變頻電源在電機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用

張永奎++袁敏++孔令波

摘 要： 針對(duì)電機(jī)出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，提出一種雙逆變器共直流母線的能量回饋型變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓整流和逆變之后，實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)和頻率可調(diào)的電機(jī)試驗(yàn)電源，取代傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備。設(shè)計(jì)中被試電機(jī)和陪試電機(jī)分別由兩組不同的逆變器驅(qū)動(dòng)，兩組逆變器共直流母線連接，在電機(jī)試驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和對(duì)拖試驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的回饋，具有精度高，節(jié)約能源，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)試驗(yàn)； 變頻電源； 無(wú)功補(bǔ)償； 能量回饋

中圖分類號(hào)： TN96?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0148?03

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)在科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)鄰域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而在強(qiáng)大的科研能力和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)支持下，電機(jī)呈現(xiàn)多品種、高質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)，而對(duì)各種電機(jī)在出廠之前都需要參考電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定電機(jī)的性能，并判斷電機(jī)是否達(dá)到了出廠要求。傳統(tǒng)的電機(jī)試驗(yàn)方案中，采用直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)等3～7個(gè)電機(jī)，組成龐大的負(fù)載機(jī)組。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)電機(jī)的空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、T?N特性曲線試驗(yàn)等特點(diǎn)和電機(jī)出廠試驗(yàn)的具體要求[1]，可以設(shè)計(jì)特定的變頻電源用于電機(jī)試驗(yàn)。

由于試驗(yàn)中電機(jī)功率因數(shù)低，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)拖試驗(yàn)?zāi)芰康幕仞?，本文提出一種雙逆變器共直流母線的能量回饋型變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)，可以完成電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和T?N特性曲線等。通過(guò)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)方案與本文提出的雙逆變器共直流母線的能量回饋型變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)實(shí)例得出雙逆變器共直流母線的能量回饋型變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。

1 電機(jī)試驗(yàn)裝置的對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)裝置及其缺點(diǎn)

傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)試驗(yàn)方法如圖1所示，該方法存在著以下突出問(wèn)題：

（1） 諧波電流大，在直流傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，諧波電流約占基波電流的30%。

（2） 設(shè)備投資大，對(duì)于大型電機(jī)試驗(yàn)，投資會(huì)更大。

（3） 加載和調(diào)試?yán)щy，原始辦法采用負(fù)載是電阻，其消耗大量的電能，造成能源巨大浪費(fèi)，發(fā)熱也很嚴(yán)重。

（4） 系統(tǒng)響應(yīng)速度慢和系統(tǒng)控制精度低。由于采用多個(gè)電機(jī)，很難把電機(jī)調(diào)節(jié)到所需的狀態(tài)，并且傳統(tǒng)的調(diào)壓方式是變壓器調(diào)壓，負(fù)載控制方式是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制，都具有響應(yīng)速度慢，控制精度低的問(wèn)題。

（5） 效率非常低且維護(hù)成本高。一般而言，直流電機(jī)的效率比交流電機(jī)低5%，同時(shí)直流電機(jī)的換向器需要定期維護(hù)和保養(yǎng)。此外，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)試驗(yàn)方法還具有占地面積大，投資大，噪聲大，精度低，耗電量大，系統(tǒng)控制精度低、系統(tǒng)響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)[2]。

1.2 變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)及其優(yōu)點(diǎn)

圖2為本文所提出的雙逆變器共直流母線的能量回饋型變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)方法

圖2 雙逆變器共直流母線能量回饋型變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)控制精度高且響應(yīng)速度快

變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)采用DSP控制技術(shù)，多閉環(huán)控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)控制精度大幅度提高，使電機(jī)試驗(yàn)更加精確，而且響應(yīng)速度更快。

1.2.2 設(shè)計(jì)合理且可靠性高

從各個(gè)角度保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理和高可靠性。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看：變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用模塊化設(shè)計(jì)和冗余技術(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的替換能力和擴(kuò)充能力，保證了系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展性。從保護(hù)的角度來(lái)看：系統(tǒng)可以通過(guò)采用PLC可編程控制器、觸摸屏和計(jì)算機(jī)控制，具有完善的保護(hù)功能和監(jiān)控功能，對(duì)于試驗(yàn)狀態(tài)和電源工作狀態(tài)全程監(jiān)控保護(hù)，從另一個(gè)側(cè)面增加了系統(tǒng)的成熟性和可靠性。

1.2.3 配電容量大幅度降低且占地面積小

由于試驗(yàn)時(shí)主要試驗(yàn)設(shè)備均采用能量回饋方式進(jìn)行試驗(yàn)，且變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)具有無(wú)功補(bǔ)償功能和軟啟動(dòng)功能，所以對(duì)配電系統(tǒng)的總進(jìn)線容量要求大幅降低，一般只需提供試驗(yàn)電機(jī)最大功率30%的進(jìn)線容量即可滿足試驗(yàn)要求。DSP控制、靜止變頻技術(shù)的使用也使系統(tǒng)的占地面積大幅度減小。

