礦用電動機(jī)試驗用變頻靜止電源關(guān)鍵參數(shù)*

陳釗

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037)

摘要：變頻靜止電源廣泛應(yīng)用于礦用交流電動機(jī)型式試驗系統(tǒng)，其輸出電能品質(zhì)是評價試驗系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。輸出電壓和頻率偏離額定時諧波增大、電壓下限偏高、電壓不對稱等都會造成試驗數(shù)據(jù)誤差的增大。在定性綜述變頻靜止試驗電源輸出的諧波、電壓和頻率對電動機(jī)型式試驗影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，分析礦用低壓電動機(jī)型式試驗電源實(shí)例，依此提出考核礦用高壓電動機(jī)型式試驗電源的重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：靜止電源; 諧波; 頻率; 電壓; 電動機(jī); 型式試驗

基金項目：* 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(shí)驗室建設(shè)項目(發(fā)改投資[2014]744號)

通訊作者：陳釗

中圖分類號：TM 306文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期:2015-04-10

Key Parameters of Variable Frequency Quiescent

Power Supply for Mine Motor Test

CHENZhao

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

Abstract：The variable frequency quiescent power supply was widely used in the type test system of mine alternating current motor and its quality was an important index to evaluate the test system. The increased harmonic when the voltage or frequency deviates from the rating, high voltage minimum and asymmetric voltage would cause the increase of error of test data. The influences of harmonic, voltage and frequency to motor type test result were qualitatively summarized. According to test standards, the power quality of mine low-voltage motor type test as an example was analyzed. The assessment indexes of variable frequency quiescent power supply for mine high-voltage motor type test was presented.

Key words： quiescent power supply; harmonic; frequency; voltage; motor; type test

0引言

為保障礦用三相交流電動機(jī)(以下簡稱電機(jī))在煤礦井下易燃易爆環(huán)境中的安全使用，在電機(jī)井下應(yīng)用前的安全準(zhǔn)入階段，須對電機(jī)的電氣、機(jī)械和熱力等參數(shù)指標(biāo)是否存有安全隱患進(jìn)行分析驗證。目前，礦用電機(jī)試驗系統(tǒng)的試驗電源基本使用同步發(fā)電機(jī)組電源或變頻靜止電源。因后者具有輸出頻率范圍寬、能耗較小、噪聲和振動小、成本較低和維護(hù)保養(yǎng)便捷等優(yōu)點(diǎn)，故針對礦用電機(jī)試品尤其是變頻電機(jī)試品的出廠或型式試驗系統(tǒng)，廣泛采用變頻靜止電源作為被試電源和陪試電源。試驗標(biāo)準(zhǔn)要求試驗電源具有寬廣的電壓、電流和頻率調(diào)節(jié)范圍，事實(shí)上變頻靜止電源不能保證在全頻率、全電壓范圍內(nèi)都能輸出合格的參數(shù)。特別是進(jìn)行低頻率、低電壓試驗時，變頻靜止電源很難輸出合乎要求的電能。若試驗電源諧波含量較大、電流不平衡嚴(yán)重或頻偏較大，測試數(shù)據(jù)將產(chǎn)生較大偏離。因此，變頻靜止試驗電源輸出的電壓、電流及其諧波，以及頻率等參數(shù)指標(biāo)滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求，是保證電機(jī)試驗準(zhǔn)確性、重復(fù)性和一致性的基礎(chǔ)，也是評價型式試驗系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文在定性綜述試驗電源的諧波、頻率和電壓等電能質(zhì)量參數(shù)對電機(jī)型式試驗影響的基礎(chǔ)上，以新建的礦用低壓電機(jī)型式試驗系統(tǒng)考核結(jié)果為例，分析該試驗電源的實(shí)測數(shù)據(jù)和試驗系統(tǒng)的不足，同時給出礦用高壓變頻電傳動試驗系統(tǒng)靜止電源的評價方法。

1變頻靜止試驗電源品質(zhì)

1.1電源諧波

相對于機(jī)組試驗電源，變頻靜止試驗電源的工作頻率可從低頻到高頻，但整流單元和變頻器在開關(guān)時必然產(chǎn)生電壓突變，不僅造成試驗系統(tǒng)供電電源側(cè)諧波污染，也使施加在電機(jī)試品上的電流和電壓波形發(fā)生畸變而包含有大量高次諧波?；ê椭C波分量的分布及其幅值變化主要受調(diào)制頻率和載波頻率的影響。若試驗電源諧波含量大，將對試驗系統(tǒng)和測試結(jié)果產(chǎn)生不利影響。例如: 干擾試驗系統(tǒng)的正常運(yùn)行，控制和保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)誤動、拒動現(xiàn)象，試驗設(shè)備和線路過熱、絕緣加速老化甚至損傷，或者使監(jiān)測、監(jiān)控試驗系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的儀器儀表失準(zhǔn)，也會降低試驗系統(tǒng)內(nèi)部及與中央控制室的通信質(zhì)量。

