蘇顏利，富婷

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

《GB1032—2010 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》闡述了如何采用疊頻法進(jìn)行異步電機(jī)溫升試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。規(guī)定當(dāng)電機(jī)容量較大或難以對(duì)組，無法使用直接負(fù)載法時(shí)，可使用等效負(fù)載法。疊頻法是等效負(fù)載法的一種，由于不需要進(jìn)行機(jī)械連接，故特別適用于受電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的容量和型式限制的試驗(yàn)場(chǎng)，還可有效地減少電機(jī)試驗(yàn)組合裝配的時(shí)間并降低試驗(yàn)時(shí)的能耗。特別是近年來，人們使用高性能的電力電子原件如AFE 和DSP結(jié)合，制造出具備“疊頻”功能的變頻電源設(shè)備，該設(shè)備可生成等效負(fù)載溫升試驗(yàn)所要求的電源“疊頻”波形。從根本上解決了采用發(fā)電機(jī)組對(duì)大型電機(jī)進(jìn)行疊頻試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)匹配困難、控制負(fù)載、功耗大、占地面積大等問題。因此，用變頻電源的“疊頻”功能進(jìn)行電機(jī)溫升試驗(yàn)的方法得到了日漸廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)就變頻電源作疊頻試驗(yàn)時(shí)存在的問題作如下分析。

1 疊頻試驗(yàn)的原理

疊頻試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子同時(shí)由兩個(gè)不同頻率的電源供電，其中主電源的磁場(chǎng)速度為ω1，被試電機(jī)轉(zhuǎn)子雖未與任何負(fù)載連接，但由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它們不能跟隨氣隙磁場(chǎng)的變化而改變其轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平均值非常接近于ω1(稍低于ω1)并周期性的加速與減速，如圖1 所示。

圖1 疊頻試驗(yàn)電壓與磁通關(guān)系

在氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速變化的一個(gè)周期內(nèi)，一部分時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，從電網(wǎng)吸取能量;另一部分時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把能量送反饋給電網(wǎng)，當(dāng)副頻電壓U2增大，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的變化幅度也增大。故磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)轉(zhuǎn)速增大，于是被試電機(jī)中的電流隨之增大，因此改變U2的大小，即可調(diào)節(jié)被試電機(jī)電流的大小。

2 疊頻功能變頻電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變頻電源可以根據(jù)試驗(yàn)者設(shè)定的疊頻參數(shù)f1，f2，u1，u2，使用DSP 或MCU 作為運(yùn)算控制器(見圖2)，可以計(jì)算出疊頻試驗(yàn)用電壓的參數(shù)，將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較計(jì)算，得到三相逆變橋管的觸發(fā)信號(hào)，用產(chǎn)生的六路觸發(fā)脈沖，控制逆變橋管的通斷生成疊頻電壓波形up。該波形與串聯(lián)發(fā)電機(jī)組形成的疊頻電壓波形近似一致。由變頻電源產(chǎn)生的疊頻電壓波形如圖3 所示。

圖2 變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 變頻電源產(chǎn)生的疊頻電壓波形

3 疊頻時(shí)電機(jī)損耗的分析

3.1 銅耗分析

采用變頻電源進(jìn)行疊頻溫升試驗(yàn)過程時(shí)，轉(zhuǎn)子電流主要是由磁場(chǎng)震蕩頻率引起的，而這個(gè)頻率要遠(yuǎn)大于電機(jī)工作于工頻滿載情況下的頻率值，由于電流頻率增加，使得轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的集膚效應(yīng)損耗增大，從而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子銅耗的增加。而在額定電流的情況下定子銅耗與直接負(fù)載時(shí)基本相同，因此，變頻電源進(jìn)行疊頻溫升試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)銅耗將增大.

