陳 釗

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

礦用高壓變頻電傳動試驗系統(tǒng)陪試方案優(yōu)化

陳 釗

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

以逆變器驅動加載電機串軸耦合變速齒輪箱和陪試電機為基本結構，運用運籌學最短路徑問題的Floyd算法，優(yōu)化配置加載電機極數(shù)及其與變速齒輪箱變速比。利用雙三相電機的雙功率和過載能力，擴展試驗能力，減少陪試電機數(shù)量。應用直接轉矩主從控制技術，實現(xiàn)雙三相異步電機轉矩和轉速控制，滿足試驗加載需求。

變頻電傳動; 加載; Floyd算法; 變速比; 雙三相電機; 轉矩控制

0 引 言

為測試礦用高壓變頻電傳動試品的性能參數(shù)，試驗系統(tǒng)的陪試裝置模擬各種特性的機械負載并施加給試品，熱試驗、負載特性試驗和調速試驗一般為緩慢加載，帶載起動和變頻電機不穩(wěn)定區(qū)試驗則屬于突然加載。試品主要包括變頻器、軟起動器、(變頻)電機等單機設備和變頻調速一體機等系統(tǒng)設備，試驗項目多而復雜。例如，文獻[1]規(guī)定，進行變頻電機試品基準定額負載試驗、變頻電源供電負載特性測定、基準定額熱試驗和5 Hz額定轉矩熱試驗時，在全功率和全速度范圍內任意轉速和轉矩點，應能連續(xù)平穩(wěn)運行。這就要求陪試裝置具有較高的轉矩、轉速控制精度和優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)性能，保證試驗的可重復性和評價統(tǒng)一性，同時具備良好的適應性和可變換能力。

目前，大、中功率陪試裝置一般通過變頻器驅動電機來調速傳動并回饋能量，采用不同型式電機的加載特性各具優(yōu)缺點：直流傳動通過電樞電流和勵磁電流控制直流電機的轉矩和速度，控制精確，速度動態(tài)響應快，但機械換向器的接觸式電流傳輸限制了試驗容量、電壓和轉速。同步電機的功率因數(shù)和效率高，電壓和轉速高，轉動慣量小，試驗容量和過載能力大，中低速性能好，但轉子側勵磁控制較復雜。異步電機的轉子結構簡單，效率高，試驗容量大、電壓和轉速高，轉動慣量?。浑S著轉矩控制技術的發(fā)展，異步電機可在零速到基速實現(xiàn)良好的轉矩響應和精確的速度控制，是礦用高壓變頻電傳動試驗主要的加載電機和陪試電機。

當前，大、中功率交流回饋型陪試裝置大多基于矢量控制算法，在將異步電機等效于直流電機的過程中，矢量旋轉變換較為復雜，轉矩動態(tài)響應較慢，加之準確觀測轉子磁鏈比較困難，控制特性受電機參數(shù)變化影響較大[2]。其次，考慮到試驗功率和轉速(頻率)范圍寬廣，為滿足不同極數(shù)電機試品加載要求，電機試品和加載電機之間常采用變速齒輪箱等功率傳遞，需配置足量的加載電機和變速箱；為覆蓋多規(guī)格變頻器試品加載要求，需配備足量的陪試電機。本文針對礦用高壓變頻電傳動試驗的加載需求，采用直變交逆變電源直接轉矩控制加載用異步電機、并串軸耦合變速齒輪箱和陪試用異步電機的陪試方案。在此基礎上，優(yōu)化加載電機極數(shù)及其與多變速比齒輪箱的變速比，結合加載電機變頻調速范圍實現(xiàn)不同轉速、不同容量等功率加載，減少加載電機和變速齒輪箱配備數(shù)量；利用雙三相電機繞組具有的半功率和全功率雙規(guī)格，發(fā)揮其過載能力，適應多規(guī)格變頻器試品且減少陪試電機配備數(shù)量。