除基波分量產(chǎn)生損耗外，不同幅值和頻率的諧波疊加在試品上，也引起試品定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加雜散損耗的增加，試品效率降低，溫升增加；試品無功分量增加，功率因數(shù)降低[3-10]。高次諧波也會使試品軸電壓和軸電流增大、電磁振動和噪聲增加[11-13]。

對于特定的試驗系統(tǒng)，可試驗功率的下限取決于試驗電源純凈度、控制與測量精度和試驗系統(tǒng)損耗。試驗電壓和電流幅值需高于試驗系統(tǒng)主回路的諧波電壓和諧波電流，否則無法順利進(jìn)行較小功率試品的測試。反過來說，若試驗電源產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波源，相當(dāng)于抬高了試驗功率下限。

1.2電源頻率精度和穩(wěn)定性

試驗電源的頻率偏差過大，將改變電機(jī)試品的性能。例如，試驗電源頻率低于試品額定值，異步電機(jī)試品定子阻抗降低，起動電流增大，起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩增大；空載電流增大；損耗增大，效率降低；定子功率因數(shù)降低；定子銅耗增大，溫升增大。輸出低頻特別是極低頻率時，諧波含量大幅增加，試品轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象嚴(yán)重。若頻率波動太快，難以準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)。

1.3電源電壓范圍和對稱性

試驗電源輸出電壓越低，則諧波含量越大，在允許的諧波含量條件下，試驗電源的輸出電壓存在下限值。依據(jù)文獻(xiàn)[14-15]的要求，空載試驗時電流需降低到最小或不穩(wěn)定的最小電流為止。若輸出電壓最低值偏高甚至超過0.2倍試品額定電壓，空載試驗時的機(jī)械損耗會偏大，鐵耗會相應(yīng)減小。

若試驗電壓低于額定電壓，異步電機(jī)試品空載和輕載時勵磁電流將減小，鐵耗降低，功率因數(shù)上升；重載時定子電流和定子銅耗增大，轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子銅耗增大，試品效率降低，溫升增加，帶載能力下降。若試驗電壓高于額定電壓，空載和輕載時勵磁電流增加，定子電流增大，功率因數(shù)變小；重載時定子電流和定子銅耗減小，轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子銅耗減小，試品效率略有下降，溫升略有增加。

若試驗電壓幅值不對稱，將導(dǎo)致試品的空載電流、堵轉(zhuǎn)電流和轉(zhuǎn)子開路電壓不平衡，引起額外的轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗和雜散損耗，試品效率降低，溫升增加。因負(fù)序阻抗較小，負(fù)序電流較大，試品銅耗也會增加，效率降低，溫升增加。負(fù)序轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，降低試品的最大轉(zhuǎn)矩和過載能力，試品輸出功率減小。

2試驗

某套礦用低壓電機(jī)型式試驗系統(tǒng)的變頻靜止電源，采用三電平+載波移相技術(shù)和共直流母線結(jié)構(gòu)，標(biāo)稱的參數(shù)指標(biāo)如下: 最大功率2×500kW，額定電壓AC 690V，最大輸出電壓AC 900V，最大電流2×524A，工作頻率3～120Hz。試驗系統(tǒng)具備的功能是: 空載試驗、負(fù)載試驗、并聯(lián)模式下堵轉(zhuǎn)試驗、直接負(fù)載法和疊頻法熱試驗、B法實(shí)測雜散損耗、滿壓法和降壓法實(shí)測最大最小轉(zhuǎn)矩，以及變頻電機(jī)的特殊試驗，如5Hz直接法熱試驗等。選用YB2-355L2-4全封閉風(fēng)冷、單籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)試品完成該電源的考核試驗，其中，試品額定電壓660V，額定電流321A，額定頻率50Hz，額定功率315kW。利用經(jīng)過校準(zhǔn)的成套功率分析儀測試數(shù)據(jù)。

2.1電能質(zhì)量分析

采取投入或切除試驗電源輸出濾波器的方式，在同一載波頻率條件下，模擬不同諧波電壓因數(shù)的供電。例如，堵轉(zhuǎn)、空載和負(fù)載試驗的電能質(zhì)量測試曲線如圖1～圖4所示，其中，HVF為諧波電壓因數(shù)，PSCi為電流正序分量，NSCi為電流負(fù)序分量，PSCu為電壓正序分量，NSCu為電壓負(fù)序分量。

