5MW電機直接負載型式試驗站設計

王傳軍， 姚金生， 童陟松， 劉立漢， 謝 磊

(1. 上海電機系統節能工程技術研究中心，上海 200063；2. 六安江淮電機有限公司，安徽 六安 237009)

0 引 言

為滿足企業大型電機產品的設計定型及生產的需要，設計了一套數字化電機型式試驗站系統。該系統采用先進的數字變頻電源和計算機監控測量，結合了目前國內最新技術水平和企業的實際需求，具有較高的自動化程度，準確度高、重復性好、節能降耗、運行可靠、實用價值高。試驗站主要技術指標不僅滿足一般高低壓電機的型式試驗，也滿足高效、超高效電機B法(測量輸入- 輸出功率的損耗分析法)確定效率的需求。本文闡述了試驗站系統的基本原理和結構，重點介紹了數字化變頻電源系統、測量系統、控制系統及輔助系統等各子系統的設計。

1 試驗能力及主要技術指標

1.1 試驗能力

試驗站系統試驗能力見表1。被試驗電機最大直接負載為5MW，額定電壓10/6kV，以12極電機作為計算參考值，功率因數0.78，效率95.1%[1]，1min短時間過載能力1.25倍。間接法試驗在設備容量基礎上進行，其中工頻疊頻法熱試驗達9MW。每檔額定電壓輸出情況下，即Un=380/400V、660/690V、1.14kV、3/3.3kV、6.0/6.6kV、10.0/11.5kV、13.8kV時，可通過調節數字變頻電源從而使輸出電壓在0～100%Un范圍內作無極調節。中低壓輸出時，0～1140V范圍內為等電流輸出，額定電流3000A。

表1 試驗的系統試驗能力

1.2 主要技術指標

電壓測量準確度： 0.1%；電流測量準確度： 0.1%；溫度測試準確度： ≤±1℃；轉矩轉速測量準確度： 0.1%。本試驗站使用環境條件如下： 環境溫度為0℃～40℃；相對濕度為≤95%(25℃)；海拔高度為≤1000m；安裝地點為戶內。

2 系統結構

本試驗站系統設計原則是，直接負載 5MW，根據標準要求[1-2]，高壓電機額定試驗電流范圍約為： 18.2A(250kW，10kV)[2]～640A(5MW，6kV)，因此系統輸出容量為7500kW，2MW以上大電機試驗時一次僅進行一臺電機的型式試驗，高低壓不同時使用；2MW以下電機試驗時系統可分解為2個型式試驗工位；出廠試驗時系統可分解為4個工位，允許高低壓同時進行試驗。

系統采用1140V數字變頻電源作為試驗電源和負載電源，形成雙電機背靠背對拖的負載模式，負載能量回饋到直流母線循環利用，是節能型試驗系統，系統基本結構及原理框圖如圖1所示。整個試驗站系統含數字變頻電源系統、測量系統、控制系統及其他輔助系統等部分。

由于采用了直流母線的回饋方式，系統電網容量僅需2500kVA，供電電壓10kV，頻率 50Hz，相數3相，同時提供一路250kVA低壓380V電源作為系統輔助電源。

圖1 試驗系統原理框圖

3 電源系統

本試驗站數字化變頻電源采用的方案是1140V 變頻電源加輸出變壓器模式，包括輸入整流變壓器、數字變頻電源、輸出變壓器等部分。

3.1 數字化變頻電源

數字變頻電源共直流母線結構，由四象限整流單元、逆變單元、LC濾波單元、儲能電容等并在直流母線上組成。

數字變頻電源的整流單元設計為兩組由IGBT構成的四象限整流單元并聯運行，有效降低電網側諧波，且直流母線電壓可調，可進一步優化數字變頻電源的輸出質量。

數字變頻電源的逆變單元分A、B二組，經LC濾波單元后輸出正弦波電源。A組作為被試電機的試驗電源，B組作為陪試電機的電源。2臺電機實施對拖、通過直流母線回饋組成直流母線回饋試驗系統，可完成被試電動機的熱試驗、負載試驗、短時過轉矩試驗、T-n曲線測試等試驗項目[4]。

變頻電源系統可根據被試電機的批量和功率大小進行并聯、解列，靈活組合。即將A和B逆變單元拆分為4臺獨立電源，分別為A1、A2、B1和B2，每臺容量3800kVA，組成四種運行方式。

(1) 四路獨立輸出： 無回饋方式，用于同時進行4臺5000kW及以下被試電機的空載試驗，可用于出廠試驗。

(2) 雙回饋方式： 整套系統分成兩套彼此獨立的回饋試驗系統。可同時進行兩組2500kW 及以下被試電機的對拖試驗；或一組進行2500kW及以下被試動機的負載試驗，同時另一組可進行2臺5000kW及以下被試電機的空載試驗。

