變頻調速拖動裝置測試方法研究

趙立新 帕爾哈提 葛蘇鞍 楊光權 郭江川

（中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心）

變頻調速技術由于其優良的操作性能以及顯著的節電性能，在石油石化企業得到了越來越廣泛的應用；但安裝變頻器以后，其輸入和輸出端都會產生諧波，設備對電網的影響以及電動機的運行狀態會發生較大變化。首先，電動機的能量損耗發生變化，電動機效率的計算公式需進行相應改動，否則電動機效率測試計算值與實際值偏差較大；其次，在變頻器產生諧波影響下電動機主要運行電參數以及變頻調速拖動裝置效率和使用效果的測試與計算需進行規范。

1 諧波及其主要參數

變頻器一般是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的電能控制裝置，在電動機調速中得到廣泛應用。目前使用的變頻器主要是交—直—交式通用型變頻器，即先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機。在變頻器工作期間，其輸入和輸出端會產生諧波。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。由于交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

諧波條件下的主要電參量包括基本電參量和諧波分析參量兩部分。基本電參量包含電壓有效值、電流有效值、系統頻率、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、功率因數。諧波分析參量包含各次諧波電壓含量、各次諧波電流含量、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流含有率、電壓諧波總畸變率、電流諧波總畸變率等。

2 變頻調速拖動裝置的測試

2.1 指標計算

變頻調速拖動裝置由變頻器和交流電動機兩部分組成，是通過改變輸入頻率、輸入電壓來控制和改變電動機轉速的動力輸出裝置。

評價變頻調速拖動裝置的主要指標有四項，即變頻調速拖動裝置效率、變頻器效率、電動機效率和變頻調速拖動裝置功率因數。

1）變頻調速拖動裝置效率為電動機輸出有效機械功率與變頻器輸入基波有功功率的比值，以百分數表示。其值為變頻器效率與電動機效率之乘積。

2）變頻器效率為變頻器輸出基波有功功率與變頻器輸入基波有功功率的比值，以百分數表示。

3）電動機效率為電動機輸出有效機械功率與電動機輸入功率的比值，以百分數表示。電動機效率有兩種測試方法：直接法和間接法。

間接法是指用電動機的輸入功率減去電動機運行時的各項損耗功率得到電動機的輸出功率，進而計算出電動機的效率。

4）變頻調速拖動裝置功率因數是三相有功功率除以變頻調速拖動裝置輸入端視在功率的商。

2.2 測量設備

由于電動機調速采用了變頻設備，在電網中引入了大量的諧波，而且變頻器的輸出電壓、電流也不是標準的正弦波形。工頻下和含有諧波情況下電能測試信號的處理方法有著本質的不同，那些針對標準工頻正弦電壓、電流設計的電能計量儀表不能準確測量變頻器的有功功率、無功功率、功率因數等電能參數，其誤差與測試儀器的頻率特性和非線性度造成的誤差有關。除此以外，諧波負荷從系統中吸收基波功率而向系統送出諧波功率，標準工頻電能表無法測試出其諧波功率。因此，在含有諧波的電能測試場合，需要選擇合適的測試儀器。

目前常見的電能測試儀器主要有日本日置公司生產的3166、3169、3197型電能測試儀，比較專業的電能質量分析儀器有日本日置公司生產的3390型功率分析儀、日本橫河公司生產的WT3000型功率分析儀和美國FLUKE公司生產的Norma5000型功率分析儀。為驗證不同測試儀表對測試結果的影響，在此選擇節能測試中比較常用的日本日置公司生產的3169型鉗式功率計與3390型功率分析儀進行對比。兩種儀器的主要性能指標見表1。

2.3 實際測試結果及分析

2.3.1 變頻器輸入（輸出）電參數的測試

2010年3月，西北節能監測中心采用3169型電能測試儀、3390型功率分析儀兩種儀器對新疆油田公司供熱公司銀河鍋爐房2#引風機的變頻拖動裝置進行了相關測試，獲得測試數據見表2～表6。

由表2可知，3169型鉗式功率計與3390型功率分析儀對變頻器輸入端電壓、電流、功率等電參數的測試結果存在差異性。普通的電能測試儀3169型測試的電參數要小于3390型所測得的電參數值，說明普通電能測試儀無法準確測量變頻器輸入端的電參數。

由表3可知，3169型鉗式功率計與3390型功率分析儀對變頻器輸出端電壓、電流、有功功率等電參數的測試結果存在差異性。普通的電能測試儀3169型測試的電參數要小于3390型所測得的電參數值，但對變頻器輸出功率因數的測試值要大于3390型功率分析儀，變頻拖動裝置的功率因數測試值也大于3390型功率分析儀所得的測試值。這進一步驗證了普通電能測試儀無法準確測試變頻器輸出端的電參數。

2.3.2 電動機空載輸入功率測試

由表4的測試數據可知，將變頻器的運行頻率調至工頻50Hz，此時3169型與3390型所得的測試結果一致，說明普通電能測試儀3169型能準確測試工頻下的電參數。

表1 3169型鉗式功率計與3390型功率分析儀性能對比

表2 變頻器輸入電參數測試數據對比

表3 變頻器輸出電參數測試數據對比

表4 電動機空載電參數測試數據

2.3.3 諧波測試

表5 變頻器諧波測試結果

2.4 結果分析

根據表5中的測試數據，采用空載損耗實測法進行電動機效率和變頻拖動裝置效率的計算，結果見表6。

表6 變頻調速拖動裝置測試結果

續表6 變頻調速拖動裝置測試結果

3 結論

通過分析變頻調速拖動裝置的工作特點，對比不同測試儀器工作原理、性能及測試結果，明確了變頻調速拖動裝置主要評價指標和測算方法；同時，證明了普通電能測試儀在諧波條件下測試時，由于適應的測試頻率范圍較窄（一般是45～66 Hz），對諧波功率的處理方式不夠完善等原因，導致測試結果存在誤差。專用電能質量分析儀（如3390型功率分析儀）適應頻率范圍寬（0.5～1000 Hz），可以準確測試變頻器輸入、輸出電參數。

因此，要求變頻調速拖動裝置各環節的效率及功率因數采用輸入、輸出端的基波有功功率計算，電能測試儀器應能夠準確測試低頻（<45Hz）條件下的各項電參數。