李巖 姚旭東

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 引言

隨著異步電機(jī)容量的提高和型式的增多，受到已有試驗(yàn)設(shè)備容量的限制，很多異步電機(jī)產(chǎn)品在出廠時(shí)無法按國(guó)標(biāo)進(jìn)行直接負(fù)載法溫升試驗(yàn)，需要用疊頻法進(jìn)行異步電機(jī)溫升試驗(yàn)。

異步電機(jī)溫升試驗(yàn)法有直接負(fù)載法和等效負(fù)載法。等效負(fù)載法又分為疊頻法和降低電壓負(fù)載法。采用疊頻法進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)時(shí)則不需要進(jìn)行機(jī)械聯(lián)接，所以該法特別適用于立式異步電動(dòng)機(jī)(難以對(duì)組或無合適的拖動(dòng)電機(jī))、超設(shè)備容量的異步電機(jī)及低速異步電機(jī)而又沒有合適陪試電機(jī)的溫升試驗(yàn)，對(duì)于普通的異步電機(jī)，疊頻法溫升試驗(yàn)則可以減少對(duì)組裝配的時(shí)間及減少試驗(yàn)時(shí)的能源消耗。［1］

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻試驗(yàn)電源在電機(jī)試驗(yàn)行業(yè)中被逐步應(yīng)用，有望徹底解決采用變頻發(fā)電機(jī)組進(jìn)行交交變頻電機(jī)試驗(yàn)中的難題。用變頻試驗(yàn)電源實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)疊頻溫升試驗(yàn)，既節(jié)約能源，又簡(jiǎn)便易行，是電機(jī)試驗(yàn)行業(yè)的理想追求。是變流技術(shù)在電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的重大科技成果。［2，4］

1 疊頻試驗(yàn)原理

試驗(yàn)時(shí)電動(dòng)機(jī)的定子同時(shí)由兩個(gè)不同頻率的發(fā)電機(jī)電源供電，如圖1所示。主發(fā)電機(jī)電源T1和輔助發(fā)電機(jī)電源T2串聯(lián)后與被試電機(jī)相連。

圖1 疊頻試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)時(shí)主發(fā)電機(jī)電源T1與輔助發(fā)電機(jī)電源T2的電壓相序應(yīng)相同，為保證相序相同可在試驗(yàn)時(shí)先只使用主電源T1給試驗(yàn)電機(jī)供電，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向，再用輔助電源T2給試驗(yàn)電機(jī)供電，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向相同則說明電壓相序相同，轉(zhuǎn)速方向相反則說明電壓相序相反，需要調(diào)整到相序相同。主發(fā)電機(jī)電源的電壓為主電壓，頻率為主頻率，輔助發(fā)電機(jī)電源的電壓為輔助電壓，頻率為輔助頻率，主頻率為額定頻率，輔助電壓和輔助頻率是可以調(diào)整的。輔助頻率通常約為額定頻率的80%到120%，輔助電壓是額定電壓的20%到30%。

電動(dòng)機(jī)首先由主電源供電給試驗(yàn)電機(jī)，空載運(yùn)行到額定速度，然后逐步增加輔助電源的輸出電壓(必要時(shí)也可以調(diào)節(jié)主電壓)，直到試驗(yàn)電機(jī)達(dá)到下列條件:電機(jī)擺動(dòng)電流的有效值等于額定電流;電機(jī)擺動(dòng)電壓的有效值等于額定電壓;電機(jī)轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速是電機(jī)以主頻率和主電壓供電在空載時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速，同時(shí)也以主頻率和輔助頻率的差值即差拍頻率擺動(dòng)。

假設(shè)主頻率形成磁場(chǎng)為F1，逆時(shí)針方向以角速度ω1旋轉(zhuǎn)，輔助頻率形成的磁場(chǎng)為F2，逆時(shí)針方向以角速度ω2旋轉(zhuǎn)，合成磁場(chǎng)F，逆時(shí)針方向以角速度ω旋轉(zhuǎn)，主輔電源在試驗(yàn)電機(jī)定子的合成磁場(chǎng)如圖2所示。

圖2 定子磁場(chǎng)矢量圖

為計(jì)算方便，忽略磁場(chǎng)在定子位置的初始角，不影響問題的分析，設(shè)

合成磁場(chǎng)為

F1和F2之間的夾角 θ=(ω1－ω2)t

經(jīng)計(jì)算可求得

2 雙PWM變頻器實(shí)現(xiàn)疊頻控制

傳統(tǒng)相控整流器變頻器存在功率因數(shù)低、諧波大的缺陷。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)用綠色電器要求的不斷增強(qiáng)，以PWM整流的能量回饋式變頻器如圖3所示，具有高功率因數(shù)、低諧波污染、能量雙向流動(dòng)、輸入電流連續(xù)可調(diào)、正弦性好等優(yōu)點(diǎn)，在交流傳動(dòng)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