1 方案原理

礦用高壓變頻電傳動試驗系統(tǒng)大功率試驗工位的主回路原理圖圖1所示，其他試驗工位與此相似。其中，最右側虛線框內是陪試裝置的主要構成，包括由四象限逆變器INV11+INV12、INV21+INV22和濾波器FIL11+FIL12、FIL21+FIL22組成的陪試電源，加載電機M1和M2、變速齒輪箱、陪試電機M4，以及轉矩轉速傳感器、測量單元和開關等。其具有建造成本低、可靠性高、測試功率大、瞬態(tài)響應速度快、可雙向加載運行等優(yōu)點[3]。

陪試電源驅動加載電機軸，通過其轉矩和轉速來控制能量流動：調節(jié)陪試電源頻率，當其頻率低于被試/陪試電機轉速所對應頻率時，加載電機工作在異步發(fā)電狀態(tài)；被試/陪試電機輸出的機械功率，由與之機械耦合的加載電機，將有功功率轉換為電功率形式輸出給陪試電源，并回饋至直流母線。若擴大加載電機轉差率，則被試/陪試電機負載相應增大，轉速下降；反之也成立。被試/陪試電機輸出轉矩與加載電機電磁轉矩達到平衡狀態(tài)，即可實現(xiàn)加載的穩(wěn)定運行。

例如，進行變頻調速一體機或變頻器試驗時，SW1、SW2、SW3和SW6閉合，SW4、SW5開斷。同步發(fā)電機G1為試品提供試驗電源(若閉合SW5也可為定頻電機提供試驗電源)，陪試電機M4工作在電動狀態(tài)，運行于第Ⅰ象限。變速箱用于改變變速比，并串軸拖動加載電機M1/M2，使其處于發(fā)電狀態(tài)，運行于第Ⅱ象限，其電磁轉矩方向始終與電機M4相反。陪試電源INV11+INV12和INV21+INV22，驅動電機M1/M2并在直接轉矩控制模式下運行，將電機M1/M2產(chǎn)生的次生電能回饋到直流母線。進行變頻四象限試驗時，試驗系統(tǒng)的功率流向與圖1箭頭方向相反。陪試電源驅動電機M1/M2處于電動狀態(tài)，陪試電機M4運行于發(fā)電狀態(tài)，被試變頻器將電機M4產(chǎn)生的次生電能驅動電動狀態(tài)的同步發(fā)電機G1，拖動電機M3運行于發(fā)電狀態(tài)，試驗電源INV3將電機M3產(chǎn)生的次生電能回饋到直流母線。

圖1 大功率變頻電傳動試驗主回路原理圖

該陪試裝置還可為其他試品的性能試驗提供相應的加載。例如，試驗軟起動器試品的負載性能時，其試驗位置與圖1中被試變頻器相同。此時，軟起動器給陪試電機M4供電，INV11+INV12和INV21+INV22控制加載電機M1/M2在恒轉矩模式下運行，實現(xiàn)從零轉速至額定轉速的額定轉矩加載。同理，試驗液力耦合器等變速設備性能時，試品位置與圖1中變速箱相同；試驗同步發(fā)電機性能時，試品位置與圖1中電機M4相同。

2 加載電機等功率傳動優(yōu)化

大功率試品的最大額定功率為5 000 kW，極對數(shù)1～6，頻率5～100 Hz。如圖1所示，通過變速箱與加載電機耦合，變換變速箱的變速比來實現(xiàn)不同轉速(頻率)試品的等功率加載。進行變速比與加載電機極對數(shù)配合時，電機極對數(shù)越小，其轉速越高，體積越小，重量越輕。但變速比隨之增大，傳動級數(shù)增多，變速箱體積和轉動慣量增大，轉速響應速度下降。因此，應盡可能選擇一級變速傳動級數(shù)，且變速比要小。

運用運籌學最短路徑問題的Floyd算法，優(yōu)化配置加載電機極對數(shù)及其與變速箱變速比。

第一步，根據(jù)式(1)計算加載電機驅動被試/陪試電機的變速比。變速比：

約束條件：

式中:jij——加載電機同步轉速ni與被試/陪試電機同步轉速nj變速比，i=1,…,6，j=1,…,6。

第二步，畫出變速比賦權圖，如圖2所示?？紤]6個點p1、…、p6，其中pi(i=1,…,6)表示加載電機第i個極對數(shù)。從點pi(i=1,…,5)引出向點pi-1，…，p6的直線，直線(pi，pj)表示第i個極對數(shù)加載電機經(jīng)變速箱驅動第j個極對數(shù)(j=2，…6)被試/陪試電機，直線上賦權值為第i個極對數(shù)加載電機經(jīng)過變速箱驅動被試/陪試電機的變速比，約束條件為小極對數(shù)驅動大極對數(shù)。此時，篩選變速比轉化成圖的問題：求出圖2所示賦權圖中任意兩點之間最短通路，即最短路徑問題。

