陳　釗

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶　400037)

礦用高壓交流變頻電傳動負載特性試驗裝置設(shè)計*

陳釗

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)

根據(jù)礦用高壓變頻電傳動試驗系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計任務(wù)，基于直接負載法，提出負載特性試驗裝置的一種設(shè)計方案，具有適應(yīng)試品范圍廣、測試范圍寬、響應(yīng)快、精度高和自動化程度高等特點，同時也能完成變頻器和電動機等單機試品的型式試驗。

變頻電傳動; 大功率; 高電壓; 負載特性

0　引　言

礦用三相交流電動機(以下簡稱電機)是煤礦井下主要的用電設(shè)備，礦用變頻器具有優(yōu)良的電機起動、制動和調(diào)速性能。近年來，針對煤礦井下流體力學負載，正在發(fā)展變頻器與電機相融合的變頻調(diào)速一體機，節(jié)能效果明顯。由變頻器和電機組成的成套變頻電傳動系統(tǒng)(以下簡稱電傳系統(tǒng))在井下的應(yīng)用將越來越廣泛。井下電傳系統(tǒng)的負荷性質(zhì)各有差異，負載特性不盡相同[1-2]，提升機和皮帶輸送機分別屬于位能式、摩擦式恒轉(zhuǎn)矩負載特性，通風機和水泵則屬于平方轉(zhuǎn)矩負載特性。驗證礦用電傳系統(tǒng)的負載特性是保證系統(tǒng)在井下正常運行的關(guān)鍵，對系統(tǒng)設(shè)計、組件選型和技術(shù)標定等工作具有重要的指導作用。

為滿足井下負荷不斷增大的需求，礦用電傳系統(tǒng)及其變頻器和電機等單機組件，正向高電壓、大功率方向發(fā)展(以下所稱高壓，泛指設(shè)備的額定電壓3.3、6和10kV電壓等級[3])。目前煤炭行業(yè)內(nèi)無法完成高壓電傳系統(tǒng)負載特性的技術(shù)測試，其他行業(yè)也很少對電傳系統(tǒng)進行負載特性試驗，導致礦用高壓電傳系統(tǒng)和單機設(shè)備的安全準入測試工作面臨技術(shù)困難。本文針對正在實施的煤礦高壓供用電系統(tǒng)安全準入分析驗證實驗室建設(shè)項目，闡述礦用高壓變頻電傳動試驗系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計任務(wù)，在分析負載特性試驗裝置設(shè)計重難點的基礎(chǔ)上，給出一種實用化的技術(shù)設(shè)計方案，并應(yīng)用到項目實踐中。

1　負載特性試驗

電傳系統(tǒng)的應(yīng)用場合主要包括通用性能調(diào)速、高動態(tài)性能調(diào)速、大功率調(diào)速和高轉(zhuǎn)速調(diào)速等，其中，通用調(diào)速時一般采用三相異步電機，其機械特性示意圖如圖1所示[4-5]。由圖1可知，對于恒轉(zhuǎn)矩負載，可調(diào)速區(qū)間為ABC；對于平方轉(zhuǎn)矩負載，可調(diào)速區(qū)間為DEF。前者的調(diào)速范圍很窄，需采用力矩電機和閉環(huán)控制方式才能達到調(diào)速目的。若變頻器的反饋控制方式、電機的機械特性軟硬程度等存在差異，則電傳系統(tǒng)的輸出特性不盡相同，無法用同一傳遞函數(shù)對電傳系統(tǒng)進行精確的描述。負載特性試驗的目的就是驗證電傳系統(tǒng)的機械特性，并根據(jù)試驗繪制的曲線和負載種類，分析電傳系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地運行的調(diào)速區(qū)間。試驗方法是根據(jù)負載性質(zhì)和轉(zhuǎn)矩大小，給電傳系統(tǒng)試品施加模擬工況的轉(zhuǎn)矩，考核試品的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)時間、調(diào)速精度和工作制式等是否滿足要求。