(3) 單回饋方式： 試驗系統組合為一套回饋試驗系統。主要用于雙機對拖的直接負載試驗，對一組5MW被試電機進行負載試驗，或者可以同時進行2臺10MW被試電機的空載試驗。

(4) 并為一路輸出： 無回饋方式。A1、A2、B1和B2四路逆變器通過輸出變壓器2T和3T并聯運行，可對1臺20MW被試電機進行空載試驗，或1臺9MW及以下被試電動機進行疊頻法熱試驗。

3.2 正弦波電源品質

數字化變頻電源為強諧波源，本試驗站系統采用低諧波可再生能量的四象限整流單元設計，注入電網的電流波形畸變率THDi<5%，滿足GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》要求。

數字化變頻電源的輸出為正弦波，其電源品質符合下述規定[3]。

(1) 諧波電壓因數(HVF)： 工頻且在被試電機為額定電壓時，諧波電壓因數不超過0.015；

(2) 電壓對稱性： 三相電壓系統的負序分量小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響予以消除；

(3) 三相電壓與規定電壓的偏差： 穩態時≤0.5%；測量期間≤0.2%；

(4) 頻率穩定性： 頻率與規定的偏差≤±0.3%，測量期間頻率的變化量≤±0.1%。

3.3 輸出特殊變壓器

試驗站具有輸出多種試驗電壓的需求，設計了特殊的組合式輸出變壓器2T和3T。通過切換其二次繞組，并和數字變頻電源相結合獲得所需的各等級高壓試驗電源： 3.3、6.6、11.5、13.8kV。變壓器2T和3T可并聯、疊頻波形運行，其主要參數如下： 額定容量為7500kVA；額定頻率為50/60Hz；工作頻率范圍為3～120Hz；輸入輸出電壓為1140V/3.3、6.6、11.5、13.8kV；短路阻抗為6%；冷卻方式為油浸自冷。

3.4 數字電源故障診斷

本系統數字電源具有很強的診斷和保護功能，具有對功率單元模塊和系統的保護設置，在運行過程中對傳感器信號進行監視，針對不同的運行狀態對監視的數據進行比較處理，進行實時故障診斷。在發生故障時進行預先設置的保護處理，并向上位機發出故障信息，由上位機對試驗系統進行相應的故障保護處理和報警。

數字電源故障保護設置： 傳感器和電流檢測回路、電壓檢測回路故障；過電流；母線過電壓；母線欠電壓；輸入側缺相；輸出側缺相或開路；功率模塊故障；功率模塊散熱器過熱；數字電源過載；電機過載；通信故障；輸出三相不平衡等故障保護。

4 測量系統

測量系統由工業控制計算機、服務器、測量儀表組成局域網。試驗過程中根據不同的試驗項目，工業控制計算機選擇相應的測量儀表，實時采集測量儀表數據并保存到數據庫，試驗管理軟件對試驗數據進行處理生成試驗報告和試驗曲線。測量系統的結構如圖2所示。

圖2 測量系統結構圖

4.1 電量測量系統

試驗站采用AnyWay寬帶電參量測試系統，包括2套高壓傳感器、2套低壓傳感器、1套功率分析儀，組成分布式測量系統。AnyWay傳感器具有2倍IN歷時3min，1.5倍UN歷時10min的過載能力，具有多量程無縫自動切換的特點，電流8個量程，電壓8個量程，可按1/2量程自動轉換，適用于正弦波、PWM波等波形的測試要求。

AnyWay功率分析儀對所有傳感器同步采樣。在兩組電源(A、B)并聯運行時，兩套傳感器2CT和3CT進入并聯運行狀態，所測試功率為兩組傳感器測試結果之和。

AnyWay寬帶測試系統的寬頻、寬幅測試特點適應本試驗站被試電機額定功率、額定電壓、額定電流、工作頻率跨度大的要求；AnyWay寬帶測試系統傳感器采用數字化光纖傳輸，具良好的電磁兼容性能，適應了本試驗站數字化變頻電源要求高抗干擾能力的要求。

測試系統主要功能如下。常規測量： 有效值RMS、基波有效值HO1、校準平均值MEAN、峰值測量、基波相位角、FFT頻譜分析、實時波形。電源質量分析： 諧波失真THD(IEC標準)、諧波含量HC(DIN標準)、波形畸變率K(%)、諧波電壓因數HVF、電話諧波因數THF(%)、相間不平衡度、正序分量、負序分量、零序分量、頻率穩定度、電壓穩定度。