圖1　堵轉(zhuǎn)試驗時電源品質(zhì)曲線

圖2　空載試驗時電源品質(zhì)曲線

圖3　負(fù)載試驗時電源品質(zhì)曲線

由圖1可見，當(dāng)投入濾波器時，隨著堵轉(zhuǎn)電流的減小，HVF逐漸增大，在160A時達(dá)到最大值0.016；NSCi的總趨勢是隨堵轉(zhuǎn)電流的減小而減小。當(dāng)切除濾波器時，HVF和NSCi波動較大，HVF在181A時達(dá)到最大值0.0217。與切除濾波器相比，投入濾波器后HVF明顯減小，但對NSCi影響不大。投/切濾波器時HVF的平均值分別為0.0043、0.0132，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0035、0.0040；NSCi的平均值分別為1.6143、1.7382，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2807、0.4203。

由圖2可見，當(dāng)投入濾波器時，隨著電壓的減小，HVF逐漸增大，在130V時達(dá)到最大值0.029；在額定電壓附近HVF明顯減小，說明濾波器是按照額定電壓區(qū)間來設(shè)計的。當(dāng)切除濾波器時，HVF和NSCu的總趨勢是隨著電壓降低而增大；NSCu較投入濾波器時顯著增大。投/切濾波器時HVF的平均值分別為0.0144、0.0298，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0061、0.0098；NSCu的平均值分別為0.1566、1.9805，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0664、1.4431。

由圖3可見，當(dāng)投入濾波器時，隨著電流的減小，HVF逐漸增大，在110A時HVF值達(dá)到較高值0.0219，比切除濾波器時還大；但在額定電流附近較切除濾波器時明顯減小，其值約為0.005，表明濾波器是按照額定電流區(qū)間來設(shè)計的。在投入和切除濾波器時NSCi變化趨勢相近，但投入濾波器時NSCi較切除時偏大，兩種情況在額定電流附近均減??；在低段有起伏。投/切濾波器時HVF的平均值分別為0.0087、0.0990，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0057、0.0046；NSCi的平均值分別為0.7180、0.7306，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.4908、0.3727。

由圖4可見，50Hz和60Hz頻率下HVF變化趨勢相近，隨著電壓的降低，HVF逐漸增大，50Hz、100V時HVF為0.0268；60Hz、100V時HVF為0.0281；50Hz和60Hz時HVF的平均值分別為0.00888、0.0114，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0082、0.0087。

2.2型式試驗

不同HVF條件下的型式試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知: 受基波和諧波轉(zhuǎn)矩共同疊加的影響，HVF增大時對堵轉(zhuǎn)電流及堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩影響很大。HVF增大時，鐵耗、轉(zhuǎn)子銅耗和雜散損耗增加較多，機(jī)械損耗和定子銅耗基本無變化，試品效率下降。因多項損耗增加，導(dǎo)致溫升也增加。由高次諧波電壓產(chǎn)生的電流幾乎均為感性無功電流，相當(dāng)于增加了定、轉(zhuǎn)子漏抗，功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩下降[16]，但影響不大。

表1　不同HVF條件下的試驗結(jié)果

該試驗電源的考核結(jié)果及其分析如下:

(1) 固定載波頻率、濾波器開起時，堵轉(zhuǎn)試驗在低于0.2倍試品額定電壓時的HVF>0.02，空載試驗在低于0.27倍試品額定電壓時的HVF大于0.02，負(fù)載試驗在低于0.4倍試品額定電流時的HVF>0.02；輸出50Hz或60Hz和額定電壓時，HVF均能<0.015。滿足電機(jī)試驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 投入濾波器后，堵轉(zhuǎn)試驗時輸出的三相電壓負(fù)序分量為正序分量的0.32%，空載試驗時為0.05%，負(fù)載試驗時為0.04%，滿足電機(jī)試驗的要求。在上述試驗過程中，輸出頻率最大偏移為0.004Hz，頻率最大誤差為-0.008%，滿足電機(jī)試驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 對試驗電源HVF影響最大的參數(shù)是輸出電壓，電壓越低，HVF越大；其次為輸出電流，電流越低，HVF越大；在50～60Hz范圍內(nèi)，頻率變化對HVF的影響很小。其中，試驗電源在低電壓區(qū)域HVF增大的原因是，SPWM波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，當(dāng)電壓降低時，調(diào)制信號幅值與載波信號幅值之比減小，矩形脈沖波幅值大于信號波對應(yīng)區(qū)間幅值，同時寬度變窄，高次諧波增大，HVF相應(yīng)增加[17]。

(4) 從圖1～圖3可見，負(fù)序分量在堵轉(zhuǎn)試驗時最大，負(fù)載試驗時次之，空載試驗時最小，原因是電機(jī)定轉(zhuǎn)子的三相漏阻抗值受定轉(zhuǎn)子相對位置、氣隙均勻程度、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響，堵轉(zhuǎn)試驗時轉(zhuǎn)子靜止且試驗電流較大，較空載和負(fù)載試驗時受到的影響更大，且試品功率與試驗電源容量接近，導(dǎo)致電源對稱性變差。

