變頻電源在異步電機(jī)疊頻法溫升試驗(yàn)中的應(yīng)用

　　0 引言

　　異步電機(jī)的溫升試驗(yàn)分為直接負(fù)載法和等效負(fù)載法。隨著異步電機(jī)容量的提高和型式的增多，受試驗(yàn)設(shè)備容量和型式的限制，越來(lái)越多的異步電機(jī)產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行直接負(fù)載法溫升試驗(yàn)。而等效負(fù)載法中最常用的就是疊頻法。用疊頻法做異步電機(jī)溫升試驗(yàn)時(shí)不需要進(jìn)行機(jī)械連接，所以該法特別適用于立式異步電動(dòng)機(jī)（難以對(duì)偶或無(wú)合適的拖動(dòng)電機(jī)）、超設(shè)備容量的異步電機(jī)及低速異步電機(jī)而又沒(méi)有合適陪試電機(jī)的溫升試驗(yàn)。對(duì)于普通的異步電機(jī)，疊頻法溫升試驗(yàn)則可以減少對(duì)組裝配的時(shí)間及減少試驗(yàn)時(shí)的能源消耗。傳統(tǒng)的疊頻法采用兩套發(fā)電機(jī)組構(gòu)成主副機(jī)組，將兩套機(jī)組的輸出疊加后供給被試電機(jī)。主機(jī)組工作在額定電壓和頻率下，通過(guò)調(diào)節(jié)副機(jī)組的電壓和頻率使被試電機(jī)工作在額定電流下，從而考核溫升。傳統(tǒng)的疊頻法設(shè)備復(fù)雜，準(zhǔn)備及維護(hù)周期長(zhǎng)，調(diào)節(jié)量多且不穩(wěn)定，測(cè)試參數(shù)讀取困難，嚴(yán)重制約了疊頻法的推廣使用。隨著現(xiàn)代電力電子及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，采用靜止式變頻電源可以很容易的輸出各種頻率和幅值的正弦波甚至是幾個(gè)正弦波的疊加，所以完全可以采用變頻電源完成異步電機(jī)疊頻法溫升試驗(yàn)。

　　1 傳統(tǒng)疊頻法的原理和方法

　　傳統(tǒng)疊頻法試驗(yàn)原理如圖1所示。主電源由主同步發(fā)電機(jī)TF1 提供，TF1 由共軸連接的直流機(jī)D1 拖動(dòng)，改變D1的轉(zhuǎn)速或TF1的勵(lì)磁即可改變主電源的頻率或電壓;TF2是輔助電源同步發(fā)電機(jī)，與直流拖動(dòng)機(jī)D2共軸連接，改變D2的轉(zhuǎn)速或TF2的勵(lì)磁即可改變輔助電源的頻率或電壓，其頻率一般低于主頻率幾Hz到10 Hz左右。通過(guò)疊頻變壓器B將兩組電源疊加后供給被試電機(jī)。

　　試驗(yàn)時(shí)，TF1及TF2的相序必須一致，被試電機(jī)由TF1供電啟動(dòng)。將TF1調(diào)整到相當(dāng)于額定頻率的轉(zhuǎn)速，并將TF1勵(lì)磁調(diào)節(jié)到使其端電壓約為被試電機(jī)的額定電壓，再在TF2未加勵(lì)磁的情況下，用D2 拖動(dòng)TF2，將其轉(zhuǎn)速調(diào)到相當(dāng)于輔助頻率的轉(zhuǎn)速。增大TF2的勵(lì)磁電流時(shí)，被試電機(jī)的電流隨之增大，同時(shí)調(diào)節(jié)TF1及TF2的勵(lì)磁電流，就可以將被試電機(jī)調(diào)節(jié)到在額定

　　電壓和額定電流下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行溫升試驗(yàn)。此時(shí)輔助電源的電壓U2相對(duì)主電源電壓U1來(lái)說(shuō)是較低的，約為10%～30%。

