5MW電機(jī)直接負(fù)載型式試驗(yàn)站設(shè)計(jì)

王傳軍， 姚金生， 童陟松， 劉立漢， 謝 磊

(1. 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海 200063；2. 六安江淮電機(jī)有限公司，安徽 六安 237009)

0 引 言

為滿足企業(yè)大型電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定型及生產(chǎn)的需要，設(shè)計(jì)了一套數(shù)字化電機(jī)型式試驗(yàn)站系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字變頻電源和計(jì)算機(jī)監(jiān)控測(cè)量，結(jié)合了目前國(guó)內(nèi)最新技術(shù)水平和企業(yè)的實(shí)際需求，具有較高的自動(dòng)化程度，準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、節(jié)能降耗、運(yùn)行可靠、實(shí)用價(jià)值高。試驗(yàn)站主要技術(shù)指標(biāo)不僅滿足一般高低壓電機(jī)的型式試驗(yàn)，也滿足高效、超高效電機(jī)B法(測(cè)量輸入- 輸出功率的損耗分析法)確定效率的需求。本文闡述了試驗(yàn)站系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了數(shù)字化變頻電源系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)?zāi)芰爸饕夹g(shù)指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

試驗(yàn)站系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰σ姳?。被試驗(yàn)電機(jī)最大直接負(fù)載為5MW，額定電壓10/6kV，以12極電機(jī)作為計(jì)算參考值，功率因數(shù)0.78，效率95.1%[1]，1min短時(shí)間過載能力1.25倍。間接法試驗(yàn)在設(shè)備容量基礎(chǔ)上進(jìn)行，其中工頻疊頻法熱試驗(yàn)達(dá)9MW。每檔額定電壓輸出情況下，即Un=380/400V、660/690V、1.14kV、3/3.3kV、6.0/6.6kV、10.0/11.5kV、13.8kV時(shí)，可通過調(diào)節(jié)數(shù)字變頻電源從而使輸出電壓在0～100%Un范圍內(nèi)作無極調(diào)節(jié)。中低壓輸出時(shí)，0～1140V范圍內(nèi)為等電流輸出，額定電流3000A。

表1 試驗(yàn)的系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

電壓測(cè)量準(zhǔn)確度： 0.1%；電流測(cè)量準(zhǔn)確度： 0.1%；溫度測(cè)試準(zhǔn)確度： ≤±1℃；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度： 0.1%。本試驗(yàn)站使用環(huán)境條件如下： 環(huán)境溫度為0℃～40℃；相對(duì)濕度為≤95%(25℃)；海拔高度為≤1000m；安裝地點(diǎn)為戶內(nèi)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是，直接負(fù)載 5MW，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]，高壓電機(jī)額定試驗(yàn)電流范圍約為： 18.2A(250kW，10kV)[2]～640A(5MW，6kV)，因此系統(tǒng)輸出容量為7500kW，2MW以上大電機(jī)試驗(yàn)時(shí)一次僅進(jìn)行一臺(tái)電機(jī)的型式試驗(yàn)，高低壓不同時(shí)使用；2MW以下電機(jī)試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)可分解為2個(gè)型式試驗(yàn)工位；出廠試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)可分解為4個(gè)工位，允許高低壓同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

系統(tǒng)采用1140V數(shù)字變頻電源作為試驗(yàn)電源和負(fù)載電源，形成雙電機(jī)背靠背對(duì)拖的負(fù)載模式，負(fù)載能量回饋到直流母線循環(huán)利用，是節(jié)能型試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及原理框圖如圖1所示。整個(gè)試驗(yàn)站系統(tǒng)含數(shù)字變頻電源系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)等部分。

由于采用了直流母線的回饋方式，系統(tǒng)電網(wǎng)容量?jī)H需2500kVA，供電電壓10kV，頻率 50Hz，相數(shù)3相，同時(shí)提供一路250kVA低壓380V電源作為系統(tǒng)輔助電源。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

3 電源系統(tǒng)

本試驗(yàn)站數(shù)字化變頻電源采用的方案是1140V 變頻電源加輸出變壓器模式，包括輸入整流變壓器、數(shù)字變頻電源、輸出變壓器等部分。

3.1 數(shù)字化變頻電源

數(shù)字變頻電源共直流母線結(jié)構(gòu)，由四象限整流單元、逆變單元、LC濾波單元、儲(chǔ)能電容等并在直流母線上組成。

數(shù)字變頻電源的整流單元設(shè)計(jì)為兩組由IGBT構(gòu)成的四象限整流單元并聯(lián)運(yùn)行，有效降低電網(wǎng)側(cè)諧波，且直流母線電壓可調(diào)，可進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)字變頻電源的輸出質(zhì)量。

