礦用電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用變頻靜止電源關(guān)鍵參數(shù)

礦用電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用變頻靜止電源關(guān)鍵參數(shù)*

陳釗

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037)

摘要：變頻靜止電源廣泛應(yīng)用于礦用交流電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)，其輸出電能品質(zhì)是評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。輸出電壓和頻率偏離額定時(shí)諧波增大、電壓下限偏高、電壓不對(duì)稱等都會(huì)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的增大。在定性綜述變頻靜止試驗(yàn)電源輸出的諧波、電壓和頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，分析礦用低壓電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)電源實(shí)例，依此提出考核礦用高壓電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)電源的重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：靜止電源; 諧波; 頻率; 電壓; 電動(dòng)機(jī); 型式試驗(yàn)

基金項(xiàng)目：* 國(guó)家級(jí)安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)察技術(shù)支撐能力建設(shè)-礦用新裝備新材料安全性分析驗(yàn)證中心實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(發(fā)改投資[2014]744號(hào))

通訊作者：陳釗

中圖分類號(hào)：TM 306文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期:2015-04-10

Key Parameters of Variable Frequency Quiescent

Power Supply for Mine Motor Test

CHENZhao

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037， China)

Abstract：The variable frequency quiescent power supply was widely used in the type test system of mine alternating current motor and its quality was an important index to evaluate the test system. The increased harmonic when the voltage or frequency deviates from the rating, high voltage minimum and asymmetric voltage would cause the increase of error of test data. The influences of harmonic, voltage and frequency to motor type test result were qualitatively summarized. According to test standards, the power quality of mine low-voltage motor type test as an example was analyzed. The assessment indexes of variable frequency quiescent power supply for mine high-voltage motor type test was presented.

Key words： quiescent power supply; harmonic; frequency; voltage; motor; type test

0引言

為保障礦用三相交流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電機(jī))在煤礦井下易燃易爆環(huán)境中的安全使用，在電機(jī)井下應(yīng)用前的安全準(zhǔn)入階段，須對(duì)電機(jī)的電氣、機(jī)械和熱力等參數(shù)指標(biāo)是否存有安全隱患進(jìn)行分析驗(yàn)證。目前，礦用電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)電源基本使用同步發(fā)電機(jī)組電源或變頻靜止電源。因后者具有輸出頻率范圍寬、能耗較小、噪聲和振動(dòng)小、成本較低和維護(hù)保養(yǎng)便捷等優(yōu)點(diǎn)，故針對(duì)礦用電機(jī)試品尤其是變頻電機(jī)試品的出廠或型式試驗(yàn)系統(tǒng)，廣泛采用變頻靜止電源作為被試電源和陪試電源。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)電源具有寬廣的電壓、電流和頻率調(diào)節(jié)范圍，事實(shí)上變頻靜止電源不能保證在全頻率、全電壓范圍內(nèi)都能輸出合格的參數(shù)。特別是進(jìn)行低頻率、低電壓試驗(yàn)時(shí)，變頻靜止電源很難輸出合乎要求的電能。若試驗(yàn)電源諧波含量較大、電流不平衡嚴(yán)重或頻偏較大，測(cè)試數(shù)據(jù)將產(chǎn)生較大偏離。因此，變頻靜止試驗(yàn)電源輸出的電壓、電流及其諧波，以及頻率等參數(shù)指標(biāo)滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，是保證電機(jī)試驗(yàn)準(zhǔn)確性、重復(fù)性和一致性的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)型式試驗(yàn)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文在定性綜述試驗(yàn)電源的諧波、頻率和電壓等電能質(zhì)量參數(shù)對(duì)電機(jī)型式試驗(yàn)影響的基礎(chǔ)上，以新建的礦用低壓電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)考核結(jié)果為例，分析該試驗(yàn)電源的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)系統(tǒng)的不足，同時(shí)給出礦用高壓變頻電傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)靜止電源的評(píng)價(jià)方法。

1變頻靜止試驗(yàn)電源品質(zhì)

1.1電源諧波

相對(duì)于機(jī)組試驗(yàn)電源，變頻靜止試驗(yàn)電源的工作頻率可從低頻到高頻，但整流單元和變頻器在開關(guān)時(shí)必然產(chǎn)生電壓突變，不僅造成試驗(yàn)系統(tǒng)供電電源側(cè)諧波污染，也使施加在電機(jī)試品上的電流和電壓波形發(fā)生畸變而包含有大量高次諧波?；ê椭C波分量的分布及其幅值變化主要受調(diào)制頻率和載波頻率的影響。若試驗(yàn)電源諧波含量大，將對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不利影響。例如: 干擾試驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，控制和保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)設(shè)備和線路過熱、絕緣加速老化甚至損傷，或者使監(jiān)測(cè)、監(jiān)控試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的儀器儀表失準(zhǔn)，也會(huì)降低試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部及與中央控制室的通信質(zhì)量。

