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电机试验用变频电源综述

  在交流电机的制造过程中,对产品的试验测试是必不可少的关键工艺环节,变频电源是交流电机试验最为重要的试验设备。随着产品的发展,特别是各类变频电机开发应用,对试验用变频电源提出了新的要求,本文对交流电机试验用变频电源做了综述,并着重介绍电力电子装置电机试验变频电源。

  一、变频电源在电机试验中的应用

  交流电机产品试验中,提供符合规定的试验电源和满足试验工艺要求的加载是两个重要方面。对试验电源而言,首先其电源品质必须满足电机产品有关标准规定的指标,包括正弦度与对称度,典型指标包括:THDV不大于2.5%,HVF小于1.5%,负序分量小于正序分量的0.5%,零序分量影响消除(即也小于正序分量的0.5%),频率稳定性及频率偏差满足国家相关试验电源标准中对电源品质的要求;其次,要求试验电源能够在较广的范围内分别对电压和频率进行调节,即能定频调压,又能定压调频;此外,还要求试验电源能够方便的启动试品、对试验拖动电机进行调速运行、对运行试品进行快速制动、具备异步电机叠频试验及调节功率因数功能等等。交流电机试验的直接负载方式,特别对中大型电机,为考虑节约电力和加载调节方便,一般采用成对电机的对轴联接运行实现,被试机做为电动机运行,对轴联接的陪试机做发电机运行,使能量在电源设备处或电网供电处回馈循环,即使被试电机加上负载,此时陪试电机端依靠变频电源提供差频电源或可进行转矩控制而实现陪试电机的发电机方式运行。异步电机的叠频试验要求电源具备两差频电源或调制相应波形电源,并能较好的吸收和馈出拍频能量。大型交流同步电机可以采用零功率因数法进行试验,要求试验电源可与其进行无功吸收而满足试验要求,因此变频试验电源应能超前或滞后运行且具备一定容量。

  变频电源在电机试验中担负多重角色,特别对电机产品型式试验而言是不可替代的工艺设备。

  二、传统的机组变频电源

  传统的变频电源由D-F电机组组成,最初的变频电源一般由直流电机+同步电机组成,借助于直流电机调速而改变机组转速,实现机组同步电机(做发电机)的频率可调,直流电机的供电电源同样需要由D-F直流发电机组提供,同时调节同步发电机励磁,可实现机组电压调节。也就是说传统的变频电源需要两套D-F电机组组合方能提供,即四电机组变频电源。为满足电机对拖负载试验要求,还需提供一路标准试验电源。在四电机组变频电源基础上,将一套机组改为同步+同步+直流电机组,而形成的五电机组,即可提供一路调频调压试验电源,还可提供一路频率固定、电压可调的试验电源,同时也解决了叠频试验电源。

  D-F电机组与电力电子调速传动装置组合,派生出另一类机组变频电源。此类电源按转动种类分为直流传动变频电源和交流传动变频电源。直流传动变频电源由一套可控硅直流调速装置、一套直流+同步D-F机组及各电机配套励磁装置组成,调节直流机转速即可调节机组同步发电机输出电源频率,调节同步发电机励磁可调节器输出电源电压;交流传动变频电源则将上述传动装置改为交流变频器,将机组改为交流+同步D-F机组。此类电源可由一套传动装置及两套机组组合使用,亦可由调速装置分别传动两套机组,形成两套变频电源,基本满足50/60Hz等电机的型式试验。

  机组变频电源,在多年的电机产品生产中发挥了巨大的做用,目前此类机组在相当多的电机工厂仍在使用,国内使用最大机组变频电源容量达20MW。机组电源具有传统设备的特点,其输出波形质量好,发电机不需过多处理,普遍可以达到标准正弦波输出;D-F机组属机械设备,其过载能力强,十分耐冲击;控制技术成熟,对有制造和维护能力的电机生产企业而言造价低廉;无需变压器直接可做一定电压等级的恒功率转换输出,满足叠频及零功率因数等特殊试验功能。

  三、电力电子变频电源

  近年来,伴随着电力电子技术的迅速发展,采用电力电子变频器为主件的新型电机试验用变频电源研发成功开始应用。交流电机的新品不断涌现,包括各类变频电机、永磁电机、汽车电机、高速电机、牵引电机等等以及其他特殊电机,传统的机组变频电源已不能满足试验,需寻求新的替代装备,也大大促进了电力电子变频电源的推广与应用。电力电子变频电源主要由变频器(逆变器)经必要滤波电路输出,形成正弦波电源,另配置必要外部设备(如镇定电容器,输出变压器、电抗器等),结合专用算法软件支持,形成无旋转器件的电机试验用变频电源,根据使用要求,有时需定制专用系统装置。

  目前,电力电子变频电源按核心变频器划分,主流方案分为以下几种:两电平低压变频器的高-低-高配置方式,主流应用一般单电源不大于6MVA,大功率装置应以更高电压等级的器件为主;三电平中压变频器的高-高或高-低配置方式,目前应用最大单电源达数十兆瓦,电压等级以交流中压为主;单元级连的中高压变频器的高-高或高-低配置方式,目前最大单电源达10MVA左右,电压等级3/6/10kV均可使用。这几类系统各有特点,应根据被试产品需求、场地及环境条件、供电供水设施情况以及投资多少、设备档次等多方面综合考虑。

  大量工程实例证明,合理的设置电力电子变频电源各组件参数,并配合强有力软件,其完全可以满足“一”条所述对普通电机试验的需要。与机组型变频电源比较,电力电子变频电源具有其鲜明特点:首先,无旋转设备和器件,运行噪声小、效率高,相对节能,其也不需旋转机组所需的专用基础,故土建公用设施简单,节约投资和使用面积;其次,调节范围宽,产品适用广,特别对运行频率特高或特低以及其他特殊运行频率的电机均能满足试验;再次,变频器具有极其优良的控制性能,包括矢量控制、直接转矩控制等等,矢量控制选用高性能的DSP和高精度的光电编码器,调速范围可以达到1:1000,动态性能也很好。直接转矩控制采用双位砰-砰控制器,可以获得更快的动态转矩响应,按定子磁链控制,避免了转子参数变化的影响 。这些特性使得在电机试验中的传统复杂试验项目变得极其简单易行,如:异步电机M-n曲线自动测试、被试电机稳定加载及细调等;较高的自动化程度,使得操作十分简单,一般试验人员只需简单培训即可操作使用。对异步电机的叠频试验、同步电机的低功率因数法试验等,不需做线路变动或转换,只要在控制计算中机中调入程序、设置必要参数即可进行试验。

  四、 结语

  传统的机组变频电源和现代电力电子变频电源,各有优缺点,在现实的电机工厂中两种装置也可能还将长期共存,不仅国内是这样,国外也是如此。但电力电子变频电源发展迅速,目前已经在绝大多数国内电机工厂的新建项目中使用,电力电子变频电源将逐步成为电机试验的主流装备。随着科学技术的发展,新型电力电子器件的涌现以及控制方式的更加精细及多样化,通过必要的完善成熟过程,电力电子变频电源终将取代传统的机组变频电源。