圖1　三相異步電機機械特性示意圖

2　項目設(shè)計任務(wù)

2.1試驗指標

當前，礦用隔爆型電機單機的額定功率最大為4500kW/10kV，隔爆型變頻器單機的額定功率最大為1600kW/3.3kV。試驗裝置針對的試品，其額定功率(在規(guī)定運行條件下電傳系統(tǒng)電機軸上輸出的機械功率)最大為5000kW，受井下空間和設(shè)備體積限制，電傳系統(tǒng)或變頻器與電機單機試品的功率再有增長需求時，最佳方案是采用聯(lián)機技術(shù)。試驗方法： 直接負載法。試品范圍： 以電傳系統(tǒng)為主，兼顧高壓變頻器、高壓三相交流異步電動機(含工頻、變頻電動機)等試品、高壓三相交流同步電動機(含有勵磁三相同步電動機、永磁同步電動機)。試驗項目[6-10]： 完成電傳系統(tǒng)的負載特性試驗、效率和功率因數(shù)測定等，兼顧單機型式試驗。試品范圍、試品重要參數(shù)及試驗項目如表1所示。

表1　試品范圍、參數(shù)和試驗項目表

2.2試驗電源

試驗電源由被試電源和陪試電源組成，分別用于給試品和陪試設(shè)備供電。若試驗電源全部采用靜止電源，形成變頻器驅(qū)動變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)，可能遇到諧振問題。同步發(fā)電機具有輸出電能質(zhì)量好、過載能力強等優(yōu)點。因此，試驗電源以同步發(fā)電機組為主，靜止電源為輔。其中，機組電源用于完成30～75Hz的試驗項目，低于或高于該頻率范圍的試驗則采用靜止電源完成，以彌補機組電源無法輸出寬廣變頻波形的不足。同時，靜止電源為同步發(fā)電機的拖動電機提供驅(qū)動電源，也可分時復用，單獨作為變頻電機試品的試驗電源。試驗電源的電能質(zhì)量滿足相關(guān)試驗標準要求，機組試驗電源的冷卻水和潤滑油配套齊全。

為達到節(jié)能環(huán)保目的，長時間、大功率試驗時，試驗電源采用電能回饋方式。試驗電源具備過壓、過流、過載、短路等自動保護功能。觸發(fā)保護時，靜止電源自動封鎖、機組電源滅磁，并自動分斷主開關(guān)。靜止電源的電磁兼容滿足相關(guān)標準要求，不得干擾其他設(shè)備，也能抗其他設(shè)備干擾。靜止電源具備多種控制方式，主要包括V/F控制、V/F解耦控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。同時在低頻和極低頻范圍，靜止電源既能輸出正弦波，也能輸出PWM波形。

為提高裝置運行的經(jīng)濟性和試驗數(shù)據(jù)的準確性，試驗裝置分為大功率工位、中功率工位和小功率工位。每個試驗工位分別配置相應(yīng)的試驗電源和測控設(shè)備，并能同時獨立開展試驗。

2.3測控回路

試驗裝置的電壓調(diào)節(jié)范圍和負載調(diào)節(jié)范圍分別為0.2～1.3倍試品額定電壓和0.2～1.3倍試品額定功率，頻率調(diào)節(jié)范圍為5～100Hz。測控對象分為狀態(tài)參數(shù)和試驗參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)是試驗裝置的運行參數(shù)，如試驗電源重要部位的電壓、電流等；試驗參數(shù)是直接測量的試驗數(shù)據(jù)或參與結(jié)果計算的測量數(shù)據(jù)，且能同步采集。測量物理量主要包括： 電量(電壓、電流、功率、頻率和諧波)、機械量(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩)和非電量(環(huán)境溫濕度，進出風溫度，前后軸承溫度，機殼/鐵心/線圈溫度，冷卻水和潤滑油溫度、水壓及流量)等，其中變頻電參量的測量采用寬頻傳感器。