數(shù)字變頻電源的逆變單元分A、B二組，經(jīng)LC濾波單元后輸出正弦波電源。A組作為被試電機(jī)的試驗(yàn)電源，B組作為陪試電機(jī)的電源。2臺(tái)電機(jī)實(shí)施對(duì)拖、通過直流母線回饋組成直流母線回饋試驗(yàn)系統(tǒng)，可完成被試電動(dòng)機(jī)的熱試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、短時(shí)過轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)、T-n曲線測(cè)試等試驗(yàn)項(xiàng)目[4]。

變頻電源系統(tǒng)可根據(jù)被試電機(jī)的批量和功率大小進(jìn)行并聯(lián)、解列，靈活組合。即將A和B逆變單元拆分為4臺(tái)獨(dú)立電源，分別為A1、A2、B1和B2，每臺(tái)容量3800kVA，組成四種運(yùn)行方式。

(1) 四路獨(dú)立輸出： 無回饋方式，用于同時(shí)進(jìn)行4臺(tái)5000kW及以下被試電機(jī)的空載試驗(yàn)，可用于出廠試驗(yàn)。

(2) 雙回饋方式： 整套系統(tǒng)分成兩套彼此獨(dú)立的回饋試驗(yàn)系統(tǒng)?？赏瑫r(shí)進(jìn)行兩組2500kW 及以下被試電機(jī)的對(duì)拖試驗(yàn)；或一組進(jìn)行2500kW及以下被試動(dòng)機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)，同時(shí)另一組可進(jìn)行2臺(tái)5000kW及以下被試電機(jī)的空載試驗(yàn)。

(3) 單回饋方式： 試驗(yàn)系統(tǒng)組合為一套回饋試驗(yàn)系統(tǒng)。主要用于雙機(jī)對(duì)拖的直接負(fù)載試驗(yàn)，對(duì)一組5MW被試電機(jī)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，或者可以同時(shí)進(jìn)行2臺(tái)10MW被試電機(jī)的空載試驗(yàn)。

(4) 并為一路輸出： 無回饋方式。A1、A2、B1和B2四路逆變器通過輸出變壓器2T和3T并聯(lián)運(yùn)行，可對(duì)1臺(tái)20MW被試電機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，或1臺(tái)9MW及以下被試電動(dòng)機(jī)進(jìn)行疊頻法熱試驗(yàn)。

3.2 正弦波電源品質(zhì)

數(shù)字化變頻電源為強(qiáng)諧波源，本試驗(yàn)站系統(tǒng)采用低諧波可再生能量的四象限整流單元設(shè)計(jì)，注入電網(wǎng)的電流波形畸變率THDi<5%，滿足GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求。

數(shù)字化變頻電源的輸出為正弦波，其電源品質(zhì)符合下述規(guī)定[3]。

(1) 諧波電壓因數(shù)(HVF)： 工頻且在被試電機(jī)為額定電壓時(shí)，諧波電壓因數(shù)不超過0.015；

(2) 電壓對(duì)稱性： 三相電壓系統(tǒng)的負(fù)序分量小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響予以消除；

(3) 三相電壓與規(guī)定電壓的偏差： 穩(wěn)態(tài)時(shí)≤0.5%；測(cè)量期間≤0.2%；

(4) 頻率穩(wěn)定性： 頻率與規(guī)定的偏差≤±0.3%，測(cè)量期間頻率的變化量≤±0.1%。

3.3 輸出特殊變壓器

試驗(yàn)站具有輸出多種試驗(yàn)電壓的需求，設(shè)計(jì)了特殊的組合式輸出變壓器2T和3T。通過切換其二次繞組，并和數(shù)字變頻電源相結(jié)合獲得所需的各等級(jí)高壓試驗(yàn)電源： 3.3、6.6、11.5、13.8kV。變壓器2T和3T可并聯(lián)、疊頻波形運(yùn)行，其主要參數(shù)如下： 額定容量為7500kVA；額定頻率為50/60Hz；工作頻率范圍為3～120Hz；輸入輸出電壓為1140V/3.3、6.6、11.5、13.8kV；短路阻抗為6%；冷卻方式為油浸自冷。

3.4 數(shù)字電源故障診斷

本系統(tǒng)數(shù)字電源具有很強(qiáng)的診斷和保護(hù)功能，具有對(duì)功率單元模塊和系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)置，在運(yùn)行過程中對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，針對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)監(jiān)視的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷。在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置的保護(hù)處理，并向上位機(jī)發(fā)出故障信息，由上位機(jī)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的故障保護(hù)處理和報(bào)警。

