转矩响应特性。

基于以上测试记录的数据，计算速度控制性能指标，在带载起动和动态转矩响应测试过程中的速度超调量n_Deta1＝n_max-n_set，稳态偏差n_Deta2＝n_aver-n_set。用以衡量待测变频器速度控制性能。

基于以上测试记录的数据，再参考陪试变频器设置的转矩斜坡时间t_r，待测变频器响应负载转矩T_L并到达设定速度n_set稳定的时间为t_x，则待测变频器转矩响应时间为t_r1＝t_x-t_r。用测试记录的数据，计算转矩超调量T_Deta＝T_max-T_L。

基于以上测试记录的数据，计算各测试条件下，各次电压谐波、电流谐波含量，用以评估待测变频器输出电能质量。

基于以上测试记录的数据，计算各测试条件下，待测电动机输出的机械功率P_m＝2π*n*T_L/(60*1000)，待测变频器输入有功电功率P_in＝U_in*I_in*cosφ_in，则待测变频器能量转换效率η＝100％*P_m/P_in。

基于以上测试记录的数据，计算各测试条件下，待测变频器输出有功电功率P_out＝U_out*I_out*cosφ_out，则待测变频器损耗功率P_{Lost_inv}＝P_in-P_out。

基于以上测试记录的数据，计算各测试条件下，待测电动机损耗功率P_{Lost_motor}＝P_out-P_m。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于全面评估变频器控制性能的测试***，其特征在于：包括待测异步电动机、待测变频器、陪试异步电动机、陪试变频器、调压器、转矩转速传感器、电能质量分析仪及显示触摸屏，所述待测异步电动机、陪试异步电动机分别通过联轴器与转矩转速传感器连接，且待测异步电动机、陪试异步电动机采用相同的轴径和轴中心高，所述待测变频器与待测异步电动机连接，所述陪试变频器与陪试异步电动机连接，所述调压器分别与待测变频器、电能质量分析仪连接，所述待测异步电动机与电能质量分析仪连接，所述电能质量分析仪、转矩转速传感器分别与显示触摸屏连接。

2.根据权利要求1所述的用于全面评估变频器控制性能的测试***，其特征在于：所述陪试变频器通过接入轴编码器速度信号对陪试异步电动机进行闭环控制，实现零速到额定转速范围内的0～1.5倍额定转矩输出。

3.根据权利要求1所述的用于全面评估变频器控制性能的测试***，其特征在于：所述待测变频器通过驱动待测异步电动机实现恒转矩带载启动、动态变转矩恒速控制。

4.根据权利要求1所述的用于全面评估变频器控制性能的测试***，其特征在于：所述显示触摸屏通过测试过程生成的输入输出各变量曲线、速度控制性能报告、转矩控制性能报告、电能质量分析报告、电能转换效率分析报告、电动机损耗分析报告、变频器损耗分析报告，对待测变频器控制性能进行客观量化的评估。

5.根据权利要求4所述的用于全面评估变频器控制性能的测试***，其特征在于：显示触摸屏通过通信连接转矩转速传感器、电能质量分析仪，测量待测异步电动机转速、轴上的转矩、待测变频器输入和输出端的电压、电流、频率、谐波频谱，并存储和绘制曲线，评估待测变频器的速度控制精度、转矩输出能力、输入输出电压、电流和频率特性曲线；

显示触摸屏对待测变频器静态恒转矩启动和稳态运行控制性能进行评估，得到稳态时的实际速度，记录启动过程和稳态运行过程中的转速曲线，生成待测变频器速度控制性能报告；

显示触摸屏测量待测变频器启动过程和稳态运行过程中建立陪试变频器及陪试异步电动机输出的负载转矩的时间及幅值，并记录启动过程和稳态运行过程中的转矩曲线，生成待测变频器转矩控制性能报告；

显示触摸屏测量待测变频器启动过程和稳态运行过程输出电压、电流及谐波频谱，并记录启动过程和稳态运行过程中的电压电流和谐波频谱曲线，生成待测变频器输出电能质量分析报告；

显示触摸屏通过测量待测变频器所驱动的待测异步电动机转矩、转速，实时计算待测变频器输出机械功率，通过测量待测变频器进线侧电压、电流，实时计算待测变频器输入侧电功率，通过待测变频器输入侧电功率、电动机机械功率数据，生成待测变频器电能转换效率分析报告；

所述显示触摸屏通过测量待测异步电动机转矩、转速实时计算电动机机械功率，通过测量待测异步电动机电压、电流实时计算电动机输入电功率，通过输入电功率和输出机械功率，计算电动机损耗，生成电动机损耗分析报告；

显示触摸屏通过测量待测变频器进线侧电压、电流，实时计算待测变频器输入侧电功率，通过测量待测变频器输出侧电压、电流，实时计算待测变频器输出侧电功率，通过待测变频器输入、输出侧电功率，计算待测变频器损耗，生成变频器损耗分析报告。

6.一种用于全面评估变频器控制性能的测试方法，采用如权利要求1-5任一项所述的测试***，其特征在于，包括如下步骤：

(1)上电，显示触摸屏与转矩转速传感器、电能质量分析仪建立通信连接；

(2)设定待测变频器运行频率，启动显示触摸屏数据记录功能，启动待测变频器，开始空载启动特性测试；

(3)待测变频器进入稳态，停止数据记录，停止待测变频器，完成一个频率点的空载启动特性测试；

(4)***判断所有待测设定频率是否完成测试，如若完成，进入下一步，如未完成，回到步骤(2)；

(5)设定陪试变频器输出负载转矩并启动，启动显示触摸屏数据记录功能；

(6)设定待测变频器运行频率，启动待测变频器，开始带载启动特性测试；

(7)待测变频器进入稳态，停止数据记录，停止待测变频器，停止陪试变频器，完成一个频率点、负载转据点的带载启动特性测试；

(8)***判断所有待测设定频率和负载转矩是否完成测试，如若完成，进入下一步，如未完成，回到步骤(5)；

(9)设定待测变频器运行频率，设定陪试变频器负载转矩为0，启动显示触摸屏数据记录功能，先后启动陪试变频器、待测变频器；

(10)待测变频器进入稳态运行，设定陪试变频器负载转矩阶跃变化；

(11)待测变频器响应负载转矩再次进入稳态运行，停止陪试变频器、待测变频器，停止显示触摸屏数据记录，完成一个转据点的动态响应测试；

(12)***判断所有待测设定频率和负载转矩是否完成测试，如未完成，回到步骤(9)。

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