試驗裝置的重要部位如進電源、整流變壓器輸出、被試電源、陪試電源的狀態(tài)參數(shù)以及試驗參數(shù)，通過光纖接入中控室，具備閉鎖、聯(lián)鎖功能，集中顯示，便于監(jiān)測、控制及保護。該裝置能手動或自動對電壓、電流、功率(含有功和無功功率)、頻率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等重要參數(shù)進行增減和穩(wěn)定，精度和響應(yīng)時間滿足試驗標準要求。自動測控的流程為： 試驗前，試驗裝置根據(jù)手工輸入?yún)?shù)，自動生成控制參數(shù)；試驗開始，試驗裝置自動分合閘，自動調(diào)節(jié)電壓、電流等狀態(tài)參數(shù)，自動采集試驗參數(shù)；試驗結(jié)束，試驗裝置自動卸載、斷電、停車。根據(jù)技術(shù)標準，自動處理數(shù)據(jù)，并計算結(jié)果，存儲至數(shù)據(jù)庫，自動生成原始記錄和測試報告并可打印。

試驗過程的應(yīng)急程序合理，具備巡檢、通信、安全監(jiān)控和記錄、互鎖和一鍵緊急分閘等功能，具備防爆、防飛物等安全防護措施。發(fā)生故障和誤操作時，能及時保護并報警。另外，實時監(jiān)控重要試驗設(shè)備的狀態(tài)和重要區(qū)域及部位，具有磁卡、指紋識別等門禁系統(tǒng)，權(quán)限分級。例如，對設(shè)備區(qū)的發(fā)電機組等設(shè)置聲學傳感器，可選擇性監(jiān)聽；稀油站地坑、變壓器室、設(shè)備區(qū)地下室等封閉、帶電、人工巡視較少的區(qū)域設(shè)置煙霧報警裝置。

2.4布局要求

布局時統(tǒng)籌兼顧、注意銜接、功能明確、線路清晰。功能相同或相近的設(shè)備集中布局，干濕分區(qū)、動靜分區(qū)。集中布置噪聲較大的機組電源，優(yōu)先采用降噪措施，如設(shè)備沉入地下室、修建夾層、蓋板、鋪設(shè)吸聲材料等。對發(fā)電機組、試驗平板等振動較大的設(shè)備或裝備，采用減振、隔振措施，減少或消除振動對相鄰設(shè)備的影響。

3　方案設(shè)計

3.1設(shè)計重難點

試驗裝置的方案設(shè)計過程中，需要解決的技術(shù)難點有： (1) 根據(jù)不同的負載性質(zhì)，給試品快速、精確地施加力學負載并穩(wěn)定；能滿足不同電壓等級、功率和極對數(shù)(轉(zhuǎn)速)試品的試驗要求。(2) 提高試驗電源在低頻和極低頻區(qū)間穩(wěn)定性，減小轉(zhuǎn)矩脈動，以及在保證電源質(zhì)量的同時，降低同一等級電壓、電流和功率的下限。(3) 試驗裝置二次測控回路要能準確、有效地測量變頻電參量。

需要解決的技術(shù)重點有： (1) 試驗電源的容量和電能質(zhì)量滿足試驗標準要求。(2) 陪試端的加載方式、范圍、跟隨響應(yīng)等符合試品的實際運行工況。(3) 優(yōu)化試驗裝置的結(jié)構(gòu)和布局，便于試品在不同工序之間的運輸轉(zhuǎn)換。(4) 齊全、完備的繼電保護，試品驗證失敗或試驗裝置發(fā)生故障時，能保護人員和試驗設(shè)備的安全。(5) 保證試驗參數(shù)和測試結(jié)果的有效性和準確性，提高試驗裝置的綜合技術(shù)水平。

