變頻器在異步電機疊頻溫升試驗中的應用研究

李巖 姚旭東

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168;2.沈陽理工大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

隨著異步電機容量的提高和型式的增多，受到已有試驗設備容量的限制，很多異步電機產品在出廠時無法按國標進行直接負載法溫升試驗，需要用疊頻法進行異步電機溫升試驗。

異步電機溫升試驗法有直接負載法和等效負載法。等效負載法又分為疊頻法和降低電壓負載法。采用疊頻法進行異步電動機溫升試驗時則不需要進行機械聯接，所以該法特別適用于立式異步電動機(難以對組或無合適的拖動電機)、超設備容量的異步電機及低速異步電機而又沒有合適陪試電機的溫升試驗，對于普通的異步電機，疊頻法溫升試驗則可以減少對組裝配的時間及減少試驗時的能源消耗。［1］

隨著電力電子技術的發展，變頻試驗電源在電機試驗行業中被逐步應用，有望徹底解決采用變頻發電機組進行交交變頻電機試驗中的難題。用變頻試驗電源實現異步電機疊頻溫升試驗，既節約能源，又簡便易行，是電機試驗行業的理想追求。是變流技術在電機試驗領域的重大科技成果。［2，4］

1 疊頻試驗原理

試驗時電動機的定子同時由兩個不同頻率的發電機電源供電，如圖1所示。主發電機電源T1和輔助發電機電源T2串聯后與被試電機相連。

圖1 疊頻試驗結構圖

試驗時主發電機電源T1與輔助發電機電源T2的電壓相序應相同，為保證相序相同可在試驗時先只使用主電源T1給試驗電機供電，根據電機的轉速方向，再用輔助電源T2給試驗電機供電，如果電機的轉速方向相同則說明電壓相序相同，轉速方向相反則說明電壓相序相反，需要調整到相序相同。主發電機電源的電壓為主電壓，頻率為主頻率，輔助發電機電源的電壓為輔助電壓，頻率為輔助頻率，主頻率為額定頻率，輔助電壓和輔助頻率是可以調整的。輔助頻率通常約為額定頻率的80%到120%，輔助電壓是額定電壓的20%到30%。

電動機首先由主電源供電給試驗電機，空載運行到額定速度，然后逐步增加輔助電源的輸出電壓(必要時也可以調節主電壓)，直到試驗電機達到下列條件:電機擺動電流的有效值等于額定電流;電機擺動電壓的有效值等于額定電壓;電機轉速等于額定轉速。電機的電壓、電流和轉速是電機以主頻率和主電壓供電在空載時對應的電壓、電流和轉速，同時也以主頻率和輔助頻率的差值即差拍頻率擺動。

假設主頻率形成磁場為F1，逆時針方向以角速度ω1旋轉，輔助頻率形成的磁場為F2，逆時針方向以角速度ω2旋轉，合成磁場F，逆時針方向以角速度ω旋轉，主輔電源在試驗電機定子的合成磁場如圖2所示。

圖2 定子磁場矢量圖

為計算方便，忽略磁場在定子位置的初始角，不影響問題的分析，設

合成磁場為

F1和F2之間的夾角 θ=(ω1－ω2)t

經計算可求得

2 雙PWM變頻器實現疊頻控制

傳統相控整流器變頻器存在功率因數低、諧波大的缺陷。隨著現代電力電子技術、微電子技術以及計算機技術的發展，對用綠色電器要求的不斷增強，以PWM整流的能量回饋式變頻器如圖3所示，具有高功率因數、低諧波污染、能量雙向流動、輸入電流連續可調、正弦性好等優點，在交流傳動領域得到了快速發展。

圖3 PWM整流的能量回饋式變頻器原理圖

PWM整流采用IGBT替代不可控的二極管整流，構成AFE(Active Front End)有源前端整流系統，能將交流電轉化為直流電，電能從直流回路傳送回電網。使用AFE，電網的電流諧波THDi＜I5%，功率因數接近1。逆變器采用芬蘭VACON變頻器，利用變頻器的NC61131－3編程平臺軟件，仿制出調制波，此信號為主電源頻率和輔助電源頻率的兩個信號相疊加形成的信號。用此信號控制變頻器的輸出頻率，使變頻器輸出頻率符合電機疊頻試驗要求。