數(shù)字電源故障保護(hù)設(shè)置： 傳感器和電流檢測(cè)回路、電壓檢測(cè)回路故障；過電流；母線過電壓；母線欠電壓；輸入側(cè)缺相；輸出側(cè)缺相或開路；功率模塊故障；功率模塊散熱器過熱；數(shù)字電源過載；電機(jī)過載；通信故障；輸出三相不平衡等故障保護(hù)。

4 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、測(cè)量?jī)x表組成局域網(wǎng)。試驗(yàn)過程中根據(jù)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)選擇相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表，實(shí)時(shí)采集測(cè)量?jī)x表數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫，試驗(yàn)管理軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成試驗(yàn)報(bào)告和試驗(yàn)曲線。測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 電量測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)站采用AnyWay寬帶電參量測(cè)試系統(tǒng)，包括2套高壓傳感器、2套低壓傳感器、1套功率分析儀，組成分布式測(cè)量系統(tǒng)。AnyWay傳感器具有2倍IN歷時(shí)3min，1.5倍UN歷時(shí)10min的過載能力，具有多量程無縫自動(dòng)切換的特點(diǎn)，電流8個(gè)量程，電壓8個(gè)量程，可按1/2量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，適用于正弦波、PWM波等波形的測(cè)試要求。

AnyWay功率分析儀對(duì)所有傳感器同步采樣。在兩組電源(A、B)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩套傳感器2CT和3CT進(jìn)入并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，所測(cè)試功率為兩組傳感器測(cè)試結(jié)果之和。

AnyWay寬帶測(cè)試系統(tǒng)的寬頻、寬幅測(cè)試特點(diǎn)適應(yīng)本試驗(yàn)站被試電機(jī)額定功率、額定電壓、額定電流、工作頻率跨度大的要求；AnyWay寬帶測(cè)試系統(tǒng)傳感器采用數(shù)字化光纖傳輸，具良好的電磁兼容性能，適應(yīng)了本試驗(yàn)站數(shù)字化變頻電源要求高抗干擾能力的要求。

測(cè)試系統(tǒng)主要功能如下。常規(guī)測(cè)量： 有效值RMS、基波有效值HO1、校準(zhǔn)平均值MEAN、峰值測(cè)量、基波相位角、FFT頻譜分析、實(shí)時(shí)波形。電源質(zhì)量分析： 諧波失真THD(IEC標(biāo)準(zhǔn))、諧波含量HC(DIN標(biāo)準(zhǔn))、波形畸變率K(%)、諧波電壓因數(shù)HVF、電話諧波因數(shù)THF(%)、相間不平衡度、正序分量、負(fù)序分量、零序分量、頻率穩(wěn)定度、電壓穩(wěn)定度。

測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) 頻率范圍DC 0.1Hz～100kHz；

(2) 電壓測(cè)量準(zhǔn)確度HO1/RMS/MEAN/DC： 基波頻率0.1～200Hz，讀數(shù)的0.1%；

(3) 電流測(cè)量準(zhǔn)確度HO1/RMS/MEAN/DC： 基波頻率0.1～200Hz，讀數(shù)的0.1%；

(4) 功率測(cè)量準(zhǔn)確度： 功率因數(shù)0.2～1時(shí)，基波頻率0.1～200Hz，讀數(shù)的0.2%；

(5) 頻率測(cè)量準(zhǔn)確度： 頻率范圍0.1～200Hz，讀數(shù)的0.1%；

(6) 測(cè)試范圍： 中低壓測(cè)試傳感器1CT和4CT，額定電壓1140V，額定電流3000A；高壓測(cè)試傳感器2CT和3CT，額定電壓10kV，額定電流650A。

4.2 其他測(cè)量系統(tǒng)

其他非電量測(cè)量系統(tǒng)包括對(duì)被試電動(dòng)機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油水路流量、壓力溫度等參量的測(cè)量。其中溫度測(cè)量(16路)包括： 進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)、前軸承、后軸承、機(jī)殼、線圈、室溫等，測(cè)量誤差≤±1℃。對(duì)于高效超高效電機(jī)，系統(tǒng)可按以B法進(jìn)行效率試驗(yàn)，選用進(jìn)口0.1級(jí)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，用以測(cè)試電機(jī)軸伸端輸出的機(jī)械參數(shù)。輔助測(cè)量系統(tǒng)包括直流電阻、絕緣電阻、匝間耐壓、工頻耐壓、振動(dòng)和噪聲等測(cè)量。

5 監(jiān)控系統(tǒng)