綜上所述，該變頻靜止試驗電源基本滿足電機(jī)試驗標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量要求，可作為工頻電機(jī)、變頻電機(jī)型式試驗電源。不足之處是: 在HVF滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下，輸出電壓下限偏高、負(fù)載試驗電流下限偏高，對部分試品的空載、堵轉(zhuǎn)和負(fù)載試驗結(jié)果有一定影響，其綜合性能為中等。

3高壓變頻靜止試驗電源要求

建設(shè)中的礦用高壓變頻電傳動試驗系統(tǒng)的變頻靜止電源，通過分時復(fù)用，既可驅(qū)動機(jī)組試驗電源的拖動電機(jī)，也可為電機(jī)(含變頻電機(jī))試品提供被試電源和陪試電源。變頻靜止試驗電源的諧波、電壓和頻率等參數(shù)指標(biāo)需滿足試品不同試驗要求，提出如下的評估參數(shù)及其指標(biāo)：

(1) 頻率范圍5～100Hz，精度≤±0.3%，動態(tài)穩(wěn)定精度<0.1%/s。基準(zhǔn)頻率50/60Hz。其中，頻率25～72Hz時，HVF≤0.03(N設(shè)計電機(jī)試品)或HVF≤0.02(其他電機(jī)試品)；定頻電機(jī)試品熱試驗和驅(qū)動發(fā)電機(jī)組時，HVF≤0.015。其他頻率范圍時，HVF≤0.05。(2) 輸出電壓在0.12～1.3倍試品額定電壓范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，HVF≤0.03(N設(shè)計電機(jī)試品)或HVF≤0.02(其他電機(jī)試品)。(3) 負(fù)序分量小于正序分量的0.5%。(4) 轉(zhuǎn)矩控制精度≤1%。極低頻率≤10Hz時，轉(zhuǎn)矩脈動≤±1%。(5) 電壓波動范圍≤±0.2%。(6) 載波頻率2～4kHz[18]可調(diào)。

4結(jié)語

變頻靜止試驗電源輸出的電壓、頻率和諧波等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)及其變化范圍，以及試驗過程中產(chǎn)生的復(fù)合作用將影響測試數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果。在借鑒礦用低壓電機(jī)變頻靜止試驗電源實(shí)測參數(shù)及其不足的基礎(chǔ)上，依據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)項目實(shí)際需求，提出一種考核礦用高壓變頻靜止試驗電源的參數(shù)集，也適用于地面類似變頻靜止電源的設(shè)計、制造及型式試驗系統(tǒng)的評價。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]楊琰,竇滿峰.VVVF變頻器驅(qū)動高功率密度異步電機(jī)的電源諧波研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2006,10(1): 49-51.

[2]王鳳翔.電機(jī)的非正弦供電[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[3]曾岳南.變頻器對電機(jī)性能的影響及其對策[J].電氣傳動自動化，2000,22(5): 9-12.

[4]范曉君.變頻器供電的電動機(jī)溫升試驗[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014,41(6): 53-56.

[5]柯巖.變頻器諧波對電機(jī)效率的影響分析[J].電力學(xué)報，2010,25(3): 221-224.

[6]扶蔚鵬,黃守道.變頻調(diào)速對三相感應(yīng)電動機(jī)的影響[J].防爆電機(jī)，2000(3): 6-9.

[7]周瑋杰,張寶強(qiáng),陳琳.電機(jī)試驗中變頻器對電機(jī)性能的影響[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014,41(3): 57-60.

[8]俞震華.變頻技術(shù)對大功率電動機(jī)性能影響分析[J].電工技術(shù)，2011(3): 54-57.

[9]翁雙安.非正弦供電下電動機(jī)的運(yùn)行試驗研究[J].電工技術(shù)，1996(3): 8-10.

[10]康敏,劉東,黃進(jìn).基于非正弦供電多相感應(yīng)電機(jī)低速下V/f控制研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2011(3): 5-9.

[11]祝長生,陳永校.變頻器供電的三相異步電機(jī)的噪聲特性[J].中小型電機(jī)，1997,24(5): 9-12.

[12]唐任遠(yuǎn),宋志環(huán),于慎波,等.變頻器供電對永磁電機(jī)振動噪聲源的影響研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2010,14(3): 12-17.

[13]寧榕.SPWM型變頻器供電下異步電機(jī)電磁噪聲[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014,41(7): 39-42.

[14]GB/T 1032—2012三相異步電動機(jī)試驗方法.

[15]GB/T 22670 —2008變頻器供電三相籠形感應(yīng)電動機(jī)試驗方法.

[16]許實(shí)章.電機(jī)學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[17]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M].福州: 福建科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[18]IEC 60034-2-3—2013Rotating electrical machines Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC motors.