變頻器通過程序設計具有恒壓恒頻、恒壓變頻、恒頻變壓等多種工作模式，完全符合國家對試驗電源波形的要求。

逆變器正弦脈寬調制(SPWM)原理如圖4所示，

圖4 正弦脈寬調制調制原理

主電源選用 50Hz，380V，輔 助電源選用45Hz，76V，仿真結果合成電壓如圖5所示，合成頻率如圖6所示。電壓包絡線波動范圍:304.5V ～455.2V。頻率波動范圍:49.09～51.43Hz。

在主電源選用50Hz，380V不變的情況下，輔助電源頻率為45Hz不變，電壓從38V，76V，152V，304V變化時，仿真合成電源。輔助電源電壓為76V不變，頻率從45Hz，40Hz，35Hz變化時，仿真合成電源。結果如表1所示。

表1 在不同頻率和電壓下的仿真結果

結論:輔助電源電壓U2的大小會影響合成電源的頻率變化的速度，當U2=0時，k=0，則f=f1=常數;當U2增大時，合成電源的頻率變化速度隨之增大。合成電源頻率f變化的速度與兩臺發電機電壓的幅值無關，僅決定于它們的頻率之差。

3 電機試驗臺控制系統

電機試驗臺如圖7所示，主要有LCL濾波器、AFE模塊、兩個INU模塊、INU輸出正弦波濾波器、試驗電機、陪試電機、電機聯軸器等設備。

AFE型號:NXA04605A0T02SGA1A2C2B4

LCL濾波器型號:Vacon LCL4605A0L011T

INU型號:NXI06505A0T0CSGA1A2B1C6B4

正弦波濾波器型號:SIN－0840－5－0－P

試驗臺系統完成如下控制:

(1)恒頻調壓:空載及短路試驗用。電壓0%～100%連續可調，在10% ～100%，諧波電壓因數小于1.5%。

(2)疊頻試驗:異步電機的溫升試驗。

(3)恒壓調頻:恒定電壓下，頻率從3Hz～100Hz連續可調，最大320Hz。

(4)250kW變頻電源能為容量≤250kW斷續工作制電機做溫升試驗。

(5)能實現S1～S9工作制各種不同負載的型式試驗。

(6)在斷續式連續周期工作制(S3～S9)，給定信號為所設定轉矩，為每個起動周期、恒定負載運行時間提供所需的負載轉矩，控制陪試電機在零至同步轉速范圍工作。具有轉矩控制方式，可調整轉矩大小，可按不同的運行程序，自動調整電機的轉矩。

圖7 電機試驗臺電路結構框圖

本試驗臺成功的使用變頻器取代發電機對電機進行出廠測試，系統使用方便，性能穩定，節約能源。

［1］ 張國本，楊曉春.異步電機疊頻法溫升試驗研究［J］.東方電氣評論，2004，18(3):156－157.

［2］ 盛君，張敏.變頻試驗電源在電機試驗中的應用［J］.變流技術與電力牽引，2007，(5).

［3］ 席惠，徐坤，曹大鵬，王得利，陳國呈.用變頻器進行異步電機疊頻法溫升試驗時氣隙磁場的研究［J］.電機與控制應用，2009，36(9):44－45.

［4］ 楊斌，李曉慶，吳亞旗.交流異步電機疊頻法溫升試驗的探討［J］.電機技術，2009，(3):49－50.

［5］ 金惟偉，邱毓鴻，等.GB/T21211－2007/IEC61986:2002等效負載法和疊加試驗技術間接法確定旋轉電機溫升.

［6］ 馬維林.用定子疊頻法進行溫升試驗時被試電機的氣隙磁場、損耗及溫升［J］.中小型電機，2002(1)17－18.

［7］ 施曉蓉，劉金澤.高壓電機疊頻溫升試驗方法及其數據采集研究.微電機，2008(7):73－74.