本試驗(yàn)站控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、可編程邏輯控制器、受控設(shè)備部分組成。通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)集中控制和分散管理，受控部分包括可編程邏輯控制器、變頻電源系統(tǒng)及其他測(cè)試儀器等，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)的信號(hào)傳輸采用光纖傳輸，有效解決了變頻器系統(tǒng)干擾大的缺陷。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(PLC)完成試驗(yàn)設(shè)備組態(tài)，包括電源控制、并聯(lián)和解列控制、主要開關(guān)合分閘等。試驗(yàn)中僅需在上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中選擇所需要的運(yùn)行方式和試驗(yàn)電源即可?？刂葡到y(tǒng)針對(duì)各試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，控制數(shù)字變頻電源的輸出，并從系統(tǒng)獲得電機(jī)的電參量和各環(huán)境參量。在試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)被試電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩等參量形成閉環(huán)或開環(huán)控制，在一定人工干預(yù)下自動(dòng)完成試驗(yàn)項(xiàng)目，生成各類圖表，獲得試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)站設(shè)計(jì)監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字化變頻電源、電量測(cè)量系統(tǒng)、各分布式測(cè)量子系統(tǒng)、主回路開關(guān)狀態(tài)、帶電狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)視。試驗(yàn)人員可通過監(jiān)控顯示屏實(shí)時(shí)觀察被監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)，及時(shí)了解和掌握變頻電源、變壓器、主要開關(guān)柜、潤(rùn)滑油、冷卻水等設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。

6 輔助系統(tǒng)

6.1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

潤(rùn)滑油系統(tǒng)用于被試電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的各軸承的潤(rùn)滑和散熱，配置稀油站、管道、閥門及其他設(shè)施，設(shè)置2路供油點(diǎn)。稀油站經(jīng)供油管將油送至試驗(yàn)平臺(tái)旁的油水控制站，然后通過軟管連接給被試電機(jī)或負(fù)載電機(jī)軸承。冷卻油經(jīng)回油管流回至油箱。供油管路配置壓力、流量、溫度測(cè)量傳感器，在線監(jiān)測(cè)供油狀況，如缺油或超溫，則系統(tǒng)給予報(bào)警或者跳閘保護(hù)。試驗(yàn)人員可通過試驗(yàn)站系統(tǒng)的監(jiān)控顯示屏實(shí)時(shí)觀察供油系統(tǒng)油壓、油溫及流量。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)主要參數(shù)如下： 公稱流量125L/min；工作壓力≤0.4MPa；油箱容積1.6m3；供油溫度40±3℃；換熱面積6m2；冷卻水量11.25m3/h。

6.2 冷卻水系統(tǒng)

試驗(yàn)站冷卻水系統(tǒng)為數(shù)字化變頻電源、稀油站及空水冷卻的試驗(yàn)電機(jī)提供冷卻水。冷卻水系統(tǒng)包括水泵、冷卻塔、管道、閥門及其他輔助設(shè)施。

冷卻水系統(tǒng)配置冷卻水池和水泵房、2臺(tái)水泵，其中一臺(tái)運(yùn)行另一臺(tái)備用，通過恒壓供水系統(tǒng)向被試機(jī)、陪試機(jī)供水。供水壓力及流量通過恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，壓力可根據(jù)需要設(shè)定，壓力高則流量大，壓力低則流量少。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)恒壓控制，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量的自動(dòng)控制。供水系統(tǒng)的電氣控制與試驗(yàn)站系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)實(shí)現(xiàn)連鎖。系統(tǒng)全程監(jiān)測(cè)供水流量及溫度，如缺水或超溫，則給予報(bào)警或者跳閘保護(hù)。試驗(yàn)人員可通過試驗(yàn)站系統(tǒng)的監(jiān)控顯示屏實(shí)時(shí)觀察供水系統(tǒng)的水溫及流量。

試驗(yàn)站系統(tǒng)總供水量約125m3/h，冷卻水壓力0.2～0.4MPa。

7 結(jié) 語

本試驗(yàn)站系統(tǒng)實(shí)施后，建成為具有高性價(jià)比的綜合性電機(jī)型式試驗(yàn)站。經(jīng)驗(yàn)證，主要技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。投入使用后，提高了企業(yè)研發(fā)和優(yōu)化產(chǎn)品的能力，為產(chǎn)品生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)提供了保證，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

【參考文獻(xiàn)】

[1] GB/T 13957—2008 大型三相異步電動(dòng)機(jī)基本系列技術(shù)條件[S].

[2] JB/T 10446—2004 Y系列10kV三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號(hào)450～630)[S].

[3] GB/T 1032—2012 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法[S].