測試系統的準確度符合標準規定[4]，其主要技術指標如下：

(1) 頻率范圍DC 0.1Hz～100kHz；

(2) 電壓測量準確度HO1/RMS/MEAN/DC： 基波頻率0.1～200Hz，讀數的0.1%；

(3) 電流測量準確度HO1/RMS/MEAN/DC： 基波頻率0.1～200Hz，讀數的0.1%；

(4) 功率測量準確度： 功率因數0.2～1時，基波頻率0.1～200Hz，讀數的0.2%；

(5) 頻率測量準確度： 頻率范圍0.1～200Hz，讀數的0.1%；

(6) 測試范圍： 中低壓測試傳感器1CT和4CT，額定電壓1140V，額定電流3000A；高壓測試傳感器2CT和3CT，額定電壓10kV，額定電流650A。

4.2 其他測量系統

其他非電量測量系統包括對被試電動機溫度、轉速、轉矩、油水路流量、壓力溫度等參量的測量。其中溫度測量(16路)包括： 進風、出風、前軸承、后軸承、機殼、線圈、室溫等，測量誤差≤±1℃。對于高效超高效電機，系統可按以B法進行效率試驗，選用進口0.1級轉矩轉速傳感器，用以測試電機軸伸端輸出的機械參數。輔助測量系統包括直流電阻、絕緣電阻、匝間耐壓、工頻耐壓、振動和噪聲等測量。

5 監控系統

本試驗站控制系統由工業控制計算機、服務器、可編程邏輯控制器、受控設備部分組成。通過工業控制計算機實現集中控制和分散管理，受控部分包括可編程邏輯控制器、變頻電源系統及其他測試儀器等，控制系統結構圖如圖3所示。控制系統的信號傳輸采用光纖傳輸，有效解決了變頻器系統干擾大的缺陷。

圖3 控制系統結構圖

控制系統由可編程邏輯控制器(PLC)完成試驗設備組態，包括電源控制、并聯和解列控制、主要開關合分閘等。試驗中僅需在上位工業控制計算機中選擇所需要的運行方式和試驗電源即可。控制系統針對各試驗項目的要求，控制數字變頻電源的輸出，并從系統獲得電機的電參量和各環境參量。在試驗項目規定的時間內對被試電機的電壓、電流、轉速、功率、轉矩等參量形成閉環或開環控制，在一定人工干預下自動完成試驗項目，生成各類圖表，獲得試驗結果。

試驗站設計監視系統，對數字化變頻電源、電量測量系統、各分布式測量子系統、主回路開關狀態、帶電狀態進行在線監視。試驗人員可通過監控顯示屏實時觀察被監視設備的狀態，及時了解和掌握變頻電源、變壓器、主要開關柜、潤滑油、冷卻水等設備的運行數據信息。

6 輔助系統

6.1 潤滑油系統

潤滑油系統用于被試電機和負載電機的各軸承的潤滑和散熱，配置稀油站、管道、閥門及其他設施，設置2路供油點。稀油站經供油管將油送至試驗平臺旁的油水控制站，然后通過軟管連接給被試電機或負載電機軸承。冷卻油經回油管流回至油箱。供油管路配置壓力、流量、溫度測量傳感器，在線監測供油狀況，如缺油或超溫，則系統給予報警或者跳閘保護。試驗人員可通過試驗站系統的監控顯示屏實時觀察供油系統油壓、油溫及流量。

潤滑油系統主要參數如下： 公稱流量125L/min；工作壓力≤0.4MPa；油箱容積1.6m3；供油溫度40±3℃；換熱面積6m2；冷卻水量11.25m3/h。

6.2 冷卻水系統

試驗站冷卻水系統為數字化變頻電源、稀油站及空水冷卻的試驗電機提供冷卻水。冷卻水系統包括水泵、冷卻塔、管道、閥門及其他輔助設施。

冷卻水系統配置冷卻水池和水泵房、2臺水泵，其中一臺運行另一臺備用，通過恒壓供水系統向被試機、陪試機供水。供水壓力及流量通過恒壓供水系統閉環控制，實現自動調節，壓力可根據需要設定，壓力高則流量大，壓力低則流量少。實現了自動恒壓控制，即實現了對流量的自動控制。供水系統的電氣控制與試驗站系統監控臺實現連鎖。系統全程監測供水流量及溫度，如缺水或超溫，則給予報警或者跳閘保護。試驗人員可通過試驗站系統的監控顯示屏實時觀察供水系統的水溫及流量。

試驗站系統總供水量約125m3/h，冷卻水壓力0.2～0.4MPa。

7 結 語

本試驗站系統實施后，建成為具有高性價比的綜合性電機型式試驗站。經驗證，主要技術參數均達到了設計目標。投入使用后，提高了企業研發和優化產品的能力，為產品生產和質量監督檢驗提供了保證，增強了企業的市場競爭力。

【參考文獻】

[1] GB/T 13957—2008 大型三相異步電動機基本系列技術條件[S].

[2] JB/T 10446—2004 Y系列10kV三相異步電動機技術條件(機座號450～630)[S].

[3] GB/T 1032—2012 三相異步電動機試驗方法[S].