　　被試電機(jī)氣隙中的合成磁場(chǎng)椎如圖2所示［1］。兩個(gè)不同頻率電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)椎1及椎2，分別以棕1及棕2 的角速度在氣隙中旋轉(zhuǎn)，氣隙中的合成磁場(chǎng)椎則是這兩個(gè)磁場(chǎng)的疊加。合成磁場(chǎng)椎的幅值及角速度棕均隨時(shí)間的變化而變化。

　　并周期性地加速與減速。因此，在氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速變化的一個(gè)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)而低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，從電網(wǎng)吸取能量;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)而高于旋轉(zhuǎn)

　　磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，向電網(wǎng)回饋能量。當(dāng)TF2所發(fā)電電壓U2增大時(shí)氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的變化幅度也增大，故磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)轉(zhuǎn)速增大，于是被試電機(jī)

　　中的電流也就可以隨之增大。

　　2 利用專(zhuān)用變頻電源完成疊頻試驗(yàn)

　　從上一節(jié)可以看出，傳統(tǒng)的疊頻試驗(yàn)方法所占用的設(shè)備復(fù)雜龐大，調(diào)整繁瑣，自動(dòng)化程度不高，大大制約了疊頻法的推廣。現(xiàn)在隨著電力電子及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，完全可以設(shè)計(jì)出專(zhuān)用的變頻電源來(lái)完成疊頻試驗(yàn)。

　　專(zhuān)用變頻電源硬件原理與常規(guī)三相變頻電源基本一致，如圖3所示。

　　圖3中，為了滿(mǎn)足電機(jī)試驗(yàn)要求，配置了由TF、DF和制動(dòng)電阻組成的制動(dòng)單元。為了減小諧波對(duì)電機(jī)溫升的影響，配置了輸出正弦波濾波器。由于疊頻試驗(yàn)時(shí)，被試電機(jī)在電動(dòng)和發(fā)電工況下不斷轉(zhuǎn)換造成了直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)，所以直流母線(xiàn)的支撐電容C的容量要比常規(guī)變頻電源的電容容量大，其具體容量由被試電機(jī)的容量和直流母線(xiàn)的允許波動(dòng)范圍決定。

　　專(zhuān)用變頻電源與常規(guī)變頻電源的主要區(qū)別就在其控制軟件不同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，專(zhuān)用變頻電源采用TI公司DSP2812為控制核心，從而使得疊頻波形的產(chǎn)生變得簡(jiǎn)單易行，只須根據(jù)合成磁場(chǎng)椎的要求，直接輸出對(duì)應(yīng)電壓調(diào)制波形即可。

　　疊頻電壓

　　疊頻試驗(yàn)時(shí)，只須直接設(shè)定U1、U2、f1、f2，即可得到需要的輸出電壓和電流。傳統(tǒng)疊頻法試驗(yàn)時(shí)，需要不斷的人工調(diào)整主、幅電源的電壓和頻率才能將定子電壓及電流調(diào)整到電機(jī)額定電壓及額定電流，穩(wěn)定性和精確性都很差。采用專(zhuān)用變頻電源后，將調(diào)整方法簡(jiǎn)化為直接設(shè)定電壓與電流。變頻電源首先輸出主頻率和主電壓，此時(shí)電流為空載電流，然后逐步加大輔助電源幅度，同時(shí)自動(dòng)減小主電源幅度，隨時(shí)保證輸出電壓為額定電壓，當(dāng)電流幅度達(dá)到額定電流后，自動(dòng)保持輸出為額定值。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

　　圖4 為我們用自制的380 V/500 kV·A 電機(jī)試驗(yàn)用變頻電源帶動(dòng)一臺(tái)380 V/100 kW異步電機(jī)進(jìn)行疊頻試驗(yàn)實(shí)測(cè)的定子電壓電流波形，設(shè)置f1=50 Hz，f2=40 Hz，U2/U1=0.18。

　　從圖4可以看出，輸出電壓波形與主電源電壓十分接近，輸出電流波形振蕩頻率為10 Hz。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　疊頻法是代替直接負(fù)載法完成交流異步電機(jī)溫升試驗(yàn)的有效方法。而采用專(zhuān)用變頻電源完成疊頻法試驗(yàn)，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)自動(dòng)化、智能化，必將在電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域大有作為。