1.2.4 安全性高且操作簡(jiǎn)便

變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性和可操作性很好。就安全性而言，可以采取高壓隔離、多重保護(hù)、減少發(fā)熱等多種措施。就操作性而言，系統(tǒng)可以提供手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種模式，并且可以由電腦全程引導(dǎo)，智能運(yùn)行，對(duì)操作人員的要求較低。數(shù)據(jù)采集和計(jì)算工作全部由計(jì)算機(jī)完成，工作量也比傳統(tǒng)方法減少很多，自動(dòng)化程度較高。系統(tǒng)內(nèi)部可以具有多種模式供試驗(yàn)人員選擇，具有自動(dòng)操作模式。

1.2.5 適用范圍寬且可擴(kuò)展性好

變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以考慮到多種不同類型電機(jī)和變壓器的試驗(yàn)需要，提供了多種制式的電源模式，供不同電機(jī)試驗(yàn)選擇使用。系統(tǒng)可以滿足高壓電機(jī)，低壓電機(jī)，同步電機(jī)等試驗(yàn)的要求，試驗(yàn)時(shí)只要不超出電源的容量即可。就擴(kuò)展性而言，由于變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，具有并機(jī)試驗(yàn)的功能，可以比較方便的擴(kuò)容[3]。

1.2.6 節(jié)能效果佳且綠色環(huán)保

變頻電源試驗(yàn)系統(tǒng)采用能量回饋技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)能量的封閉循環(huán)使用，節(jié)能效果顯著。在對(duì)拖試驗(yàn)中，陪試電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，發(fā)出的電能回饋使用，系統(tǒng)補(bǔ)充的是兩臺(tái)電機(jī)的損耗和電源本身的損耗[4]。變頻電源系統(tǒng)具有無(wú)功補(bǔ)償功能，在變壓器試驗(yàn)和電機(jī)的空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)和疊頻試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)補(bǔ)充的是有功功率、損耗和電源本身的損耗，其他的無(wú)功功率由變頻電源提供補(bǔ)償，節(jié)能效果顯著。采用靜止變頻技術(shù)替代了發(fā)電機(jī)組技術(shù)，減少了噪音和振動(dòng)，降低了對(duì)環(huán)境的噪音污染，同時(shí)由于采用能量回饋技術(shù)替代了傳統(tǒng)的電阻消耗法，節(jié)約了能源，減少了冷卻水的用量，減少了發(fā)熱量，減少了二氧化碳的排放；還有本系統(tǒng)的能量回饋使用是在系統(tǒng)內(nèi)部，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有污染，達(dá)到了綠色環(huán)保的效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主要技術(shù)特點(diǎn)

本電機(jī)試驗(yàn)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是以GB/T 1032?2012技術(shù)要求為基本依據(jù)，再由電機(jī)出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)的具體要求，采用了靜止變頻和寬頻濾波技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用逆變器共直流母線的設(shè)計(jì)方案，圖3為變頻電源系統(tǒng)的原理框圖?？傠娫催M(jìn)線經(jīng)由進(jìn)線控制單元→輸入濾波單元→整流單元，向系統(tǒng)提供穩(wěn)定直流電壓，被試電機(jī)電源與負(fù)載電機(jī)（陪試電機(jī)）電源采用共直流方式工作，并經(jīng)過(guò)各自回路的濾波單元及輸出單元，分別向被試電機(jī)及負(fù)載電機(jī)（陪試電機(jī)）供電；在標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)拖試驗(yàn)方式下，陪試電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作方式，發(fā)出的電能經(jīng)2#輸出單元→2#濾波單元→2#逆變單元回送至直流母線，并經(jīng)過(guò)1#逆變單元→1#濾波單元→1#輸出單元送至被試電機(jī)，從而形成能量的循環(huán)利用，此時(shí)，被試電機(jī)消耗的能量，大部分來(lái)自于陪試電機(jī)，而總進(jìn)線電源僅僅補(bǔ)充系統(tǒng)自身的消耗，一般情況下，總進(jìn)線需要提供的能量不大于被試電機(jī)實(shí)際消耗能量的20%，大大節(jié)省了試驗(yàn)過(guò)程中的電能消耗。

圖3 變頻電源系統(tǒng)原理框圖

輸入濾波單元：采用隔離的12脈波變壓器，既能起到電壓隔離的作用，又可以降低電壓輸出紋波，消除第3，5，7次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，使整流單元的整流效果更好。

