高壓電動機變頻試驗電源的仿真分析

李光譜，張 坤，王 偉

(1. 河南博慧方舟咨詢發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450007；2. 榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051；3. 南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473001)

高壓電動機變頻試驗電源的仿真分析

李光譜1，張 坤2，王 偉3

(1. 河南博慧方舟咨詢發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450007；2. 榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051；3. 南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473001)

簡述了H橋級聯(lián)高壓變頻電源的基本原理.根據(jù)變頻器和電動機參數(shù)，在Matlab/Simulink軟件中建立了變頻器的模型.通過實際測量諧波含量，疊頻仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比，完成了低頻運行制動試驗和滿載及過載試驗.該變頻試驗電源操作簡便，運行穩(wěn)定.

變頻試驗電源；諧波；疊頻

在傳統(tǒng)的電機試驗中，溫升和負(fù)載試驗大多采用交流變頻發(fā)電機組，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，試驗效果不太理想，試驗效率較低.隨著中壓大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻電源應(yīng)用于電動機試驗系統(tǒng)的成功經(jīng)驗越來越多[1].目前，國內(nèi)電機試驗電源的研究主要集中在低壓小功率電機領(lǐng)域，有些試驗的電源控制部分過于繁瑣，故障率高，實際運行可靠性較差[2].

本研究以某電動機企業(yè)已投入運行的試驗站為例，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下，對該中壓變頻電源性能的空載起動和疊頻試驗進(jìn)行仿真，并與試驗數(shù)據(jù)對照，驗證了該變頻試驗電源具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、諧波含量少、試驗數(shù)據(jù)精度高、高效節(jié)能的特點.

1 計算機仿真和試驗的依據(jù)

1.1 H橋級聯(lián)高壓變頻電源

級聯(lián)高壓變頻電源主要由輸入開關(guān)、移相變壓器、功率單元、輸出開關(guān)和控制單元組成[3].各功率單元通過串聯(lián)實現(xiàn)多重化，簡單地從輸出端輸出.它采用功率單元(H橋)串聯(lián)形式，并根據(jù)用戶需求選擇功率單元串聯(lián)級數(shù).變頻器可實現(xiàn)四象限運行，能量雙向流動；當(dāng)被試電機作為電動機時,電流從電網(wǎng)流向電動機；當(dāng)被試電動機處于制動或發(fā)電狀態(tài)時，電流從電動機流向電網(wǎng).

1.2 試驗技術(shù)參數(shù)

某電機試驗站遠(yuǎn)離發(fā)電廠，短路容量很大，這里暫且認(rèn)為輸入電源為三相10 kV/100 MVA的工頻電網(wǎng)，變頻電源串聯(lián)功率單元為6級，輸出電壓為6 kV.電壓輸出經(jīng)LC濾波器之后，連接至試驗電機.電抗器參數(shù)為：額定電抗L=4 mH；額定電壓為10 kV；額定電流為800 A.異步電機參數(shù)為：額定功率為2 000 kW；額定轉(zhuǎn)速nN=995 r/m；額定電壓為6 kV；額定電流為240 A；額定頻率fN=50 Hz.

2 電源電能質(zhì)量分析

按照有關(guān)設(shè)計規(guī)范，變頻器輸出電壓的諧波電壓因數(shù)(HVF)<0.015，三相電壓的負(fù)序分量/正序分量≤5%，頻率的波動量<±0.3%，總諧波畸變量(THD)小于5%，從而減少高次諧波對電機的影響[4-5].這里對主要影響電源性能的總諧波畸變量(THD)和諧波電壓因數(shù)(HVF)進(jìn)行分析.

2.1 總諧波畸變量

(1)

式中：un為電動機端子處n次諧波電壓幅值與基波電壓幅值之比；n為諧波次數(shù)，參數(shù)k此處取25.

在試驗中，將6 kV/100 V的電壓互感器(PT)接至變頻器輸出端，測量AB線電壓，變頻器帶電動機起動，運行至50 Hz額定頻率，通過FLUKE電能質(zhì)量分析儀，統(tǒng)計并分析線電壓UAB的各次諧波含量，得到的總諧波畸變量THD=1.543<5，符合要求(表1).

表1 各次諧波數(shù)據(jù) %

注：基波電壓最大值為5.888 1 kV，平均值為5.870 4 kV，最小值為5.853 0 kV，95%值為5.880 4 kV.

2.2 諧波電壓因數(shù)

(2)

式中：Un為諧波電壓的標(biāo)幺值(以額定電壓UN為基準(zhǔn)值)；n為諧波次數(shù)(對于三相電動機不包含3和3的倍數(shù))；參數(shù)k為13.以此計算至13次諧波得，HVF=0.002 6<0.015，滿足規(guī)范要求.

3 疊頻性能仿真

3.1 仿真計算

與傳統(tǒng)定子疊頻法不同，采用試驗專用變頻電源的疊頻方法，通過軟件[6]在控制回路中產(chǎn)生兩種不同頻率和幅值的電源，輸出電壓和拍頻頻率都是可調(diào)的.疊頻時基波電壓頻率為50 Hz，電壓值為10 kV，疊頻電壓頻率選擇40 Hz.

在Simulink環(huán)境下搭建10 kV高壓變頻器空載起動的仿真模型.圖1就是建立的疊頻試驗仿真模型圖.

圖2為功率單元的仿真模型局部圖.

變頻電源采用PWM控制.PWM控制的相電壓波形如圖3所示.

