目前，随着社会上环保意识、节能意识的提高，采用公用直流母线变频器以实现电功率封闭、采用IGBT整流供电方式以减少谐波提高功率因数的方案正逐渐代替传统的交流变频发电机组传动等方案。3000kW交流电机试验台利用ABB ACS800 multidrive变频器、ABB AC800M PLC、工控计算机、3100kW变频电机、5000kVA同步发电机等，用于传递功率在到3000kW、传递力矩在25kN·m以下、电压等级从690~11 500V、转速在3600r/min以下的异步电机测试，满足IEC规定的各种电机测试要求。

图1  系统单线图

试验台性能

(1) 电源机组的输出频率精度≤0.06%FS，动态稳定精度为≤0.2%/s，瞬态调整率≤±8%FS，恢复时间≤2.5s。

(2) 电源机组的输出电压稳定调整率≤±0.2%，10min波动率≤±0.15%，瞬态调整率≤±15%，恢复时间≤2s。

(3) 电源机组的输出功率稳定调整率≤±0.2%，10min波动率≤±0.25%。

(4) 加载机组的力矩响应时间<5ms，转矩控制精度<±2%FS。

(5) 在全功率和全速度范围内任意转速转矩点连续运行。

(6) 控制台操作通过触摸屏来进行各种电机测试功能。该试验台可测试交流异步电机、双馈电机、同步电机。

(7) 主要测试项目，如起动特性、空载特性、负载特性、转矩转速特性，以及电机的发热试验。

(8) 传动系统应具备快速停车功能，当压下快速停车按钮时应能强制传动装置逆变制动至停车。由于电机处于制动而发出的电能量应返回电网。

电气控制系统构成

电机试验台电气控制系统主要由试验用电源变频器、电源机组、被试电机、加载电机、加载变频器和测控系统等组成。

电源机组含有一台ABB异步交流变频电机，额定功率为 3100kW、 额定电压为690V、额定转速1000r/min、最高转速1500r/min、额定频率50Hz;一台ABB同步交流发电机，额定容量5000kVA、额定电压为11 500V、额定转速1000r/min、最高转速1500r/min、额定频率50Hz。一台变压器，额定容量5000kVA、变比为11.5/6/3.3kV。

加载电机为一台ABB异步交流变频电机，额定功率为 3680kW、 额定电压为690V、额定转速1634r/min、最高转速3600r/min、额定频率55Hz。

变频电机驱动系统为ABB公司的ACS800 multidrive，其分为供电单元和逆变单元。整流单元型号为 ACS800-207-4550-7，额定直流输出功率，额定进线电压AC690V。电源变频器用逆变单元型号为ACS800-107-4650-7，额定输出功率为3700kW，额定输出电压为AC690V。加载变频器逆变单元同上。逆变器的选型基于重载应用考虑，具有每5min工作周期可有1min150%过载能力。同步电机的励磁控制采用了ABB DCS600系列直流传动产品。

使用的电参量分析仪是Norma 4000，温度测量是keithley2700系列，转矩测量是HBM仪表及其法兰传感器。

ABB变频器通过光纤适配器和光纤连接OPC，使得计算机与传动直接的通信速度为10Mb/s，测控系统软件采用Lab View和Matlab。采用先进的人机对话的控制显示模式，控制操作人员能根据要求采集所需的数据。在整个试验过程中显示屏根据试验项目不同，实时显示实验的数据和变化的特性曲线，直到试验完成(见图1)。

ABB 变频器的一些特点

ACS800 Drive 是新一代全数字交流变频器，能达到控制交流电机的完美极限。ACS800是采用直接转矩控制技术 DTC 的交流变频器。它能够精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。在DTC中，高速数字信号处理器与电机软件模型有效接合，以25µs的周期，即电机的状态每秒中更改40 000次-计算电机的转矩和定子磁通。这意味着它可以对电机的动态变化做出快速反应，以保证在电机测试中有足够的控制精度和动态响应时间(见图2)。

图2  ABB DTC 示意图

ACS800 Big Drive主要由辅助控制单元 (ACU) 、进线单元 (ICU) 、供电单元 (DSU) 和传动单元 (Drive Section) 等构成。

1.辅助控制单元(ACU)

为传动和进线单元中的辅助设备提供电源。24V电源掉电时发出急停功能。可选的AC电压表和电流表，接地监测和电弧监测都位于辅助控制单元内。

2.进线单元(DCU)

电源电缆进入进线单元并连接到供电单元，根据电网条件选择接触器或空气断路器、进线刀熔开关柜、顶部进线为可选配置。

3.供电单元 (ISU)

IGBT供电单元把三相交流电转化成为直流电，用于再生传动系统。供电单元由二绕组变压器供电。IGBT供电电源可显著减少电网中的谐波含量，电流总谐波小于4%。进线单元中标配有进线LCL滤波器，二类环境EMC滤波器等。

4.传动单元 (Drive Section)

