三相異步電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)電源與加載系統(tǒng)

吳健，余真，陳秀琴，馬嵩源，李浩

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180）

三相異步電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)電源與加載系統(tǒng)

吳健，余真，陳秀琴，馬嵩源，李浩

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180）

電機(jī)型式試驗(yàn)是電機(jī)產(chǎn)品鑒定中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，電源與加載系統(tǒng)是電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵組成部分。介紹了三相異步電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)電源與加載系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方案。該方案利用交流變頻技術(shù)和同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)，得到了品質(zhì)良好、控制方便的試驗(yàn)電源，以及穩(wěn)定可靠、能量可回饋的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部能量回饋。該系統(tǒng)方案已在某知名電機(jī)廠得以應(yīng)用，提高了試驗(yàn)效率，運(yùn)行穩(wěn)定，性能優(yōu)異。

電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)；電機(jī)試驗(yàn)電源；電功率加載

1 引言

電機(jī)型式試驗(yàn)是為了驗(yàn)證電機(jī)的電氣和機(jī)械性能是否符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，并為產(chǎn)品改進(jìn)提供依據(jù)。它是電機(jī)產(chǎn)品鑒定中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。新產(chǎn)品只有通過(guò)型式試驗(yàn)，才能正式投入生產(chǎn)。

電源與加載系統(tǒng)是電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵組成部分。對(duì)于三相異步電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)，要提供諧波電壓因數(shù)低、對(duì)稱性高、穩(wěn)頻穩(wěn)壓的三相交流電源，還要提供穩(wěn)定可靠、能量可回饋的負(fù)載。傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)大多采用三相感應(yīng)調(diào)壓器提供電源，一些新型試驗(yàn)臺(tái)則采用變頻器直接供電。負(fù)載系統(tǒng)則有直交流發(fā)電機(jī)、磁粉測(cè)功機(jī)、渦輪測(cè)功機(jī)等多種形式。這些控制方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。筆者應(yīng)用現(xiàn)代交流變頻技術(shù)，結(jié)合同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)，為國(guó)內(nèi)某知名電機(jī)廠設(shè)計(jì)了一套電源加載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)單線圖如圖1所示。一臺(tái)凸極式同步發(fā)電機(jī)做為電源系統(tǒng)的核心，由一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，直流勵(lì)磁控制選用西門子6RA70直流調(diào)速裝置。同步機(jī)輸出經(jīng)雙繞組干式變壓器，可選擇輸出240 V，400 V，1 010 V，1 750 V等電壓擋位。異步電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載，與被試電機(jī)同軸連接。2臺(tái)陪試異步電動(dòng)機(jī)的控制選用西門子S120系列變頻器，電網(wǎng)供電經(jīng)IGBT整流至公共直流母線，供給逆變模塊。電源和負(fù)載組成內(nèi)回饋式電功率封閉系統(tǒng)。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)以西門子公司可編程控制器S7-300為核心，使用Profibus-DP通訊協(xié)議，通過(guò)通訊接口板將整流和逆變裝置做為從站掛網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整流逆變裝置的控制和各類邏輯控制與聯(lián)鎖。

圖1 系統(tǒng)單線圖Fig.1 System line diagram

3 電源系統(tǒng)

3.1 控制方案

異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸連接，為其提供動(dòng)力。根據(jù)f=(p/60)n，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可改變發(fā)電機(jī)輸出頻率。本試驗(yàn)臺(tái)中，發(fā)電頻率可在10～65 Hz內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。

電源系統(tǒng)的電壓控制，通過(guò)調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于同步發(fā)電機(jī)電壓幅值與負(fù)載、頻率、磁通量相關(guān)，而磁通量與勵(lì)磁電流成非線性關(guān)系，所以電壓幅值的控制必須采用閉環(huán)方式。

本系統(tǒng)利用西門子公司的6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置控制同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，通過(guò)其內(nèi)部控制器實(shí)現(xiàn)電樞電壓的閉環(huán)控制。控制環(huán)節(jié)包括電壓環(huán)和電流環(huán)，如圖2所示。

