張永奎++袁敏++孔令波

摘 要： 針對電機出廠試驗和型式試驗，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系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過對電網(wǎng)電壓整流和逆變之后，實現(xiàn)電壓可調和頻率可調的電機試驗電源，取代傳統(tǒng)的電動機?發(fā)電機組試驗設備。設計中被試電機和陪試電機分別由兩組不同的逆變器驅動，兩組逆變器共直流母線連接，在電機試驗時實現(xiàn)無功補償和對拖試驗時實現(xiàn)能量的回饋，具有精度高，節(jié)約能源，操作方便等優(yōu)點。

關鍵詞： 電機試驗； 變頻電源； 無功補償； 能量回饋

中圖分類號： TN96?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0148?03

隨著科學技術的快速發(fā)展，電機在科學技術和國民經(jīng)濟鄰域發(fā)揮著越來越重要的作用，而在強大的科研能力和先進的科學技術支持下，電機呈現(xiàn)多品種、高質量的發(fā)展趨勢，而對各種電機在出廠之前都需要參考電機試驗標準進行試驗，以確定電機的性能，并判斷電機是否達到了出廠要求。傳統(tǒng)的電機試驗方案中，采用直流發(fā)電機、直流電動機、交流發(fā)電機等3～7個電機，組成龐大的負載機組。隨著電力電子技術和控制技術的發(fā)展，根據(jù)電機的空載試驗、堵轉試驗、T?N特性曲線試驗等特點和電機出廠試驗的具體要求[1]，可以設計特定的變頻電源用于電機試驗。

由于試驗中電機功率因數(shù)低，為了實現(xiàn)對拖試驗能量的回饋，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系統(tǒng)，可以完成電機的負載試驗、溫升試驗和T?N特性曲線等。通過傳統(tǒng)電動機?發(fā)電機組試驗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系統(tǒng)進行對比，并通過實例得出雙逆變器共直流母線的能量回饋型變頻電源試驗系統(tǒng)優(yōu)點。

1 電機試驗裝置的對比

1.1 傳統(tǒng)電動機?發(fā)電機組試驗裝置及其缺點

傳統(tǒng)電動機?發(fā)電機組試驗試驗方法如圖1所示，該方法存在著以下突出問題：

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

（2） 設備投資大，對于大型電機試驗，投資會更大。

（3） 加載和調試困難，原始辦法采用負載是電阻，其消耗大量的電能，造成能源巨大浪費，發(fā)熱也很嚴重。

（4） 系統(tǒng)響應速度慢和系統(tǒng)控制精度低。由于采用多個電機，很難把電機調節(jié)到所需的狀態(tài)，并且傳統(tǒng)的調壓方式是變壓器調壓，負載控制方式是發(fā)電機勵磁控制，都具有響應速度慢，控制精度低的問題。

（5） 效率非常低且維護成本高。一般而言，直流電機的效率比交流電機低5%，同時直流電機的換向器需要定期維護和保養(yǎng)。此外，傳統(tǒng)的電動機?發(fā)電機組試驗試驗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)響應速度慢等缺點[2]。

1.2 變頻電源試驗系統(tǒng)及其優(yōu)點

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系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)電動機?發(fā)電機組試驗方法

圖2 雙逆變器共直流母線能量回饋型變頻電源試驗系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)控制精度高且響應速度快

變頻電源試驗系統(tǒng)采用DSP控制技術，多閉環(huán)控制技術等，實現(xiàn)控制精度大幅度提高，使電機試驗更加精確，而且響應速度更快。

1.2.2 設計合理且可靠性高

從各個角度保證系統(tǒng)的設計合理和高可靠性。從設計的角度來看：變頻電源試驗系統(tǒng)設計可以采用模塊化設計和冗余技術設計，系統(tǒng)具有良好的替換能力和擴充能力，保證了系統(tǒng)可靠性和可擴展性。從保護的角度來看：系統(tǒng)可以通過采用PLC可編程控制器、觸摸屏和計算機控制，具有完善的保護功能和監(jiān)控功能，對于試驗狀態(tài)和電源工作狀態(tài)全程監(jiān)控保護，從另一個側面增加了系統(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

由于試驗時主要試驗設備均采用能量回饋方式進行試驗，且變頻電源試驗系統(tǒng)具有無功補償功能和軟啟動功能，所以對配電系統(tǒng)的總進線容量要求大幅降低，一般只需提供試驗電機最大功率30%的進線容量即可滿足試驗要求。DSP控制、靜止變頻技術的使用也使系統(tǒng)的占地面積大幅度減小。

1.2.4 安全性高且操作簡便

變頻電源試驗系統(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、減少發(fā)熱等多種措施。就操作性而言，系統(tǒng)可以提供手動操作和自動操作兩種模式，并且可以由電腦全程引導，智能運行，對操作人員的要求較低。數(shù)據(jù)采集和計算工作全部由計算機完成，工作量也比傳統(tǒng)方法減少很多，自動化程度較高。系統(tǒng)內(nèi)部可以具有多種模式供試驗人員選擇，具有自動操作模式。

1.2.5 適用范圍寬且可擴展性好

變頻電源試驗系統(tǒng)設計可以考慮到多種不同類型電機和變壓器的試驗需要，提供了多種制式的電源模式，供不同電機試驗選擇使用。系統(tǒng)可以滿足高壓電機，低壓電機，同步電機等試驗的要求，試驗時只要不超出電源的容量即可。就擴展性而言，由于變頻電源試驗系統(tǒng)采用了模塊化設計，具有并機試驗的功能，可以比較方便的擴容[3]。

