大功率變頻電源在電機試驗站系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳漢熙， 徐 靜

(1.上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063;2.上海格立特電力電子有限公司，上海 200063)

1 原有方案存在的問題

隨著國民經(jīng)濟的增長，市場對電機質(zhì)量和數(shù)量的要求越來越高，與之相應(yīng)的是電機試驗站的任務(wù)也越來越重。在電機出廠試驗和型式試驗中，傳統(tǒng)方案中采用機組設(shè)備的缺點也日益突出。

傳統(tǒng)的機組方案中，采用直流發(fā)電機、直流電動機、交流發(fā)電機等3～7個電機，組成龐大的負載機組系統(tǒng)。其存在的突出問題有:(1)設(shè)備投資大，對于中、大型電機試驗而言，情況尤為突出;(2)諧波電流大，直流傳動系統(tǒng)中，諧波電流約占基波電流的30%;(3)效率低且維護成本高，一般而言，直流電機的效率比交流電機低5%，同時直流電機的換向器需要定期維護和保養(yǎng);(4)加載和調(diào)試困難，原始的辦法是采用電阻負載，不僅消耗大量的電能，發(fā)熱也很嚴重;采用直流母線實現(xiàn)電能回饋時，需采用弱磁等措施，手段繁瑣，調(diào)試復(fù)雜。

總之，發(fā)電機組設(shè)備存在耗電量大、噪聲大、體積大、精度差等缺點，已逐漸被變頻電源取代［1］。

2 變頻電源的硬件結(jié)構(gòu)

隨著電力電子技術(shù)、微處理器和控制技術(shù)的發(fā)展，以及大功率器件的應(yīng)用日趨成熟，越來越多的電機試驗站開始采用變頻電源以取代原有的機組設(shè)備。圖1為2 500 kW變頻電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理簡圖。系統(tǒng)主要包括整流、變頻、儲能和放電單元等［2］。

2.1 整流單元

整流部分采用十二相整流電路，以降低輸出電壓紋波，消除3、5、7次諧波對電網(wǎng)的污染。

2.2 變頻單元

8臺變頻單元為750 kW/660 V，其中變頻器1－4給被試電機供電，其輸出接至多抽頭變壓器，變壓器為 3 150 kVA 0.66/3.15、6.3、10.5 kV，通過變頻器升壓可對不同額定電壓的電機供電;變頻器5－8為陪試電機供電，通過調(diào)節(jié)被試電機的運行頻率和電壓，可實現(xiàn)兩臺電機對拖方式下的加載和能量回饋。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

對于低壓小功率電機的試驗，也可將變頻器的輸出直接接至電機端，并可選擇是否通過電抗器和電源濾波輸出，以實現(xiàn)PWM供電模式下的電機測試。

此外，用戶通過按鈕，可選擇變頻器單獨運行、2-2并聯(lián)、4臺并聯(lián)的運行方式，以滿足大功率電機的測試。

2.3 儲能單元和放電單元

儲能單元的主要作用有:對直流電壓進行濾波，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定;陪試機饋電到直流母線時，能夠的吸收和儲存。放電單元是在母線電壓超出預(yù)定的危險電壓時，進行放電，以保證整個系統(tǒng)的安全。同時，在整個系統(tǒng)斷電時，放電單元將直流母線上電容的能量釋放，以保證斷電狀態(tài)下操作人員的安全。

3 控制系統(tǒng)和參數(shù)設(shè)置

整個系統(tǒng)采用兩套數(shù)字變頻電源，變頻電源的主控制板以英飛凌XE166微處理器為核心，通過CPLD電路，可對4臺變頻器提供PWM驅(qū)動信號。變頻器采用上海格立特電力電子有限公司的VC2000系列產(chǎn)品。驅(qū)動信號采用光纖連接，可保證并聯(lián)模式下，各變頻器輸出電壓和相位的同步。同時，各變頻器和制動單元的報警也采用光纖反饋，以保證故障狀態(tài)下的及時響應(yīng)［3-4］。

變頻電源系統(tǒng)中，以電機1為例，其主要設(shè)置參數(shù)如表1所示，其他電機的設(shè)置參數(shù)與此類似。

由表1可見，數(shù)字化的變頻電源系統(tǒng)可以達到很高的控制精度，如電壓的調(diào)節(jié)精度為0.1 V，頻率精度為0.01 Hz。

為保證系統(tǒng)的可靠性，變頻電源系統(tǒng)提供手動和自動兩種操作方式。手動操作時，通過信捷OP330設(shè)置上述參數(shù);自動方式時，通過上位PC機進行參數(shù)設(shè)置。變頻器、制動單元、信捷OP330和上位機與主控板之間采用485進行數(shù)據(jù)通信。

4 測試內(nèi)容和測試結(jié)果

主要測試項目包括起動特性、空載特性、負載特性、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性及溫升試驗。

(1)利用兩臺變頻器實現(xiàn)交流電機的對拖負載實驗。兩臺電機分別由兩臺變頻器供電，在達到預(yù)定的電壓和頻率時，降低陪試電機的頻率和電壓，使得陪試電機工作在發(fā)電狀態(tài)下，其回饋的電能直接饋送到直流母線上，再給被試電機供電，形成電功率的閉環(huán)。在實現(xiàn)電機加載的同時，大大降低電能的消耗;

(2)利用一套電源實現(xiàn)異步電機空載、超速、短時升高電壓、異步電機堵轉(zhuǎn)、疊頻法溫升試驗等;

(3)利用兩臺變頻器對拖，進行T/n曲線測試。

測試結(jié)果如表2所示，試驗用500 kW電機的銘牌數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 主要的設(shè)置參數(shù)

表2 500 kW電機測試數(shù)據(jù)(部分)

表3 電機銘牌數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

電機試驗站變頻電源系統(tǒng)的研制過程和大量試驗數(shù)據(jù)表明:(1)電機試驗站系統(tǒng)中，采用變頻電源取代機組設(shè)備的方案完全可行;

(2)變頻電源可根據(jù)實際情況，通過變頻器并聯(lián)實現(xiàn)系統(tǒng)功率的擴容，通過升壓變壓器可實現(xiàn)高壓電機的測試。系統(tǒng)的應(yīng)用和配置靈活，可滿足不同功率、轉(zhuǎn)速和電壓的電機測試要求;

(3)數(shù)字化操作，加載、調(diào)頻和調(diào)壓的精度更高;

(4)通過直流母線實現(xiàn)電功率閉環(huán)，對交流側(cè)的進線電網(wǎng)影響小;同時，額定負荷時，電網(wǎng)側(cè)的進線電流只有被試(陪試)電機電流的1/6～1/3，節(jié)能效果顯著。

［1］楊志強，俞建祥.交流變頻器在汽車變頻器電封閉試驗臺中的應(yīng)用［J］.試驗與研究，2003(3):37-40.

［2］王迎旭，楊躍龍，邱泓.電機試驗站機組拖動控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24(4):51-53.

［3］何曉航，丁圻訓(xùn).ABB變頻器在3 000 kW交流電機試驗臺上的應(yīng)用［J］.電氣制造，2008(10):39-41.

［4］徐哲.變頻器在電機測試平臺的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，22(3):321.