每一个逆变器都有一个传动控制单元(DCU)，它包括应用和电机控制器(AMC)以及标准I/O板。标准传动控制单元(DCU) 位于柜体的侧面，简化了维护工作。逆变器内部有电容器，用以消除直流母线的电压波动。它通过熔断器和直流母线连接。

5.电气性能

电源断电时的运行，ACS800将利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，ACS800将继续运行。零速满转矩，由ACS800带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。

起动转矩，DTC提供的精确的转矩控制使得ACS800能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。自动起动，ACS800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为ACS800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条件下在0.48s内迅速起动。

磁通优化，在优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，同时降低电机的噪音。得益于磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%~10%。磁通制动，ACS800能通过提高电机的磁场来提供足够快的减速。ACS800持续监视电机的状态，在磁通制动时也不停止监视。磁通制动也能用于停止电机和转速变换。

精确速度控制，ACS800的动态转速误差在开环应用时为0.4%s，在闭环应用时为0.1%s，ACS800变频器的静态精度为0.01%。精确转矩控制，动态转矩阶跃响应时间，在开闭环应用时都能达到1~5ms。

主要测试功能实现

由于电机测试中，有相当部分与加载相关。根据试验要求，选择了电力测功机加载方式。与传统采用直流电机作为加载电机不同，本试验台采用了交流变频电机作为加载电机。与直流传动相比，采用交流传动有以下优点：①功率因数高，直流传动运行时通常功率因素为0.6~0.7，而采用IGBT整流方式的交流传动功率因素可为1，甚至还可以根据需要来设定功率因素，发出或接受一定量的无功功率。②谐波电流小，直流传动运行时通常谐波电流占基波分量的30%左右，而采用IGBT整流方式交流传动的小于4%，对比工厂原有的采用直流加载的另外测试台，实测表明，交流变频的谐波大小符合理论计算，满足实际使用。③效率高且维护方便，由于直流电机效率低于交流电机(约5%)，同时交流电机的运行维护明显好于直流电机，运行成本较低。④电功率封闭易于实现，由于采用的变频器为交直交电压型变频器，可以有效地利用直流母线来进行电能量循环。直流传动也可实现这个功能，但控制手段较为繁琐，调试复杂。

基于试验台的实用、可靠及先进的要求，电机驱动采用ABB传动公司的ACS800系列多传动(即公用直流母线)变频器，整流部分采用IGBT整流，有两台逆变单元分别驱动电源机组和加载机组，由于逆变单元公用直流母线，电源部分和加载部分组成电功率闭环，加载电机发出的电能回馈到直流母线，可进行电能量的循环利用，到达一定的节能效果。

1.空载试验

三相异步电动机的空载试验是给定子加额定频率的额定电压下的空载运行的试验。目的是检查电机的运转情况、判断噪声和振动是否符合要求;得到电机额定电压下的铁心损耗和在额定转速下的机械损耗;得到空载电流与空载电压的关系曲线(空载特性)。这个测试中，只有变频器驱动的电源机组投入运行，使得电源机组输出为规定的频率和电压。在测量空载特性时，测控系统自动发出命令控制电源机组频率和电压，同时对测量仪表自动采样。

2.热试验

热实验也称为温升试验。试验目的是通过试验得到定子绕组、轴承等部件在规定工作条件下运行，并达到稳定温升时的温度或温升值。这个测试中(直接负荷法)，变频器驱动的电源机组和加载电机均投入运行，电源变频器驱动电源机组输出为规定的频率和电压，加载变频驱动和加载电机输出规定反向力矩，来模拟被试电机的负载，这时加载电机处于发电状态，其发出的能量通过加载变频器向直流母线传递，然后又通过直流母线传递到电源变频器，供给电源机组。而电网所提供的能量仅仅用于补充电源机组、被试电机、加载电机、变频器的能量损失，通常为被试电机功率的15%~20%。测试时间为1h，测量电机的定子绕组的温度，可以采用直流电阻压降法(伏安法)来测量电机的温升。对转子的温度采用红外线温度探测仪进行测量。

3.特性试验

试验目的是通过试验得到被试电机的满载或规定负载下的效率、功率因数、电流、转矩及转差率。将试验项目选择在特性试验位置，启动电源机组，通过电源变频器和同步电机的励磁装置使得电源机组输出的频率和电压达到规定要求，使被试电机空载运行。启动加载机组，加载电机作发电机运行。调节电源机组和负载发电机组，使被试电机在规定的电压、频率和负载转矩下运行。同时调节电源机组的电压和频率，使被试电机在起动点和最高工作点之间处于规定的电压、频率和负载转矩下运行，使电机输出转矩与所选定的试验点的转矩保持一致。试验时，始终在各个选定的试验点上使被试电机的频率、输出转矩、电压与规定值保持一致，测量被试电机的电流、输入功率、输出功率;计算电机转差率、效率。试验目的是通过试验得到被试电机的满载或规定负载下的效率、功率因数、电流、转矩及转差率。

该试验台已经于2007年1月成功投入使用，试验台功能完全满足工厂要求。传动系统及测控系统工作稳定，各项指标均达到设计要求。传动系统输入侧的电流谐波和电压谐波也远小于设计要求。