1.2.6 節(jié)能效果佳且綠色環(huán)保

變頻電源試驗系統(tǒng)采用能量回饋技術，可以實現(xiàn)能量的封閉循環(huán)使用，節(jié)能效果顯著。在對拖試驗中，陪試電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，發(fā)出的電能回饋使用，系統(tǒng)補充的是兩臺電機的損耗和電源本身的損耗[4]。變頻電源系統(tǒng)具有無功補償功能，在變壓器試驗和電機的空載試驗、堵轉試驗和疊頻試驗時，系統(tǒng)補充的是有功功率、損耗和電源本身的損耗，其他的無功功率由變頻電源提供補償，節(jié)能效果顯著。采用靜止變頻技術替代了發(fā)電機組技術，減少了噪音和振動，降低了對環(huán)境的噪音污染，同時由于采用能量回饋技術替代了傳統(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，對電網(wǎng)沒有污染，達到了綠色環(huán)保的效果。

2 系統(tǒng)設計與主要技術特點

本電機試驗電源系統(tǒng)的設計和研制是以GB/T 1032?2012技術要求為基本依據(jù)，再由電機出廠試驗和型式試驗的具體要求，采用了靜止變頻和寬頻濾波技術。

2.1 系統(tǒng)設計

本設計采用逆變器共直流母線的設計方案，圖3為變頻電源系統(tǒng)的原理框圖。總電源進線經(jīng)由進線控制單元→輸入濾波單元→整流單元，向系統(tǒng)提供穩(wěn)定直流電壓，被試電機電源與負載電機（陪試電機）電源采用共直流方式工作，并經(jīng)過各自回路的濾波單元及輸出單元，分別向被試電機及負載電機（陪試電機）供電；在標準的對拖試驗方式下，陪試電機處于發(fā)電機工作方式，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1#逆變單元→1#濾波單元→1#輸出單元送至被試電機，從而形成能量的循環(huán)利用，此時，被試電機消耗的能量，大部分來自于陪試電機，而總進線電源僅僅補充系統(tǒng)自身的消耗，一般情況下，總進線需要提供的能量不大于被試電機實際消耗能量的20%，大大節(jié)省了試驗過程中的電能消耗。

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，對輸入濾波單元的12脈電壓進行整流。

逆變單元：對直流母線的電壓逆變后實現(xiàn)電壓精確可調，頻率精確可調。

放電單元：在母線中的電壓超過限定電壓時，進行放電，保證整個系統(tǒng)的安全性，在系統(tǒng)斷電時，能夠對直流母線上連接的電容模組進行放電[5]。

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

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

輸出單元：對輸出檔位進行選擇控制，滿足各種型號電機的試驗要求。

輸出控制單元：主要由DSP進行控制，對逆變單元，濾波單元，輸出單元進行控制。實現(xiàn)電壓精確可調，頻率精確可調。

2.2 系統(tǒng)主要技術特點

（1） 能量回饋利用，自動無功補償，減小了系統(tǒng)的輸入能量。系統(tǒng)設計采用了逆變器共直流母線的方式。在電機對拖負載試驗時，陪試電機處于發(fā)電狀態(tài)，電機產(chǎn)生的交流電通過濾波和逆變單元的整流之后，回送至直流母線，在通過逆變和濾波之后，產(chǎn)生的交流電送至被試電機。實現(xiàn)了能量的內(nèi)回饋，節(jié)約了能源。

電機空載試驗和堵轉試驗時，功率因數(shù)一般比較低。在試驗時，由于功率因數(shù)低，大量的是無功功率，變頻試驗電源輸出時，具有補償功能，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)的電動機?發(fā)電機組試驗方法由于經(jīng)過多個電機，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)，當回饋的能量不穩(wěn)定時，會對電網(wǎng)造成污染。而本系統(tǒng)的回饋能量僅僅在直流母線下部環(huán)流，由于12脈整流變的隔離，降低了對系統(tǒng)的諧波污染，同時提高回饋效率。

（3） 頻率連續(xù)可調，實現(xiàn)大型電機軟啟動。由于本系統(tǒng)采用DSP控制技術，通過調節(jié)PWM波的載波比和調制波，可以實現(xiàn)電壓頻率的連續(xù)可調，有利于對電機速度的精確調節(jié)，保證了電機試驗的精確可靠。而且系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大型電機的軟啟動，降低了電機啟動對電力系統(tǒng)的沖擊。

（4） 系統(tǒng)試驗能力實現(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，使系統(tǒng)具有更廣泛的使用范圍。

（5） 采用無控12脈整流方式整流和多電平技術。12脈整流帶來的好處是直流母線紋波低，降低了直流濾波系統(tǒng)的設備照價；無控整流對電網(wǎng)的波形畸變影響小，不會產(chǎn)生嚴重的第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，實現(xiàn)寬頻正弦波輸出，波形品質很好，諧波含量低，同時系統(tǒng)阻抗匹配性能很好，使用范圍寬。

3 結 語

本文所設計的變頻電源應用于電機試驗技術上有如下特點：

（1） 采用逆變器共母線的方式，在電機對拖試驗時，能夠實現(xiàn)能量的內(nèi)回饋，節(jié)約能源。

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

（3） 共直流母線在對拖試驗時實現(xiàn)了能量的內(nèi)回饋，對交流側的進線電網(wǎng)幾乎沒有影響。配電容量大幅降低，實現(xiàn)了節(jié)能的效果。

（4） 對于功率因數(shù)低的試驗，能夠實現(xiàn)無功補償，從電網(wǎng)吸取的只是有功功率。

（5） 可以滿足多種型號的電機試驗，在不超過電源容量的前提下，可以通過并機實現(xiàn)擴容。

（6） 變頻電源是靜止電源，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且壽命很長。

參考文獻

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