變頻電源進行感應電機疊頻試驗的分析

蘇顏利，富婷

(佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

《GB1032—2010 三相異步電動機試驗方法》闡述了如何采用疊頻法進行異步電機溫升試驗的試驗方法。規定當電機容量較大或難以對組，無法使用直接負載法時，可使用等效負載法。疊頻法是等效負載法的一種，由于不需要進行機械連接，故特別適用于受電機試驗設備的容量和型式限制的試驗場，還可有效地減少電機試驗組合裝配的時間并降低試驗時的能耗。特別是近年來，人們使用高性能的電力電子原件如AFE 和DSP結合，制造出具備“疊頻”功能的變頻電源設備，該設備可生成等效負載溫升試驗所要求的電源“疊頻”波形。從根本上解決了采用發電機組對大型電機進行疊頻試驗時出現的發電機匹配困難、控制負載、功耗大、占地面積大等問題。因此，用變頻電源的“疊頻”功能進行電機溫升試驗的方法得到了日漸廣泛的應用，現就變頻電源作疊頻試驗時存在的問題作如下分析。

1 疊頻試驗的原理

疊頻試驗時，電動機的定子同時由兩個不同頻率的電源供電，其中主電源的磁場速度為ω1，被試電機轉子雖未與任何負載連接，但由于轉子的轉動慣量，它們不能跟隨氣隙磁場的變化而改變其轉速，轉子轉速的平均值非常接近于ω1(稍低于ω1)并周期性的加速與減速，如圖1 所示。

圖1 疊頻試驗電壓與磁通關系

在氣隙磁場轉速變化的一個周期內，一部分時間內，轉子轉速低于旋轉磁場轉速，作電動機運行，從電網吸取能量;另一部分時間內，轉子的轉速高于旋轉磁場轉速，作為發電機運行，把能量送反饋給電網，當副頻電壓U2增大，氣隙磁場轉速的變化幅度也增大。故磁場與轉子間的相對轉速增大，于是被試電機中的電流隨之增大，因此改變U2的大小，即可調節被試電機電流的大小。

2 疊頻功能變頻電源的拓撲結構

變頻電源可以根據試驗者設定的疊頻參數f1，f2，u1，u2，使用DSP 或MCU 作為運算控制器(見圖2)，可以計算出疊頻試驗用電壓的參數，將相關參數進行比較計算，得到三相逆變橋管的觸發信號，用產生的六路觸發脈沖，控制逆變橋管的通斷生成疊頻電壓波形up。該波形與串聯發電機組形成的疊頻電壓波形近似一致。由變頻電源產生的疊頻電壓波形如圖3 所示。

圖2 變頻電源拓撲結構圖

圖3 變頻電源產生的疊頻電壓波形

3 疊頻時電機損耗的分析

3.1 銅耗分析

采用變頻電源進行疊頻溫升試驗過程時，轉子電流主要是由磁場震蕩頻率引起的，而這個頻率要遠大于電機工作于工頻滿載情況下的頻率值，由于電流頻率增加，使得轉子導體的集膚效應損耗增大，從而導致了轉子銅耗的增加。而在額定電流的情況下定子銅耗與直接負載時基本相同，因此，變頻電源進行疊頻溫升試驗時，電機銅耗將增大.

3.2 鐵耗分析

鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，它們是由電機鐵心內的磁通密度發生改變而引起的，電機的總鐵損耗為式中，PFe—總鐵損耗;Ph—磁滯損耗;Pe—渦流損耗;fi—頻率;Imdi—激磁電流。

轉子鐵耗可以用激磁電流通過一個轉子旋轉參考模型變換估算出來，使用公式(1)疊頻試驗法的轉子鐵耗也能被計算出來，其結果顯示，這部分損耗比滿載實驗法還要小一些。

3.3 機械損耗分析

由于被試電機的轉數接近于同步轉速，高于其額定轉速，使得在疊頻試驗時摩擦損耗和風扇損耗比滿載溫升試驗時要略有增大。

3.4 雜散損耗

因定、轉子電流的有效值基本與直接負載法時相同，故雜散損耗基本不變.

4 疊頻溫升試驗時的注意事項

4.1 拍頻頻率對電機溫升的影響

采用變頻電源進行電機疊頻試驗時，雙頻組合導致工作頻率按式(2)隨時間變化

式中，f1—主電源頻率Hz;f2—輔助電源(拍頻)頻率Hz;λ—輔助電壓(拍頻電壓)/主電壓。

4.2 直流母線電壓幅值對溫升試驗的影響

通常，變頻電源能夠完成相當于70%自身容量電機的疊頻溫升試驗，但在有的試驗場所，變頻電源只能完成相當于40%自身容量(或更低)電機的疊頻溫升試驗。如稍微增加被試電機的容量，變頻電源就會跳閘，使得變頻電源的使用效果大打折扣。造成這一現象的主要原因是:變頻電源直流母線電壓的波動范圍小于拍頻電壓的峰-峰值。如果電機容量增大，則疊頻試驗時拍頻電壓的峰-峰值就可能大于變頻電源直流母線電壓的波動范圍，此時，變頻電源就會自動跳閘保護。因此，為了擴大變頻電源疊頻試驗的能力，建議在搭建變頻電源的拓撲結構時，應根據實際需要擴大直流母線電壓的波動范圍，并使其能夠自由調整。滿足高于拍頻電壓的峰-峰值的需求，以此擴大變頻電源的使用能力。

4.3 主電源反序對電機溫升的影響

還有一種情況需要注意，就是對有的變頻電源來說，當進行疊頻溫升試驗，對比主電源正序和反序運行時的運行參數會發現，雖然在兩種運行方式下電機的電流和電壓相同，但電機的有功功率會有較大的差異。首先，主電源正序運行時，電機輸入的有功功率近似等于電機的額定總損耗，其功率因數在0.03 ～0.05 之間。而當主電源反序運行時，電機的有功功率較正序運行時增大30%，功率因數維持在0.05 ～0.08 之間，溫升試驗結果較正序運行時提高40%。因此，在使用變頻電源進行電機的疊頻試驗時，一定要注意，電機的功率因數低于0.05 時，才能獲得較為準確的溫升試驗結果。

5 結語

疊頻法是代替直接負載法完成交流異步電動機溫升試驗的有效方法，在GB1032 和IEEE112等電動機試驗方法的標準中，都允許采用疊頻法進行溫升試驗，而采用專用變頻電源完成疊頻法試驗，設備簡單，操作方便.可以實現試驗自動化，智能化。因此，這種試驗方法必將在電機試驗領域獲得推廣。

［1］ 許實章.電機學.北京:機械工業出版社，1981.

［2］ 劉竟成.交流調速系統.上海:上海交通大學出版社，1984.

［3］ 隋景鵬.變頻器對異步電動機噪聲和振動的影響.防爆電機，2015.5.

［4］ 閆丹，閆紅.變頻電源供電變頻調速電動機.防爆電機，2015.2.

［5］ 劉雪波，黃守道.內反饋調速電機的設計應用，2006.6.