圖2 變速比賦權圖(權值表示小極對數(shù)加載電機經(jīng)變速箱驅動大極對數(shù)被試/陪試電機)

第三步，應用Floyd算法[4]，將6個點p1～p6分別作為源點，列出變速比矩陣[jij]，如式(3)所示。計算得到各極對數(shù)加載電機經(jīng)變速箱驅動各極對數(shù)被試/陪試電機的最小變速比，迭代結果如表1所示。

表1 Floyd算法迭代結果

由表1可知，p2/p3/p4沒有中間點，只需一級傳動，其中p2中變速比為2的有兩個(升速和降速)，可合并一個變速比。因此，若選擇加載電機極對數(shù)p=2，配置變速比1…1.5、1…2、1…2.5和1…3時，一級傳動即可覆蓋極對數(shù)1～6試品的轉速范圍，且轉動慣量較小。

將加載電機變頻恒功率運行頻率f設定為50～75 Hz，驅動變速箱減速或增速運行，所能覆蓋的轉速范圍為500～6 750 r/min，如圖3所示。變速比為1表示加載電機等速直接驅動，變速比為2.5的轉速范圍與變速比為2和3的轉速范圍完全重疊，可取消變速比2.5。在整個變速范圍內，轉速僅重疊8%，速比利用率較高。

圖3 加載電機p=2、f=50～75 Hz時與變速比配合后等功率加載轉速覆蓋范圍(圖例中的“3+”表示變速比為3增速，“3-”表示變速比為3減速，其他依此類推)

綜上所述，大功率陪試裝置由1臺4個固定變速比的變速箱與4極變頻異步電機配合，即可覆蓋該試驗工位全部試品的轉速范圍。其中，變速比分別為1…1、1…1.5、1…2、1…3，變速箱為一個輸入軸、四個輸出軸，最高恒定轉速3 600 r/min，恒功率5 500 kW。加載電機運行在50～75 Hz區(qū)間時，變速箱減速運行可獲得6/8/10/12極電機試品轉速，增速運行可獲得2極電機試品轉速。優(yōu)點是僅在增速運行時需裝拆變速箱，工作效率高；加載電機極對數(shù)少，轉動慣量小，轉速響應快，成本較低。

3 加載和陪試電機功率匹配

3. 1 加載電機功率匹配

陪試電源采用的是變頻靜止電源，連續(xù)運行時的工作電流具有下限值，對于矢量控制和直接轉矩控制模式，工作電流須超過額定輸出電流的1/8及以上[5]。其原因是變頻靜止電源將輸出電流作為閉環(huán)控制的反饋輸入，若工作電流較小，受測量精度限制，穩(wěn)定地控制輸出電流具有較大難度。陪試電源也采用閉環(huán)反饋控制，為保證寬動態(tài)范圍內都能準確測量電流，將內置測量單元升級為高精度寬量程測量、自動轉換量程方式，可降低陪試裝置的加載功率下限值，擴展試驗能力。

大功率試驗工位試品的最小額定功率為200 kW，如果陪試裝置僅配備1臺5 700 kW加載電機，進行小功率測試時，加載電機和陪試電源均處于輕載運行狀態(tài)，必將受到工作電流下限值的影響；若陪試裝置采用2臺陪試電源并聯(lián)驅動1臺加載電機，試驗中切除其中1臺電源時，另外1臺電源電流的跳變容易引發(fā)保護性跳閘。此外，被試/陪試電機試驗功率與加載電機固定損耗接近時也無法調節(jié)負載。因此，將加載電機和陪試電源均設計為并聯(lián)運行方式，如圖1中的M1和M2，2×2 850 kW加載電機串軸運行[3]。當試驗負載低于半功率時，僅運行1臺加載電機和相應的陪試電源，如此可拓寬陪試裝置的加載范圍。另一個優(yōu)點是，1臺大功率電機拆分為2臺較小功率電機，轉子轉動慣量更小，加減速過程縮短，能耗減小，提高了陪試裝置的動態(tài)響應、效率和設備利用率。