整流單元：采用電力二極管三相全橋整流電路，對(duì)輸入濾波單元的12脈電壓進(jìn)行整流。

逆變單元：對(duì)直流母線的電壓逆變后實(shí)現(xiàn)電壓精確可調(diào)，頻率精確可調(diào)。

放電單元：在母線中的電壓超過(guò)限定電壓時(shí)，進(jìn)行放電，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性，在系統(tǒng)斷電時(shí)，能夠?qū)χ绷髂妇€上連接的電容模組進(jìn)行放電[5]。

儲(chǔ)能單元：由電容模組組成，對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波，使直流電壓比較穩(wěn)定，陪試電機(jī)回饋到直流母線能夠吸收和存儲(chǔ)能量。

濾波單元：由隔離濾波變壓器組成，對(duì)逆變后的交流電進(jìn)行濾波，并具有電壓隔離作用[6]。

輸出單元：對(duì)輸出檔位進(jìn)行選擇控制，滿足各種型號(hào)電機(jī)的試驗(yàn)要求。

輸出控制單元：主要由DSP進(jìn)行控制，對(duì)逆變單元，濾波單元，輸出單元進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)電壓精確可調(diào)，頻率精確可調(diào)。

2.2 系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

（1） 能量回饋利用，自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償，減小了系統(tǒng)的輸入能量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了逆變器共直流母線的方式。在電機(jī)對(duì)拖負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，陪試電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)產(chǎn)生的交流電通過(guò)濾波和逆變單元的整流之后，回送至直流母線，在通過(guò)逆變和濾波之后，產(chǎn)生的交流電送至被試電機(jī)。實(shí)現(xiàn)了能量的內(nèi)回饋，節(jié)約了能源。

電機(jī)空載試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，功率因數(shù)一般比較低。在試驗(yàn)時(shí)，由于功率因數(shù)低，大量的是無(wú)功功率，變頻試驗(yàn)電源輸出時(shí)，具有補(bǔ)償功能，從電網(wǎng)吸取的只是有功功率。

（2） 內(nèi)回饋具有更高的回饋效率且與系統(tǒng)完全隔離。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)方法由于經(jīng)過(guò)多個(gè)電機(jī)，控制不方便，造成能量回饋很低且不穩(wěn)定，而采用外回饋的變頻電源，能量回饋到電網(wǎng)，當(dāng)回饋的能量不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染。而本系統(tǒng)的回饋能量?jī)H僅在直流母線下部環(huán)流，由于12脈整流變的隔離，降低了對(duì)系統(tǒng)的諧波污染，同時(shí)提高回饋效率。

（3） 頻率連續(xù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)大型電機(jī)軟啟動(dòng)。由于本系統(tǒng)采用DSP控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的載波比和調(diào)制波，可以實(shí)現(xiàn)電壓頻率的連續(xù)可調(diào)，有利于對(duì)電機(jī)速度的精確調(diào)節(jié)，保證了電機(jī)試驗(yàn)的精確可靠。而且系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電機(jī)的軟啟動(dòng)，降低了電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊。

（4） 系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰?shí)現(xiàn)了全功率覆蓋、全電壓覆蓋。在50～100 Hz范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以按照各自的電壓檔位實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，在50～50 Hz之間，隨著頻率的降低，系統(tǒng)輸出電壓將按照VF曲線下降，輸出功率亦按VF曲線呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，使系統(tǒng)具有更廣泛的使用范圍。

（5） 采用無(wú)控12脈整流方式整流和多電平技術(shù)。12脈整流帶來(lái)的好處是直流母線紋波低，降低了直流濾波系統(tǒng)的設(shè)備照價(jià)；無(wú)控整流對(duì)電網(wǎng)的波形畸變影響小，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的第3，5，7次諧波，克服了現(xiàn)在采用可控硅整流方式的弊端。系統(tǒng)采用多電平技術(shù)，實(shí)現(xiàn)寬頻正弦波輸出，波形品質(zhì)很好，諧波含量低，同時(shí)系統(tǒng)阻抗匹配性能很好，使用范圍寬。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的變頻電源應(yīng)用于電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)上有如下特點(diǎn)：

（1） 采用逆變器共母線的方式，在電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的內(nèi)回饋，節(jié)約能源。

（2） 變頻電源實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的操作，實(shí)現(xiàn)了電壓和頻率精確可調(diào)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。

（3） 共直流母線在對(duì)拖試驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量的內(nèi)回饋，對(duì)交流側(cè)的進(jìn)線電網(wǎng)幾乎沒(méi)有影響。配電容量大幅降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果。

（4） 對(duì)于功率因數(shù)低的試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，從電網(wǎng)吸取的只是有功功率。

（5） 可以滿足多種型號(hào)的電機(jī)試驗(yàn)，在不超過(guò)電源容量的前提下，可以通過(guò)并機(jī)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。

（6） 變頻電源是靜止電源，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且壽命很長(zhǎng)。

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