除基波分量產(chǎn)生損耗外，不同幅值和頻率的諧波疊加在試品上，也引起試品定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加雜散損耗的增加，試品效率降低，溫升增加；試品無功分量增加，功率因數(shù)降低[3-10]。高次諧波也會(huì)使試品軸電壓和軸電流增大、電磁振動(dòng)和噪聲增加[11-13]。

對(duì)于特定的試驗(yàn)系統(tǒng)，可試驗(yàn)功率的下限取決于試驗(yàn)電源純凈度、控制與測(cè)量精度和試驗(yàn)系統(tǒng)損耗。試驗(yàn)電壓和電流幅值需高于試驗(yàn)系統(tǒng)主回路的諧波電壓和諧波電流，否則無法順利進(jìn)行較小功率試品的測(cè)試。反過來說，若試驗(yàn)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波源，相當(dāng)于抬高了試驗(yàn)功率下限。

1.2電源頻率精度和穩(wěn)定性

試驗(yàn)電源的頻率偏差過大，將改變電機(jī)試品的性能。例如，試驗(yàn)電源頻率低于試品額定值，異步電機(jī)試品定子阻抗降低，起動(dòng)電流增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩增大；空載電流增大；損耗增大，效率降低；定子功率因數(shù)降低；定子銅耗增大，溫升增大。輸出低頻特別是極低頻率時(shí)，諧波含量大幅增加，試品轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重。若頻率波動(dòng)太快，難以準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3電源電壓范圍和對(duì)稱性

試驗(yàn)電源輸出電壓越低，則諧波含量越大，在允許的諧波含量條件下，試驗(yàn)電源的輸出電壓存在下限值。依據(jù)文獻(xiàn)[14-15]的要求，空載試驗(yàn)時(shí)電流需降低到最小或不穩(wěn)定的最小電流為止。若輸出電壓最低值偏高甚至超過0.2倍試品額定電壓，空載試驗(yàn)時(shí)的機(jī)械損耗會(huì)偏大，鐵耗會(huì)相應(yīng)減小。

若試驗(yàn)電壓低于額定電壓，異步電機(jī)試品空載和輕載時(shí)勵(lì)磁電流將減小，鐵耗降低，功率因數(shù)上升；重載時(shí)定子電流和定子銅耗增大，轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子銅耗增大，試品效率降低，溫升增加，帶載能力下降。若試驗(yàn)電壓高于額定電壓，空載和輕載時(shí)勵(lì)磁電流增加，定子電流增大，功率因數(shù)變?。恢剌d時(shí)定子電流和定子銅耗減小，轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子銅耗減小，試品效率略有下降，溫升略有增加。

若試驗(yàn)電壓幅值不對(duì)稱，將導(dǎo)致試品的空載電流、堵轉(zhuǎn)電流和轉(zhuǎn)子開路電壓不平衡，引起額外的轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗和雜散損耗，試品效率降低，溫升增加。因負(fù)序阻抗較小，負(fù)序電流較大，試品銅耗也會(huì)增加，效率降低，溫升增加。負(fù)序轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低試品的最大轉(zhuǎn)矩和過載能力，試品輸出功率減小。

2試驗(yàn)

某套礦用低壓電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)的變頻靜止電源，采用三電平+載波移相技術(shù)和共直流母線結(jié)構(gòu)，標(biāo)稱的參數(shù)指標(biāo)如下: 最大功率2×500kW，額定電壓AC 690V，最大輸出電壓AC 900V，最大電流2×524A，工作頻率3～120Hz。試驗(yàn)系統(tǒng)具備的功能是: 空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、并聯(lián)模式下堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、直接負(fù)載法和疊頻法熱試驗(yàn)、B法實(shí)測(cè)雜散損耗、滿壓法和降壓法實(shí)測(cè)最大最小轉(zhuǎn)矩，以及變頻電機(jī)的特殊試驗(yàn)，如5Hz直接法熱試驗(yàn)等。選用YB2-355L2-4全封閉風(fēng)冷、單籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)試品完成該電源的考核試驗(yàn)，其中，試品額定電壓660V，額定電流321A，額定頻率50Hz，額定功率315kW。利用經(jīng)過校準(zhǔn)的成套功率分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.1電能質(zhì)量分析