為進一步拓展陪試裝置的試驗功率范圍，將加載電機設計為電氣隔離的雙三相繞組變頻異步電機，定子鐵心上嵌裝2套完全相同的三相對稱繞組，轉子共用，如圖1中的M11+M12和M21+M22所示，單元功率為2×1 425 kW。與普通三相電機相比，雙三相繞組電機的繞組系數(shù)提高，散熱更好；諧波漏抗減小，空載電流降低，氣隙磁密波形更接近正弦波，轉子諧波損耗和定子銅耗降低，轉矩脈動幅值減小，效率提高[6]。加載電機為雙三相冗余結構，當其中1套定子繞組或陪試電源發(fā)生故障時，陪試裝置可降載起動和運行，提高了陪試裝置可靠性。缺點是并聯(lián)連接后，陪試電源輸出電流會相應減小，并聯(lián)后功率約為總功率的95%。值得注意的是，需采取技術措施保證陪試電源的負荷均衡分配。

3. 2 陪試電機功率匹配

進行變頻器單機試驗時，需額外配備專門的陪試電機。若陪試電機額定功率遠大于變頻器試品的額定功率，則變頻器試品施加給陪試電機的起動電流或陪試電機的空載電流，很可能超過變頻器試品的過電流值，而不能順利起動和運行。陪試電機輕載時，實際負載比額定輸出功率要小，即使陪試電機負載電流處于變頻器試品額定電流內，也不能用于比陪試電機功率小很多的變頻器單機試驗。原因是以變頻器容量為基準的陪試電機電抗百分比變小，負載相同時陪試電機容量越大，其電流脈動也越大，有可能超過變頻器試品的過電流值[7-9]。

為覆蓋不同規(guī)格變頻器試品，同時降低陪試裝置建造成本，需優(yōu)化陪試電機配備數(shù)量。同樣將陪試電機設計為雙三相繞組變頻異步電機，如圖4所示。每個圓代表1臺雙三相陪試電機，圓中橫線上下方的功率表示陪試電機的半功率和全功率；括號中的功率表示陪試電機過載12.7%運行時可替代的陪試電機功率。兩個圓交叉部分表示陪試電機小規(guī)格全功率與大規(guī)格半功率重疊的功率檔，圖4中的400/500/630 kW為陪試電機相互重疊的功率檔。如此，配備9臺雙三相變頻電機即可滿足200～5 000 kW功率段29個規(guī)格變頻器試品的負載試驗要求。

圖4 9臺雙三相陪試電機覆蓋的試品功率范圍

由圖4可見，陪試裝置充分利用了陪試電機的過載能力，而電機最大轉矩倍數(shù)可反映其過載能力[10]。因此，設計時應減小陪試電機定轉子漏抗，提高最大轉矩倍數(shù)，避免因過載使轉差過大甚至停轉。其次，陪試電機過載運行時，電流增大、損耗增加，長時過載運行將超過其最高允許溫升，應控制陪試電機發(fā)熱使其運行在安全范圍內。根據(jù)文獻[11]，電機額定輸出功率時產(chǎn)生的熱量為

式中: ∑P——電機的總損耗；PN、ηN——額定輸出功率及其效率；k——電能與熱能變換的比例系數(shù)。

電機的穩(wěn)定溫升為

式中:τs——電機溫升；A——電機散熱系數(shù)。

將式(4)和式(5)合并，可得到電機額定功率PN為

根據(jù)式(6)，利用陪試電機過載能力來提高其額定功率的措施，一是采用強迫冷卻，增加散熱能力；二是擴大電機溫升裕度，最高溫升限值不應超過絕緣材料最高允許溫升，設計電機時應提高絕緣等級；三是降低電機損耗，增大額定輸出功率。同時，試驗過程兼顧電壓變化對過載能力的影響[11]，從而滿足電機過載運行時機械特性的要求。另外，陪試電機并非長期連續(xù)工作，也可利用電機有效壽命，提高其允許溫升。