圖3 PWM整流的能量回饋式變頻器原理圖

PWM整流采用IGBT替代不可控的二極管整流，構(gòu)成AFE(Active Front End)有源前端整流系統(tǒng)，能將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，電能從直流回路傳送回電網(wǎng)。使用AFE，電網(wǎng)的電流諧波THDi＜I5%，功率因數(shù)接近1。逆變器采用芬蘭VACON變頻器，利用變頻器的NC61131－3編程平臺(tái)軟件，仿制出調(diào)制波，此信號(hào)為主電源頻率和輔助電源頻率的兩個(gè)信號(hào)相疊加形成的信號(hào)。用此信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，使變頻器輸出頻率符合電機(jī)疊頻試驗(yàn)要求。

變頻器通過程序設(shè)計(jì)具有恒壓恒頻、恒壓變頻、恒頻變壓等多種工作模式，完全符合國(guó)家對(duì)試驗(yàn)電源波形的要求。

逆變器正弦脈寬調(diào)制(SPWM)原理如圖4所示，

圖4 正弦脈寬調(diào)制調(diào)制原理

主電源選用 50Hz，380V，輔 助電源選用45Hz，76V，仿真結(jié)果合成電壓如圖5所示，合成頻率如圖6所示。電壓包絡(luò)線波動(dòng)范圍:304.5V ～455.2V。頻率波動(dòng)范圍:49.09～51.43Hz。

在主電源選用50Hz，380V不變的情況下，輔助電源頻率為45Hz不變，電壓從38V，76V，152V，304V變化時(shí)，仿真合成電源。輔助電源電壓為76V不變，頻率從45Hz，40Hz，35Hz變化時(shí)，仿真合成電源。結(jié)果如表1所示。

表1 在不同頻率和電壓下的仿真結(jié)果

結(jié)論:輔助電源電壓U2的大小會(huì)影響合成電源的頻率變化的速度，當(dāng)U2=0時(shí)，k=0，則f=f1=常數(shù);當(dāng)U2增大時(shí)，合成電源的頻率變化速度隨之增大。合成電源頻率f變化的速度與兩臺(tái)發(fā)電機(jī)電壓的幅值無關(guān)，僅決定于它們的頻率之差。

3 電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)

電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示，主要有LCL濾波器、AFE模塊、兩個(gè)INU模塊、INU輸出正弦波濾波器、試驗(yàn)電機(jī)、陪試電機(jī)、電機(jī)聯(lián)軸器等設(shè)備。

AFE型號(hào):NXA04605A0T02SGA1A2C2B4

LCL濾波器型號(hào):Vacon LCL4605A0L011T

INU型號(hào):NXI06505A0T0CSGA1A2B1C6B4

正弦波濾波器型號(hào):SIN－0840－5－0－P

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)完成如下控制:

(1)恒頻調(diào)壓:空載及短路試驗(yàn)用。電壓0%～100%連續(xù)可調(diào)，在10% ～100%，諧波電壓因數(shù)小于1.5%。

(2)疊頻試驗(yàn):異步電機(jī)的溫升試驗(yàn)。

(3)恒壓調(diào)頻:恒定電壓下，頻率從3Hz～100Hz連續(xù)可調(diào)，最大320Hz。

(4)250kW變頻電源能為容量≤250kW斷續(xù)工作制電機(jī)做溫升試驗(yàn)。

(5)能實(shí)現(xiàn)S1～S9工作制各種不同負(fù)載的型式試驗(yàn)。

(6)在斷續(xù)式連續(xù)周期工作制(S3～S9)，給定信號(hào)為所設(shè)定轉(zhuǎn)矩，為每個(gè)起動(dòng)周期、恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間提供所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，控制陪試電機(jī)在零至同步轉(zhuǎn)速范圍工作。具有轉(zhuǎn)矩控制方式，可調(diào)整轉(zhuǎn)矩大小，可按不同的運(yùn)行程序，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

圖7 電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)電路結(jié)構(gòu)框圖

本試驗(yàn)臺(tái)成功的使用變頻器取代發(fā)電機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行出廠測(cè)試，系統(tǒng)使用方便，性能穩(wěn)定，節(jié)約能源。

［1］ 張國(guó)本，楊曉春.異步電機(jī)疊頻法溫升試驗(yàn)研究［J］.東方電氣評(píng)論，2004，18(3):156－157.

［2］ 盛君，張敏.變頻試驗(yàn)電源在電機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2007，(5).

［3］ 席惠，徐坤，曹大鵬，王得利，陳國(guó)呈.用變頻器進(jìn)行異步電機(jī)疊頻法溫升試驗(yàn)時(shí)氣隙磁場(chǎng)的研究［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36(9):44－45.

［4］ 楊斌，李曉慶，吳亞旗.交流異步電機(jī)疊頻法溫升試驗(yàn)的探討［J］.電機(jī)技術(shù)，2009，(3):49－50.

［5］ 金惟偉，邱毓鴻，等.GB/T21211－2007/IEC61986:2002等效負(fù)載法和疊加試驗(yàn)技術(shù)間接法確定旋轉(zhuǎn)電機(jī)溫升.

［6］ 馬維林.用定子疊頻法進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)被試電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、損耗及溫升［J］.中小型電機(jī)，2002(1)17－18.

［7］ 施曉蓉，劉金澤.高壓電機(jī)疊頻溫升試驗(yàn)方法及其數(shù)據(jù)采集研究.微電機(jī)，2008(7):73－74.