圖2 電壓雙閉環(huán)控制框圖Fig.2 Block diagram under double closed-loop voltage control

當(dāng)由于某種原因使發(fā)電機(jī)電壓偏離給定值時(shí)，經(jīng)測(cè)量比較環(huán)節(jié)測(cè)出它對(duì)給定值的偏差，再經(jīng)PI控制器得到勵(lì)磁電流控制環(huán)的給定，去調(diào)節(jié)可控整流橋的觸發(fā)相位，改變整流輸出電壓，從而改變勵(lì)磁電流。通過(guò)改變勵(lì)磁電流，即可達(dá)到調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。PI調(diào)節(jié)器的輸出還要經(jīng)過(guò)如電樞電壓電流限制、勵(lì)磁電壓電流限制等保護(hù)環(huán)節(jié)，結(jié)合直流調(diào)速裝置的選件S00，加以綜合控制，保證發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

從控制框圖可以看出，要想得到穩(wěn)定、高精度的發(fā)電機(jī)輸出，電壓測(cè)量反饋值是非常重要的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中電壓測(cè)量環(huán)節(jié)由電壓互感器和6相整流電流所組成，如圖3所示。其主要作用是迅速、準(zhǔn)確可靠地將發(fā)電機(jī)電樞的三相交流電壓變換成合適的直流信號(hào)電壓，以便與給定值相比較。采用6相整流的目的在于提高整流輸出電壓，減低脈動(dòng)成分，避免采用濾波電路或增大濾波電容而增加時(shí)間常數(shù)，影響調(diào)節(jié)器的快速性和準(zhǔn)確性。

圖3 電壓測(cè)量電路Fig.3 Voltage measurement circuit

發(fā)電機(jī)輸出端增加了雙繞組干式變壓器，擴(kuò)展了電壓輸出范圍，以適應(yīng)不同型號(hào)的電機(jī)、不同工況下的試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)?zāi)芰?。由于同步機(jī)剩磁的影響，電壓輸出可控范圍在10 V以上。本系統(tǒng)輸出電壓最大調(diào)節(jié)范圍可達(dá)10～1 750 V。

3.2 控制效果

實(shí)測(cè)的電壓輸出波形如圖4所示。由于采用同步發(fā)電機(jī)做為電源，系統(tǒng)的電壓輸出可接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，諧波電壓因數(shù)小于0.01。三相電壓負(fù)序分量小于正序分量的0.5%。實(shí)測(cè)頻率波動(dòng)小于±0.06 Hz，對(duì)應(yīng)滿量程為±0.1%；電壓波動(dòng)小于0.1%。所測(cè)技術(shù)參數(shù)滿足GB755—2008中的指標(biāo)。

圖4 電壓輸出波形Fig.4 Waveform of voltage output

對(duì)于功率較大的被試電機(jī)，如果在額定頻率下啟動(dòng)，其啟動(dòng)電壓難以設(shè)定，過(guò)大則啟動(dòng)電流太大，過(guò)小則電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。在本電源系統(tǒng)中，可利用斜坡函數(shù)發(fā)生器，使電壓和頻率同步增加，近似于V/f控制，縮短了啟動(dòng)過(guò)程，啟動(dòng)電流也大幅減小。

3.3 與其他控制方案的比較

傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)電源一般采用三相感應(yīng)調(diào)壓器，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，輸出接近正弦波。缺點(diǎn)是頻率不可調(diào)節(jié)，只能與輸入電壓頻率相同，且不易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)速度慢，精度差，負(fù)載稍有變化就要重新調(diào)節(jié)。對(duì)于頻率確定、控制要求不高的小功率試驗(yàn)臺(tái)可采用該方案。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一些試驗(yàn)臺(tái)直接采用變頻器作為電機(jī)電源，其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，使用方便，占地小，便于維護(hù)。不足之處是輸出波形不是正弦波，因此對(duì)測(cè)量有一定的特殊要求，另外，較多的高次諧波會(huì)對(duì)被試電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響。

4 加載系統(tǒng)

4.1 控制方案

本試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)采用電加載回饋的方案。加載電機(jī)與被試電機(jī)同軸連接，由于采用直流公共母線運(yùn)行方式，電源部分和負(fù)載部分組成電功率閉環(huán)，加載電機(jī)將產(chǎn)生的電能回饋到直流母線乃至電網(wǎng)，達(dá)到較好節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)能量回饋。通過(guò)加載電機(jī)還可實(shí)現(xiàn)故障情況下的快速制動(dòng)。

轉(zhuǎn)矩控制原理如圖5所示。轉(zhuǎn)矩測(cè)量使用高精度轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)量精度可達(dá)±0.1%。控制算法在S7-300 PLC中實(shí)現(xiàn)。采用混合控制方式，在基本給定的基礎(chǔ)上，增加PI控制器，以轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量值做為反饋，PI控制器輸出與轉(zhuǎn)矩基本給定相疊加，做為變頻器轉(zhuǎn)矩控制器輸入。此控制方案既可保證響應(yīng)的快速性，又可使轉(zhuǎn)矩控制達(dá)到精度要求。