3.2設(shè)計方案

為了降低試驗裝置的造價，可采用機組并聯(lián)方式，即將兩個中功率試驗工位的同步發(fā)電機并聯(lián)出力，形成大功率試驗工位的機組電源。相當于設(shè)計有兩個中功率試驗工位，優(yōu)點是可提高中小功率試品的測試效率。但在大動態(tài)范圍和快速響應(yīng)時，機組電源并聯(lián)方案需要克服功率平衡、勵磁控制復雜、調(diào)節(jié)同步性等技術(shù)問題。因此，試驗裝置采用大、中、小試驗工位的機組電源各自獨立和電源并機的方案。

高壓靜止電源具有損耗小、電網(wǎng)側(cè)諧波污染小、輸出波形好等優(yōu)點?？紤]性價比和技術(shù)成熟性，靜止電源和回饋母線都采用低壓方案。

進行電傳系統(tǒng)負載特性試驗時，力矩動態(tài)范圍寬、精度高和響應(yīng)時間短，陪試設(shè)備本身的機械特性非常重要。針對不同轉(zhuǎn)速、不同機械特性的試品，陪試設(shè)備依次為異步電機、同步電機和磁粉制動器，并輔助以齒輪箱等變速裝備。若利用同步電機作為陪試設(shè)備，采用光電編碼器將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信息反饋至陪試電源，完成陪試設(shè)備的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

大功率試驗工位試品的額定功率最大為5000kW，中功率試驗工位試品的額定功率最大為1600kW，小功率試驗工位試品的額定功率最大為630kW。以大功率試驗工位為例，主回路原理圖如圖2所示。采用交-直-交拓撲結(jié)構(gòu)，3個試驗工位共用直流母線，電機類陪試設(shè)備再生的電能通過直流母線回饋。試驗裝置的進線為10kV 工頻專用電源，容量4000kVA。整流單元(T1+REC1)、(T2+REC2)的容量分別為1800kVA和2250kVA。根據(jù)三個試驗工位負荷情況，整流單元可獨立或并聯(lián)工作，提高試驗裝置的運行經(jīng)濟性。圖2中，左邊為被試電源，右邊為陪試電源。被試電源從直流母線取電，經(jīng)過逆變器VF1、VF2和濾波單元FIL1、FIL2，驅(qū)動雙聯(lián)原動電機M1和M2，并與同步發(fā)電機GS1機械同軸，組成被試電源的機組電源。其中，VF1和VF2既可作為獨立的靜止電源驅(qū)動原動機，也可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)SW1并聯(lián)運行，提高試驗裝置的運行經(jīng)濟性。試驗時陪試設(shè)備處于發(fā)電狀態(tài)，經(jīng)過濾波單元FIL3、FIL4和逆變器VF3、VF4，將電能回饋至直流母線。其中，VF3和VF4既可作為獨立的靜止電源，也可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)SW2并聯(lián)運行。逆變器VF1、VF2和濾波單元FIL1、FIL2，與寬頻多抽頭升壓變壓器T3也可組成靜止試驗電源，為變頻電機試品提供5～100Hz的試驗波形。同理，經(jīng)過寬頻多抽頭降壓變壓器T4和逆變器VF3、VF4，將電能回饋至直流母線。通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)SW3，寬頻靜止試驗電源VF1、VF2、VF3、VF4可并聯(lián)運行，輸出更大功率用于其他試驗。

