一、概述
1.1客戶介紹
山東某真空泵廠曾是原機械工業(yè)部定點生產單位，現(xiàn)發(fā)展成為集水環(huán)真空泵、精密減速機、渣漿泵、脫硫泵、發(fā)動機連桿等高端裝備產品研發(fā)、生產、銷售于一體的企業(yè)集團。公司是國家重點高新技術企業(yè)，國家守合同重信用企業(yè)，中國機械工業(yè)管理進步示范企業(yè)。公司設有山東省流體機械工程技術研究中心和省級企業(yè)技術中心，公司持有真空泵行業(yè)內唯一一個被國家工商總局認定的中國馳名商標。
公司生產的水環(huán)真空泵產銷量已連續(xù)十一年位居國內同行業(yè)第一位，主持起草五項國家行業(yè)標準，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，填補國際空白，技術指標處于國際領先水平。產品已成功應用于四川綿陽軍事基地飛機風洞試驗、西南交通大學高速列車綜合性能模擬試驗等科技前沿領域。
1.2水環(huán)真空泵簡介
圖1：水環(huán)真空泵結構示意圖
工作原理介紹：
葉輪偏心的安裝在接近圓形的泵體內，當葉輪按照圖示箭頭方向旋轉時，因離心力的作用注入泵內的液體被甩向泵體內壁，形成一個形狀與泵體相似，厚度接近相等的液環(huán)，隨葉輪一起旋轉的液環(huán)內表面與葉輪輪轂之間形成一個月牙形空間，當葉輪由A點轉向B點時，兩相鄰葉片之間所包圍的容腔逐漸增加，氣體由外界吸入。當葉輪由C點轉到A點時，相應的容腔由大變小，使原先吸入的氣體受到壓縮，當壓力達到大氣壓力時，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：產品原理圖
2.1.1主電路拓撲原理
電網(wǎng)電壓經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供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產品分為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對電壓和電流最嚴格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機諧波損耗小，轉矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應力損害。
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IGBT H橋逆變后輸出脈寬調制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅動電路和監(jiān)測保護電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運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)運行，等情況允許時再停機排除故障。
圖3：單元原理圖
2.2 HD92基本特點
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時校驗。具有國際領先的技術！
公司所有高壓產品均進行滿載48小時測試，除一些保護功能外，磁鏈閉環(huán)矢量控制技術、高頻技術、快速疊頻技術、Syn-transfer技術、非對稱旁路技術、雙路控制電源等功能，這些功能技術上處于國內領先水平。
公司的電力電子，自動控制和計算機等領域具有理論水平和實踐經驗的優(yōu)秀科研隊伍，長期致力于電力電子領域各類產品的開發(fā)研制，對于關系產品質量的生產工藝也作了大量的完善和改進，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)的離散性達到最小，保證質量和性能的高度一致性。為保障質量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調試工裝，建全了相應的質量管理體系。
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，填補了世界空白，其出廠要對不同頻率段進行測試，滿足設計標準才可出廠，所以變頻驅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，所以方案配置預充柜（激磁涌流抑制柜），以緩沖變頻器上電沖擊，經過精準的計算選型，本系統(tǒng)中變頻器上電沖擊控制在1倍以內，完全達到客戶需求，預充柜原理圖如下所示：
圖5：預充柜原理圖
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變頻驅動優(yōu)勢
隨著客戶對設備的出廠質量的要求不斷提高，裝備制造業(yè)本身對設備的出廠測試標準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備啟動測試裝置，變頻啟動電流控制在額定電流以內，減小啟動對設備的沖擊，延長使用壽命；
（2）方案中配置預充裝置，使變頻器的上電電流減小至額定電流以內；
（3）采用變頻器進行測試，能夠實現(xiàn)對負載在不同頻率點的性能測試，提高了測試的完善性；
（4）HD92系列高壓變頻器采用技術領先的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術（SFOC），可以實現(xiàn)對負載的快速加速，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，可以實現(xiàn)最優(yōu)的無速度傳感器矢量算法，保證轉速的穩(wěn)定性，穩(wěn)速精度達到0.5%以內，保證真空泵的運行穩(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（SFOC）對電機參數(shù)不敏感，所以避免了傳統(tǒng)矢量控制技術在測試臺應用中的困擾，既能實現(xiàn)對負載的高性能控制，又能實現(xiàn)客戶操作的簡便性；
四、現(xiàn)場照片
圖7：現(xiàn)場4000kW測試機組
圖8：HD92高壓變頻器整機
圖9：觸摸屏運行中顯示
五、總結
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)場的機組測試需求，隨著裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)設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，采用變頻驅動可以豐富設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。
匯川技術有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應用經驗，對裝備制造業(yè)的變頻測試系統(tǒng)具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品廣泛應用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業(yè)等多個應用領域。