圖5 加載控制框圖Fig.5 Block diagram of load control

負(fù)載給定可選擇轉(zhuǎn)矩給定和功率給定。功率給定是按照被試電機(jī)額定功率百分比設(shè)置給定，根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算加載轉(zhuǎn)矩，本質(zhì)上也是轉(zhuǎn)矩控制。本加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩給定可在0～5 000 N·m范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，功率給定可在被試件額定功率的0～200%范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)（不超過(guò)400 kW）。

4.2 控制效果

圖6為試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線。轉(zhuǎn)矩給定為1 000 N·m，可見(jiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在±0.5 N·m，控制精度達(dá)到±0.5%，滿足試驗(yàn)要求。

圖6 轉(zhuǎn)矩控制波形Fig.6 Waveform of torque control

由于采用電加載回饋的方案，加載試驗(yàn)時(shí)消耗的功率主要為被試和陪試電機(jī)的機(jī)械損耗，約為試驗(yàn)功率的25%，達(dá)到了良好的節(jié)能效果。

4.3 與其他控制方案的比較

電加載方式與其他加載方式相比具有以下特點(diǎn)：1）優(yōu)異的加載特性，具有額定轉(zhuǎn)速以下（直至零轉(zhuǎn)速）恒轉(zhuǎn)矩特性。電渦流測(cè)功機(jī)、水力測(cè)功機(jī)等加載器的低速性能不好，在一個(gè)相對(duì)低轉(zhuǎn)速下甚至無(wú)法加上負(fù)載。電加載方案非常理想地解決了這一問(wèn)題，這對(duì)于電機(jī)性能測(cè)試非常重要；2）具有正反轉(zhuǎn)向同樣的加載特性。一些加載器只能一個(gè)方向加載，例如水力測(cè)功機(jī)等。而電加載方式可以方便地改變加載方向，對(duì)于需要頻繁改變轉(zhuǎn)向的試驗(yàn)是必要的；3）節(jié)能環(huán)保，采用電力回饋，大大節(jié)約能源消耗。這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間工作的試驗(yàn)系統(tǒng)，節(jié)能效益是非?？捎^的；4）全數(shù)字化調(diào)節(jié)，精度高，穩(wěn)定性好，可靠性好；5）使用方便，無(wú)需水冷、油冷裝置；調(diào)節(jié)方便；設(shè)備簡(jiǎn)單，占地少；6）響應(yīng)快；7）具有消除電機(jī)慣量的功能即電子慣量功能。

各種加載方式的簡(jiǎn)明對(duì)比如表1所示。

表1 各種加載方式性能比較表Tab.1 Performance comparison of different kinds of loader

5 結(jié)論

本文根據(jù)交流電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)的工藝要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)和同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套電源和加載系統(tǒng)。使用情況和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可適用于0.55 kW至400 kW的交流電機(jī)型式試驗(yàn)，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行1 a多，取得了理想的效果，并為電機(jī)型式試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用提供了參考。

［1］ 才家剛.電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 許大中，賀益康.電機(jī)控制［M］.第2版.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

［3］ 中國(guó)電氣工程大典編輯委員會(huì)，電機(jī)工程［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［4］ 上海電器科學(xué)研究所.GB 755—2008旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

［5］ 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

修改稿日期：2014-02-21

Power and Load System for 3-phase Asynchronous Motor Type Test Bench

WU Jian，YU Zhen，CHEN Xiu-qin，MA Song-yuan，LI Hao
（Tianjin Design and Research Institute of Electric Drive Co.，Ltd.，Tianjin300180，China）

Motor type test is an essential procedure of motor product validation，while power and load system is the key component of motor type test bench.A design scheme of power and load system for 3-phase asynchronous motor type test bench was introduced.The system uses the technique of AC frequency conversion and synchronous generator excitation control.The generated test power supply has good quality and is convenient to adjust.The load is stable and reliable，and the electric power of the test bench is self-recycled.This system is now stably used in a famous motor factory in China，with very nice performance，improving efficiency of the type test.

motor type test bench；power supply for motor test；electric power load

TM306

A

2013-11-04

吳?。?984-），男，本科，工程師，Email：15902256149@163.com