3.2 鐵耗分析

鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，它們是由電機(jī)鐵心內(nèi)的磁通密度發(fā)生改變而引起的，電機(jī)的總鐵損耗為式中，PFe—總鐵損耗;Ph—磁滯損耗;Pe—渦流損耗;fi—頻率;Imdi—激磁電流。

轉(zhuǎn)子鐵耗可以用激磁電流通過一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)參考模型變換估算出來，使用公式(1)疊頻試驗(yàn)法的轉(zhuǎn)子鐵耗也能被計(jì)算出來，其結(jié)果顯示，這部分損耗比滿載實(shí)驗(yàn)法還要小一些。

3.3 機(jī)械損耗分析

由于被試電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)接近于同步轉(zhuǎn)速，高于其額定轉(zhuǎn)速，使得在疊頻試驗(yàn)時(shí)摩擦損耗和風(fēng)扇損耗比滿載溫升試驗(yàn)時(shí)要略有增大。

3.4 雜散損耗

因定、轉(zhuǎn)子電流的有效值基本與直接負(fù)載法時(shí)相同，故雜散損耗基本不變.

4 疊頻溫升試驗(yàn)時(shí)的注意事項(xiàng)

4.1 拍頻頻率對(duì)電機(jī)溫升的影響

采用變頻電源進(jìn)行電機(jī)疊頻試驗(yàn)時(shí)，雙頻組合導(dǎo)致工作頻率按式(2)隨時(shí)間變化

式中，f1—主電源頻率Hz;f2—輔助電源(拍頻)頻率Hz;λ—輔助電壓(拍頻電壓)/主電壓。

4.2 直流母線電壓幅值對(duì)溫升試驗(yàn)的影響

通常，變頻電源能夠完成相當(dāng)于70%自身容量電機(jī)的疊頻溫升試驗(yàn)，但在有的試驗(yàn)場(chǎng)所，變頻電源只能完成相當(dāng)于40%自身容量(或更低)電機(jī)的疊頻溫升試驗(yàn)。如稍微增加被試電機(jī)的容量，變頻電源就會(huì)跳閘，使得變頻電源的使用效果大打折扣。造成這一現(xiàn)象的主要原因是:變頻電源直流母線電壓的波動(dòng)范圍小于拍頻電壓的峰-峰值。如果電機(jī)容量增大，則疊頻試驗(yàn)時(shí)拍頻電壓的峰-峰值就可能大于變頻電源直流母線電壓的波動(dòng)范圍，此時(shí)，變頻電源就會(huì)自動(dòng)跳閘保護(hù)。因此，為了擴(kuò)大變頻電源疊頻試驗(yàn)的能力，建議在搭建變頻電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)大直流母線電壓的波動(dòng)范圍，并使其能夠自由調(diào)整。滿足高于拍頻電壓的峰-峰值的需求，以此擴(kuò)大變頻電源的使用能力。

4.3 主電源反序?qū)﹄姍C(jī)溫升的影響

還有一種情況需要注意，就是對(duì)有的變頻電源來說，當(dāng)進(jìn)行疊頻溫升試驗(yàn)，對(duì)比主電源正序和反序運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行參數(shù)會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然在兩種運(yùn)行方式下電機(jī)的電流和電壓相同，但電機(jī)的有功功率會(huì)有較大的差異。首先，主電源正序運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸入的有功功率近似等于電機(jī)的額定總損耗，其功率因數(shù)在0.03 ～0.05 之間。而當(dāng)主電源反序運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的有功功率較正序運(yùn)行時(shí)增大30%，功率因數(shù)維持在0.05 ～0.08 之間，溫升試驗(yàn)結(jié)果較正序運(yùn)行時(shí)提高40%。因此，在使用變頻電源進(jìn)行電機(jī)的疊頻試驗(yàn)時(shí)，一定要注意，電機(jī)的功率因數(shù)低于0.05 時(shí)，才能獲得較為準(zhǔn)確的溫升試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)語

疊頻法是代替直接負(fù)載法完成交流異步電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)的有效方法，在GB1032 和IEEE112等電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)中，都允許采用疊頻法進(jìn)行溫升試驗(yàn)，而采用專用變頻電源完成疊頻法試驗(yàn)，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便.可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)自動(dòng)化，智能化。因此，這種試驗(yàn)方法必將在電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域獲得推廣。

［1］ 許實(shí)章.電機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［2］ 劉竟成.交流調(diào)速系統(tǒng).上海:上海交通大學(xué)出版社，1984.

［3］ 隋景鵬.變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)的影響.防爆電機(jī)，2015.5.

［4］ 閆丹，閆紅.變頻電源供電變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī).防爆電機(jī)，2015.2.

［5］ 劉雪波，黃守道.內(nèi)反饋調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006.6.