一、概述
1.1客戶介紹
山東某真空泵廠曾是原機(jī)械工業(yè)部定點(diǎn)生產(chǎn)單位，現(xiàn)發(fā)展成為集水環(huán)真空泵、精密減速機(jī)、渣漿泵、脫硫泵、發(fā)動機(jī)連桿等高端裝備產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的企業(yè)集團(tuán)。公司是國家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，國家守合同重信用企業(yè)，中國機(jī)械工業(yè)管理進(jìn)步示范企業(yè)。公司設(shè)有山東省流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心和省級企業(yè)技術(shù)中心，公司持有真空泵行業(yè)內(nèi)唯一一個被國家工商總局認(rèn)定的中國馳名商標(biāo)。
公司生產(chǎn)的水環(huán)真空泵產(chǎn)銷量已連續(xù)十一年位居國內(nèi)同行業(yè)第一位，主持起草五項國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過科技創(chuàng)新，自主研制了八種規(guī)格的特大型水環(huán)真空泵，填補(bǔ)國際空白，技術(shù)指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平。產(chǎn)品已成功應(yīng)用于四川綿陽軍事基地飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)、西南交通大學(xué)高速列車綜合性能模擬試驗(yàn)等科技前沿領(lǐng)域。
1.2水環(huán)真空泵簡介
圖1：水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)示意圖
工作原理介紹：
葉輪偏心的安裝在接近圓形的泵體內(nèi)，當(dāng)葉輪按照圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，因離心力的作用注入泵內(nèi)的液體被甩向泵體內(nèi)壁，形成一個形狀與泵體相似，厚度接近相等的液環(huán)，隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)的液環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂之間形成一個月牙形空間，當(dāng)葉輪由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn)時，兩相鄰葉片之間所包圍的容腔逐漸增加，氣體由外界吸入。當(dāng)葉輪由C點(diǎn)轉(zhuǎn)到A點(diǎn)時，相應(yīng)的容腔由大變小，使原先吸入的氣體受到壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到大氣壓力時，氣體被排出。
二、匯川HD92系列高壓變頻器簡介
2.1系統(tǒng)工作原理
圖2：產(chǎn)品原理圖
2.1.1主電路拓?fù)湓?/p>
電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動機(jī)供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個系列。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補(bǔ)償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動小，無明顯電動機(jī)噪聲。電動機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機(jī)無附加電應(yīng)力損害。
2.1.2功率單元原理
功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經(jīng)IGBT H橋逆變后輸出脈寬調(diào)制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅(qū)動電路和監(jiān)測保護(hù)電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運(yùn)行中功率單元故障時，變頻器可將故障單元自動旁路并繼續(xù)運(yùn)行，等情況允許時再停機(jī)排除故障。
圖3：單元原理圖
2.2 HD92基本特點(diǎn)
匯川公司HD92系列高壓變頻器為完美無諧波型高壓變頻器，采用功率單元級聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實(shí)時校驗(yàn)。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)！
公司所有高壓產(chǎn)品均進(jìn)行滿載48小時測試，除一些保護(hù)功能外，磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)、高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、非對稱旁路技術(shù)、雙路控制電源等功能，這些功能技術(shù)上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