圖2　大功率試驗裝置主回路原理圖

電傳系統(tǒng)試品由被試變頻器TVF和被試電機TM2組成，如圖2虛線框(2)所示。GS1作為試驗電源，陪試設(shè)備由電機M3和M4共同組成并處于發(fā)電狀態(tài)，為電傳系統(tǒng)試品提供最大5000kW 的負載。若試品為定頻電機單機，則GS1直接為試品TM2供電，電機M3和M4共同組成陪試設(shè)備，并工作于發(fā)電模式為試品加載，最大提供5000kW的負載。若試品為變頻器單機，如圖2虛線框(1)所示，則GS1提供試驗電源，將TM2替換成多電壓陪試電機，并與電機M3和M4組成一套陪試負載。此時，電機TM2為電動模式，電機M3和M4為發(fā)電模式，最大提供5000kW的負載。進行電傳系統(tǒng)或四象限變頻器單機試品的回饋試驗時，則電機M3和M4為電動模式，電機TM2處于發(fā)電狀態(tài)。電傳系統(tǒng)的變頻器或變頻器單機試品將回饋的電能輸送給處于電動狀態(tài)的GS1，電機M1和M2工作于發(fā)電模式，再生電能經(jīng)過VF1和VF2整流后回饋至直流母線。若試品為變頻電機，如圖2虛線框(3)所示，逆變器VF1、VF2和變壓器T3組成被試電源為試品供電，逆變器VF3、VF4和變壓器T4組成陪試電源，此時，陪試電機TM3處于發(fā)電狀態(tài)，或者使用電機M3和M4作為陪試設(shè)備。

計算起點從試品的軸上功率開始反推，采用等功率傳輸核算試驗裝置設(shè)備的重要參數(shù)。電傳系統(tǒng)試品的最大額定功率為5000kW，考慮試品不合格情況，電機組件的效率和功率因數(shù)分別取為90%、0.90， 變頻器組件的效率和功率因數(shù)分別取為92%、0.94，則發(fā)電機GS1的容量約為9000kVA，雙聯(lián)原動機的額定功率總計為5700kW。該計算參數(shù)能涵蓋絕大部分試品的狀況，也可通過機組電源適度的短時過載來消除計算偏差。按照功率損耗比20%計算，大功率工位試驗時，整流單元從電力電網(wǎng)補充的電容量最大約為1000kVA。

在試驗裝置的自動控制下，負載特性試驗的流程是： 起動電傳系統(tǒng)試品，驅(qū)動到額定轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)陪試電源和陪試設(shè)備，為試品逐漸加載至滿負荷，測量轉(zhuǎn)矩。根據(jù)試品的負載性質(zhì)，調(diào)增(或調(diào)減)試品的輸出頻率至下一個測試點，調(diào)節(jié)陪試電源和陪試設(shè)備至同一頻點，穩(wěn)定后測量轉(zhuǎn)矩。在試品工作頻段內(nèi)重復上述過程，獲得7～10個以上的測試點，擬合出轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線(直線)并計算出曲線系數(shù)。

4　結(jié)　語

設(shè)計任務(wù)針對的試品種類規(guī)格多、參數(shù)多、范圍廣，試驗裝置設(shè)計復雜、難度較大。提出的設(shè)計方案采用同步發(fā)電機作為主要的試驗電源，輔助以靜止電源以彌補機組試驗電源頻率范圍的不足，配備多種陪試設(shè)備滿足各種轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速需求。試驗裝置的兼容性較強，既能進行礦用電傳系統(tǒng)的負載特性試驗，也可完成礦用高壓變頻器單機全電流型式試驗、礦用高壓電機單機型式試驗，對地面類似大功率高壓變頻電傳試驗系統(tǒng)的設(shè)計和建造具有重要的借鑒意義。

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收稿日期： 2015-03-05

Design on Load Characteristic Test Device of Mine High-Voltage Alternating Variable Frequency Electric Drive

CHENZhao

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing, 400037, China)

Combined with the technical design targets of test system and based on direct load method, this paper presents a design scheme of load characteristic test device, with the features of vast sample range, wide measurement range, fast response, high precision and high degree of automation. The test device can also complete the type test of variable-frequency drive and motor.

variable frequency electric drive; high power; high voltage; load characteristic

2014-07-02

國家級安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)察技術(shù)支撐能力建設(shè)-礦用新裝備新材料安全性分析驗證中心實驗室建設(shè)項目(發(fā)改投資[2014]744號)

TM 306

A

1673-6540(2015)04-0075-05