采取投入或切除試驗(yàn)電源輸出濾波器的方式，在同一載波頻率條件下，模擬不同諧波電壓因數(shù)的供電。例如，堵轉(zhuǎn)、空載和負(fù)載試驗(yàn)的電能質(zhì)量測(cè)試曲線如圖1～圖4所示，其中，HVF為諧波電壓因數(shù)，PSCi為電流正序分量，NSCi為電流負(fù)序分量，PSCu為電壓正序分量，NSCu為電壓負(fù)序分量。

圖1　堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)電源品質(zhì)曲線

圖2　空載試驗(yàn)時(shí)電源品質(zhì)曲線

圖3　負(fù)載試驗(yàn)時(shí)電源品質(zhì)曲線

由圖1可見，當(dāng)投入濾波器時(shí)，隨著堵轉(zhuǎn)電流的減小，HVF逐漸增大，在160A時(shí)達(dá)到最大值0.016；NSCi的總趨勢(shì)是隨堵轉(zhuǎn)電流的減小而減小。當(dāng)切除濾波器時(shí)，HVF和NSCi波動(dòng)較大，HVF在181A時(shí)達(dá)到最大值0.0217。與切除濾波器相比，投入濾波器后HVF明顯減小，但對(duì)NSCi影響不大。投/切濾波器時(shí)HVF的平均值分別為0.0043、0.0132，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0035、0.0040；NSCi的平均值分別為1.6143、1.7382，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2807、0.4203。

由圖2可見，當(dāng)投入濾波器時(shí)，隨著電壓的減小，HVF逐漸增大，在130V時(shí)達(dá)到最大值0.029；在額定電壓附近HVF明顯減小，說明濾波器是按照額定電壓區(qū)間來設(shè)計(jì)的。當(dāng)切除濾波器時(shí)，HVF和NSCu的總趨勢(shì)是隨著電壓降低而增大；NSCu較投入濾波器時(shí)顯著增大。投/切濾波器時(shí)HVF的平均值分別為0.0144、0.0298，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0061、0.0098；NSCu的平均值分別為0.1566、1.9805，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0664、1.4431。

由圖3可見，當(dāng)投入濾波器時(shí)，隨著電流的減小，HVF逐漸增大，在110A時(shí)HVF值達(dá)到較高值0.0219，比切除濾波器時(shí)還大；但在額定電流附近較切除濾波器時(shí)明顯減小，其值約為0.005，表明濾波器是按照額定電流區(qū)間來設(shè)計(jì)的。在投入和切除濾波器時(shí)NSCi變化趨勢(shì)相近，但投入濾波器時(shí)NSCi較切除時(shí)偏大，兩種情況在額定電流附近均減小；在低段有起伏。投/切濾波器時(shí)HVF的平均值分別為0.0087、0.0990，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0057、0.0046；NSCi的平均值分別為0.7180、0.7306，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.4908、0.3727。

由圖4可見，50Hz和60Hz頻率下HVF變化趨勢(shì)相近，隨著電壓的降低，HVF逐漸增大，50Hz、100V時(shí)HVF為0.0268；60Hz、100V時(shí)HVF為0.0281；50Hz和60Hz時(shí)HVF的平均值分別為0.00888、0.0114，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0082、0.0087。

2.2型式試驗(yàn)

不同HVF條件下的型式試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知: 受基波和諧波轉(zhuǎn)矩共同疊加的影響，HVF增大時(shí)對(duì)堵轉(zhuǎn)電流及堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩影響很大。HVF增大時(shí)，鐵耗、轉(zhuǎn)子銅耗和雜散損耗增加較多，機(jī)械損耗和定子銅耗基本無變化，試品效率下降。因多項(xiàng)損耗增加，導(dǎo)致溫升也增加。由高次諧波電壓產(chǎn)生的電流幾乎均為感性無功電流，相當(dāng)于增加了定、轉(zhuǎn)子漏抗，功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩下降[16]，但影響不大。

表1　不同HVF條件下的試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)電源的考核結(jié)果及其分析如下:

