趙立新 帕爾哈提 葛蘇鞍 楊光權(quán) 郭江川

（中國石油天然氣集團(tuán)公司西北油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心）

變頻調(diào)速技術(shù)由于其優(yōu)良的操作性能以及顯著的節(jié)電性能，在石油石化企業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用；但安裝變頻器以后，其輸入和輸出端都會(huì)產(chǎn)生諧波，設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的影響以及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化。首先，電動(dòng)機(jī)的能量損耗發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)效率的計(jì)算公式需進(jìn)行相應(yīng)改動(dòng)，否則電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試計(jì)算值與實(shí)際值偏差較大；其次，在變頻器產(chǎn)生諧波影響下電動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行電參數(shù)以及變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置效率和使用效果的測(cè)試與計(jì)算需進(jìn)行規(guī)范。

1 諧波及其主要參數(shù)

變頻器一般是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的電能控制裝置，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速中得到廣泛應(yīng)用。目前使用的變頻器主要是交—直—交式通用型變頻器，即先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動(dòng)機(jī)。在變頻器工作期間，其輸入和輸出端會(huì)產(chǎn)生諧波。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

諧波條件下的主要電參量包括基本電參量和諧波分析參量?jī)刹糠??；倦妳⒘堪妷河行е?、電流有效值、系統(tǒng)頻率、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、功率因數(shù)。諧波分析參量包含各次諧波電壓含量、各次諧波電流含量、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流含有率、電壓諧波總畸變率、電流諧波總畸變率等。

2 變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置的測(cè)試

2.1 指標(biāo)計(jì)算

變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置由變頻器和交流電動(dòng)機(jī)兩部分組成，是通過改變輸入頻率、輸入電壓來控制和改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)力輸出裝置。

評(píng)價(jià)變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置的主要指標(biāo)有四項(xiàng)，即變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置效率、變頻器效率、電動(dòng)機(jī)效率和變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置功率因數(shù)。

1）變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置效率為電動(dòng)機(jī)輸出有效機(jī)械功率與變頻器輸入基波有功功率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其值為變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率之乘積。

2）變頻器效率為變頻器輸出基波有功功率與變頻器輸入基波有功功率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。

3）電動(dòng)機(jī)效率為電動(dòng)機(jī)輸出有效機(jī)械功率與電動(dòng)機(jī)輸入功率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。電動(dòng)機(jī)效率有兩種測(cè)試方法：直接法和間接法。

間接法是指用電動(dòng)機(jī)的輸入功率減去電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)損耗功率得到電動(dòng)機(jī)的輸出功率，進(jìn)而計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的效率。

4）變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置功率因數(shù)是三相有功功率除以變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置輸入端視在功率的商。

2.2 測(cè)量設(shè)備

由于電動(dòng)機(jī)調(diào)速采用了變頻設(shè)備，在電網(wǎng)中引入了大量的諧波，而且變頻器的輸出電壓、電流也不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。工頻下和含有諧波情況下電能測(cè)試信號(hào)的處理方法有著本質(zhì)的不同，那些針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦電壓、電流設(shè)計(jì)的電能計(jì)量?jī)x表不能準(zhǔn)確測(cè)量變頻器的有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電能參數(shù)，其誤差與測(cè)試儀器的頻率特性和非線性度造成的誤差有關(guān)。除此以外，諧波負(fù)荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率，標(biāo)準(zhǔn)工頻電能表無法測(cè)試出其諧波功率。因此，在含有諧波的電能測(cè)試場(chǎng)合，需要選擇合適的測(cè)試儀器。

目前常見的電能測(cè)試儀器主要有日本日置公司生產(chǎn)的3166、3169、3197型電能測(cè)試儀，比較專業(yè)的電能質(zhì)量分析儀器有日本日置公司生產(chǎn)的3390型功率分析儀、日本橫河公司生產(chǎn)的WT3000型功率分析儀和美國FLUKE公司生產(chǎn)的Norma5000型功率分析儀。為驗(yàn)證不同測(cè)試儀表對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在此選擇節(jié)能測(cè)試中比較常用的日本日置公司生產(chǎn)的3169型鉗式功率計(jì)與3390型功率分析儀進(jìn)行對(duì)比。兩種儀器的主要性能指標(biāo)見表1。

2.3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果及分析

2.3.1 變頻器輸入（輸出）電參數(shù)的測(cè)試

2010年3月，西北節(jié)能監(jiān)測(cè)中心采用3169型電能測(cè)試儀、3390型功率分析儀兩種儀器對(duì)新疆油田公司供熱公司銀河鍋爐房2#引風(fēng)機(jī)的變頻拖動(dòng)裝置進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)見表2～表6。

由表2可知，3169型鉗式功率計(jì)與3390型功率分析儀對(duì)變頻器輸入端電壓、電流、功率等電參數(shù)的測(cè)試結(jié)果存在差異性。普通的電能測(cè)試儀3169型測(cè)試的電參數(shù)要小于3390型所測(cè)得的電參數(shù)值，說明普通電能測(cè)試儀無法準(zhǔn)確測(cè)量變頻器輸入端的電參數(shù)。

由表3可知，3169型鉗式功率計(jì)與3390型功率分析儀對(duì)變頻器輸出端電壓、電流、有功功率等電參數(shù)的測(cè)試結(jié)果存在差異性。普通的電能測(cè)試儀3169型測(cè)試的電參數(shù)要小于3390型所測(cè)得的電參數(shù)值，但對(duì)變頻器輸出功率因數(shù)的測(cè)試值要大于3390型功率分析儀，變頻拖動(dòng)裝置的功率因數(shù)測(cè)試值也大于3390型功率分析儀所得的測(cè)試值。這進(jìn)一步驗(yàn)證了普通電能測(cè)試儀無法準(zhǔn)確測(cè)試變頻器輸出端的電參數(shù)。

2.3.2 電動(dòng)機(jī)空載輸入功率測(cè)試

由表4的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，將變頻器的運(yùn)行頻率調(diào)至工頻50Hz，此時(shí)3169型與3390型所得的測(cè)試結(jié)果一致，說明普通電能測(cè)試儀3169型能準(zhǔn)確測(cè)試工頻下的電參數(shù)。

表1 3169型鉗式功率計(jì)與3390型功率分析儀性能對(duì)比

表2 變頻器輸入電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 變頻器輸出電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 電動(dòng)機(jī)空載電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3.3 諧波測(cè)試

表5 變頻器諧波測(cè)試結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)表5中的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用空載損耗實(shí)測(cè)法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)效率和變頻拖動(dòng)裝置效率的計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置測(cè)試結(jié)果

續(xù)表6 變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

通過分析變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置的工作特點(diǎn)，對(duì)比不同測(cè)試儀器工作原理、性能及測(cè)試結(jié)果，明確了變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置主要評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)算方法；同時(shí)，證明了普通電能測(cè)試儀在諧波條件下測(cè)試時(shí)，由于適應(yīng)的測(cè)試頻率范圍較窄（一般是45～66 Hz），對(duì)諧波功率的處理方式不夠完善等原因，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在誤差。專用電能質(zhì)量分析儀（如3390型功率分析儀）適應(yīng)頻率范圍寬（0.5～1000 Hz），可以準(zhǔn)確測(cè)試變頻器輸入、輸出電參數(shù)。

因此，要求變頻調(diào)速拖動(dòng)裝置各環(huán)節(jié)的效率及功率因數(shù)采用輸入、輸出端的基波有功功率計(jì)算，電能測(cè)試儀器應(yīng)能夠準(zhǔn)確測(cè)試低頻（<45Hz）條件下的各項(xiàng)電參數(shù)。