公司的電力電子，自動控制和計算機(jī)等領(lǐng)域具有理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀科研隊伍，長期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開發(fā)研制，對于關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝也作了大量的完善和改進(jìn)，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關(guān)過程中的di/dt電壓尖峰；高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行；整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個系統(tǒng)的離散性達(dá)到最小，保證質(zhì)量和性能的高度一致性。為保障質(zhì)量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調(diào)試工裝，建全了相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。
三、變頻系統(tǒng)方案
3.1項目簡介
客戶現(xiàn)場高壓水環(huán)真空泵功率從250kW至4000kW不同，其中4000kW水環(huán)真空泵為目前世界最大功率的水環(huán)真空泵，填補(bǔ)了世界空白，其出廠要對不同頻率段進(jìn)行測試，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)才可出廠，所以變頻驅(qū)動成為最好的出廠測試方法。
測試需求：在同等電壓等級下輸出不同功率以測試不同功率大小真空泵，以及同等頻率下輸出不同電壓等級，以滿足不同電壓等級真空泵的測試需要。
3.2系統(tǒng)方案圖
圖4：系統(tǒng)方案圖
3.3方案簡介
（1）系統(tǒng)采用一拖一控制方式，不配置旁路系統(tǒng)；
（2）系統(tǒng)配置：項目選用匯川HD92-J100/5000-DN，輸入變壓器選用10Kv/5000kVA干式移相整流變壓器，單元選用匯川HD9M-A069系列功率單元，變頻器每相配置8個功率單元，控制系統(tǒng)選用匯川HD92-MCC1主控系統(tǒng)，對外接口選用匯川自主研發(fā)HD92專用的IO系統(tǒng)HD92-IOB2，不采用PLC系統(tǒng)，安全可靠，降低了現(xiàn)場由于PLC不可靠引起的故障停機(jī)問題；
（3）客戶現(xiàn)場由于上級電網(wǎng)容量限制，而大功率變頻器上電沖擊較大，能達(dá)到6~8倍變頻器額定電流，上級變電站難以承受，所以方案配置預(yù)充柜（激磁涌流抑制柜），以緩沖變頻器上電沖擊，經(jīng)過精準(zhǔn)的計算選型，本系統(tǒng)中變頻器上電沖擊控制在1倍以內(nèi)，完全達(dá)到客戶需求，預(yù)充柜原理圖如下所示：
圖5：預(yù)充柜原理圖
上圖中R1為緩沖電阻，上電時KM1合閘，KM2延時合閘將R1旁路，之后KM1分閘。
（3）現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制采用硬接線的方式，本項目所用到對外接口如下表所示：
3.4變頻驅(qū)動優(yōu)勢
隨著客戶對設(shè)備的出廠質(zhì)量的要求不斷提高，裝備制造業(yè)本身對設(shè)備的出廠測試標(biāo)準(zhǔn)及方式也不斷的升級，變頻器在測試站中的作用越來越重要。
（1）裝備制造業(yè)的客戶現(xiàn)場電網(wǎng)容量一般不大，所以變頻啟動無疑是最好的設(shè)備啟動測試裝置，變頻啟動電流控制在額定電流以內(nèi)，減小啟動對設(shè)備的沖擊，延長使用壽命；
（2）方案中配置預(yù)充裝置，使變頻器的上電電流減小至額定電流以內(nèi)；
（3）采用變頻器進(jìn)行測試，能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)載在不同頻率點(diǎn)的性能測試，提高了測試的完善性；
（4）HD92系列高壓變頻器采用技術(shù)領(lǐng)先的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)（SFOC），可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的快速加速，測試真空泵在快速加速狀態(tài)下的性能狀態(tài)；
（5）由于采用SFOC的三閉環(huán)控制方式，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的無速度傳感器矢量算法，保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，穩(wěn)速精度達(dá)到0.5%以內(nèi)，保證真空泵的運(yùn)行穩(wěn)定；
圖6：SFOC跟其他控制方式控制精度比較
（6）磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)（SFOC）對電機(jī)參數(shù)不敏感，所以避免了傳統(tǒng)矢量控制技術(shù)在測試臺應(yīng)用中的困擾，既能實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的高性能控制，又能實(shí)現(xiàn)客戶操作的簡便性；
四、現(xiàn)場照片
圖7：現(xiàn)場4000kW測試機(jī)組
圖8：HD92高壓變頻器整機(jī)
圖9：觸摸屏運(yùn)行中顯示
五、總結(jié)
通過現(xiàn)場長時間的測試情況來看，匯川HD92-J100/5000-DN完全能夠滿足現(xiàn)場的機(jī)組測試需求，隨著裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)設(shè)備將逐漸向高精尖的方向發(fā)展，其出廠測試顯得越來越重要，采用變頻驅(qū)動可以豐富設(shè)備的測試項目以及提高測試站的自動化水平，匯川將根據(jù)測試需求提供安全可靠的變頻解決方案。
匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對裝備制造業(yè)的變頻測試系統(tǒng)具有獨(dú)到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業(yè)等多個應(yīng)用領(lǐng)域。