(1) 固定載波頻率、濾波器開起時(shí)，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)在低于0.2倍試品額定電壓時(shí)的HVF>0.02，空載試驗(yàn)在低于0.27倍試品額定電壓時(shí)的HVF大于0.02，負(fù)載試驗(yàn)在低于0.4倍試品額定電流時(shí)的HVF>0.02；輸出50Hz或60Hz和額定電壓時(shí)，HVF均能<0.015。滿足電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 投入濾波器后，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)輸出的三相電壓負(fù)序分量為正序分量的0.32%，空載試驗(yàn)時(shí)為0.05%，負(fù)載試驗(yàn)時(shí)為0.04%，滿足電機(jī)試驗(yàn)的要求。在上述試驗(yàn)過程中，輸出頻率最大偏移為0.004Hz，頻率最大誤差為-0.008%，滿足電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 對(duì)試驗(yàn)電源HVF影響最大的參數(shù)是輸出電壓，電壓越低，HVF越大；其次為輸出電流，電流越低，HVF越大；在50～60Hz范圍內(nèi)，頻率變化對(duì)HVF的影響很小。其中，試驗(yàn)電源在低電壓區(qū)域HVF增大的原因是，SPWM波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，當(dāng)電壓降低時(shí)，調(diào)制信號(hào)幅值與載波信號(hào)幅值之比減小，矩形脈沖波幅值大于信號(hào)波對(duì)應(yīng)區(qū)間幅值，同時(shí)寬度變窄，高次諧波增大，HVF相應(yīng)增加[17]。

(4) 從圖1～圖3可見，負(fù)序分量在堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)最大，負(fù)載試驗(yàn)時(shí)次之，空載試驗(yàn)時(shí)最小，原因是電機(jī)定轉(zhuǎn)子的三相漏阻抗值受定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置、氣隙均勻程度、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)子靜止且試驗(yàn)電流較大，較空載和負(fù)載試驗(yàn)時(shí)受到的影響更大，且試品功率與試驗(yàn)電源容量接近，導(dǎo)致電源對(duì)稱性變差。

綜上所述，該變頻靜止試驗(yàn)電源基本滿足電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量要求，可作為工頻電機(jī)、變頻電機(jī)型式試驗(yàn)電源。不足之處是: 在HVF滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下，輸出電壓下限偏高、負(fù)載試驗(yàn)電流下限偏高，對(duì)部分試品的空載、堵轉(zhuǎn)和負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，其綜合性能為中等。

3高壓變頻靜止試驗(yàn)電源要求

建設(shè)中的礦用高壓變頻電傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的變頻靜止電源，通過分時(shí)復(fù)用，既可驅(qū)動(dòng)機(jī)組試驗(yàn)電源的拖動(dòng)電機(jī)，也可為電機(jī)(含變頻電機(jī))試品提供被試電源和陪試電源。變頻靜止試驗(yàn)電源的諧波、電壓和頻率等參數(shù)指標(biāo)需滿足試品不同試驗(yàn)要求，提出如下的評(píng)估參數(shù)及其指標(biāo)：

(1) 頻率范圍5～100Hz，精度≤±0.3%，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度<0.1%/s。基準(zhǔn)頻率50/60Hz。其中，頻率25～72Hz時(shí)，HVF≤0.03(N設(shè)計(jì)電機(jī)試品)或HVF≤0.02(其他電機(jī)試品)；定頻電機(jī)試品熱試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組時(shí)，HVF≤0.015。其他頻率范圍時(shí)，HVF≤0.05。(2) 輸出電壓在0.12～1.3倍試品額定電壓范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，HVF≤0.03(N設(shè)計(jì)電機(jī)試品)或HVF≤0.02(其他電機(jī)試品)。(3) 負(fù)序分量小于正序分量的0.5%。(4) 轉(zhuǎn)矩控制精度≤1%。極低頻率≤10Hz時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)≤±1%。(5) 電壓波動(dòng)范圍≤±0.2%。(6) 載波頻率2～4kHz[18]可調(diào)。

4結(jié)語(yǔ)

變頻靜止試驗(yàn)電源輸出的電壓、頻率和諧波等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)及其變化范圍，以及試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的復(fù)合作用將影響測(cè)試數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果。在借鑒礦用低壓電機(jī)變頻靜止試驗(yàn)電源實(shí)測(cè)參數(shù)及其不足的基礎(chǔ)上，依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際需求，提出一種考核礦用高壓變頻靜止試驗(yàn)電源的參數(shù)集，也適用于地面類似變頻靜止電源的設(shè)計(jì)、制造及型式試驗(yàn)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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

[15]GB/T 22670 —2008變頻器供電三相籠形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法.

[16]許實(shí)章.電機(jī)學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[17]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M].福州: 福建科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[18]IEC 60034-2-3—2013Rotating electrical machines Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC motors.