仿真過程中采用V/F控制，使電動機起動，起動時間為0.8 s.待電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定(t=1.5 s)時，開始疊頻，副頻電源電壓在0.5 s內(nèi)從0加到0.1Un.圖4所示為仿真過程的疊頻電流和轉(zhuǎn)速波形.

由圖4可知，疊頻后電流為-150～+150 A，轉(zhuǎn)速在950 rad/min和1 050 rad/min之間波動，周期為0.1 s，頻率為10 Hz.

3.2 仿真結(jié)果的試驗比較

變頻器以恒壓頻比方式帶電動機起動，空載運行至50 Hz額定頻率.人工將控制方式切換到電壓頻率分開控制方式，通過觸摸屏，將疊頻頻率設(shè)定為40 Hz，逐漸增大疊頻電壓幅值，觀察變頻器輸出電流大小，當(dāng)電流等于電動機額定電流時停止電壓升幅.在此疊頻方式下，考核電機溫升.

試驗可知，變頻器帶電動機空載運行至50 Hz時，輸出電壓為6 000 V，疊頻頻率為40 Hz，疊頻電壓為700 V，變頻器輸出電流為200 A，電動機電流達(dá)到額定，輸出電流以10 Hz幅度波動，向電網(wǎng)回饋能量正常，輸入側(cè)電壓無閃變，與仿真結(jié)果相符.繼續(xù)提高疊頻電壓至1 000 V，輸出電流達(dá)到260 A，保證了系統(tǒng)的短時過載能力.

4 其他性能分析

4.1 變頻器低頻運行及制動試驗

在試驗中，以恒壓頻比方式起動變頻器，分別運行至5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz各頻率點，通過示波器觀察變頻器輸出電流是否穩(wěn)定，并通過制動停機考察設(shè)備的制動功能.

圖1 疊頻試驗的的仿真模型

圖2 功率單元的仿真模型局部

圖3 PWM相電壓波形

圖4 疊頻電流與轉(zhuǎn)速

變頻器帶電機運行，在5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz各頻率點觀察電流波形可知，電流保持穩(wěn)定，設(shè)備可以快速制動停機.

4.2 變頻器滿載及過載試驗

變頻器能夠滿載連續(xù)運行，且保證在1.2倍過載的情況下至少運行1 min.

變頻器輸出端接電抗器，以壓頻比解調(diào)方式運行，且給定頻率為50 Hz，逐漸增大電壓幅值，使輸出電壓逐漸增大，經(jīng)過電抗器的電流逐漸增大，最終使變頻器在輸出電流611 A狀態(tài)連續(xù)工作1 h，考核設(shè)備的穩(wěn)定性和溫升等性能.繼續(xù)升幅，使變頻器輸出達(dá)到690 A，運行1 min，考核過載情況.

變頻器能夠連續(xù)工作在滿載狀態(tài)，輸出電流穩(wěn)定.在環(huán)境溫度為30℃情況下，其功率單元溫度為45℃，輸出電抗器溫度為65℃，溫升情況滿足要求，并且變頻器具備1 min時長下1.2倍的過載能力.變頻器滿載時電流為611 A，其波形如圖5所示.

圖5 變頻器滿載時電流波形

顯然，該變頻電源能夠很好地實現(xiàn)低速運行并且制動，安全地實現(xiàn)滿載和過載.

5 結(jié)束語

通過分析試驗變頻電源的諧波含量，建立H橋級聯(lián)高壓變頻電源的仿真模型，進(jìn)行疊頻仿真與試驗數(shù)據(jù)的對比，證明采用變頻電源進(jìn)行疊頻試驗屬于比較可靠、節(jié)能的試驗方法.變頻電源低速運行以及滿載和過載試驗證明，其具有良好的穩(wěn)定性.該試驗變頻電源適用于10 MVA/10 kV以下所有交直流電機的型式試驗，為電機試驗技術(shù)的進(jìn)一步研究提供幫助.

[1] 才家剛，吳亞旗.電機試驗技術(shù)及設(shè)備手冊[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2011：45-105.

[2] 彭澤煊.特種變頻電源疊頻法在電機溫升試驗中的應(yīng)用[J].變頻器世界，2012，46(4)：93-95.

[3] 盛 君，張 敏.變頻試驗電源在電機試驗中的應(yīng)用[J].變流技術(shù)與電力牽引，2007(5)：57-59.

[4] GB755-2008 旋轉(zhuǎn)電機:定額和性能[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5] GB/T 1032-2012 三相異步電動機試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[6] 潘曉晟，郝世勇. MATLBAB電機仿真精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Simulated Analysis on Frequency Conversion Test Power Used for High Voltage Motor

LI Guang-pu1,ZHANG Kun2,WANG Wei3

(1.Henan Bohui Fangzhou Consultation Development Co., Ltd,Zhengzhou 450007, China;2.Rongxin Power Electronic Co.,Ltd, Anshan 114051,China；3.Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd, Nanyang 473001,China)

The basic theory of Cascade H-bridge variable frequency power is explained. According to characteristics of variable frequency power and motor, the module of the frequency converter is built in software-Matlab/Simulink. Through measuring thr Harmonic content and comparing the frequency superposition simulation data and experimental data, low frequency operation brake test and full load and overload test are completed which proves that the 5000kW variable frequency power has the advantages of easy and stable operation.

variable frequency power supply; harmonic; frequency superposition

2016-04-12

李光譜(1983-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，工程師，研究方向為電力工程設(shè)計.

1006-3269(2016)04-0045-04

TM301

B

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.011