陪試電機除了與變頻器試品的功率匹配外，還應與加載電機轉速配合。變頻器試品的最大適配電機功率一般以4極電動機為對象進行核算，且加載電機已被設計為4極電機，因此陪試電機也選用4極變頻異步電機。另外，變頻器試品的電壓等級較多，為保證等功率試驗要求，將陪試電機定子繞組的每個端子開放出來，配置切換開關改變繞組接法，以適應3.3/6/10 kV不同電壓等級，繞組具體接法如圖5所示。由開關CB1將電機繞組Ⅰ、Ⅱ首尾串聯(lián)，CB2將繞組Ⅰ、Ⅱ首端并聯(lián)，CB3將繞組Ⅰ、Ⅱ尾端并聯(lián)，CB4為△接，CB5為Y接，共需5臺開關即可完成開關合分表中的三種接法。

相對雙三相異步電機雙繞組運行而言，單繞組運行時的空載電流增大一倍[12]，設計電機時將定子電壓提高10%，空載電流相應減小。另外，雙三相異步電機轉子共用，比對應規(guī)格三相變頻異步電機轉動慣量略大，但對動態(tài)響應的影響較小。

4 加載電機轉矩控制

圖5 陪試電機繞組接線圖

陪試裝置直接控制主機，包括起動、停止和給定等，從機通過光纖接受主機的控制指令和轉速、轉矩的給定值，從機故障信號通過繼電器輸出并接入主機，實現(xiàn)對應的加載電機控制和保護。試品功率較小時，加載電機由主從模式切換到單機模式下運行。加載電機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)轉速精度是由主機決定的，從機的轉矩控制精度只影響加載電機的功率分配比例，不影響加載電機轉速[13]，但為提高動態(tài)響應性能，加載電機采用帶速度傳感器的控制模式。

變頻電傳動試驗的機械負載可用式(7)表示[15-16]:

進行電機試品的最大/最小轉矩測試時，電機試品將運行于不穩(wěn)定區(qū)。加載電機按照式(7)模擬輸出恒轉矩負載，調節(jié)加載電機頻率平移其機械特性，使其與電機試品機械特性交點發(fā)生變化，以滿足穩(wěn)定運行條件dTe/dn>dTm/dn[10]，從而實現(xiàn)對電機試品的穩(wěn)定加載。值得注意的是，盡管加載電機能在電機試品的不穩(wěn)定區(qū)(1>s>sm，sm對應最大轉矩點)穩(wěn)定運行，但此時電機試品轉速低、轉差率大，其轉子電流、定子電流均很大，因此電機試品不能長時間運行于此區(qū)間。陪試裝置應設定電機試品的電流、轉矩值和時間限值，超限后自動觸發(fā)跳閘，以保護電機試品和陪試裝置。

5 結 語

該陪試方案具有轉動慣量小、電機配備數(shù)量少，以及試驗能力和適用性強、轉矩控制精度高和動態(tài)響應快等優(yōu)點,能提供寬范圍、各種特性的模擬負載，滿足不同轉速、不同容量(功率)試品等功率加載需求，同時降低建造費用和試驗設備轉換時間。

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Accompanied Scheme Optimization of Mine High-Voltage Variable Frequency Electric Drive Test

CHEN Zhao

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

Based on the scheme of frequency converter driving loading motor which was coupled to gear box and companion motor, the Floyd algorithm was applied to optimize the loading motor pole and transmission ratio of the gear box. Meanwhile, the double power and overload capacity of double three-phase motor were utilized to expand the test ability and reduce the test motors. In order to meet the loading requirements, the master-slave technology was used to control the torque and speed at the end.

variable frequency electric drive; loading; floyd algorithm; transmission ratio; dual three-phase motor; torque control

礦用新裝備新材料安全準入分析驗證中心實驗室建設項目(發(fā)改投資[2014]744號)

陳 釗(1975—)，男，博士研究生，研究方向為電器電機檢測技術。

TM 306

A

1673-6540(2017)07- 0080- 06

2016 -12 -30