三相四橋臂變頻電源在電機疊頻試驗中的應(yīng)用

江守和，王 彬，李向男， 滿忠雷， 劉慧璋

(山東出入境檢驗檢疫局，山東青島266002)

異步電機的溫升試驗分為直接負(fù)載法和等效負(fù)載法。隨著異步電機容量的提高和型式的增多，受試驗設(shè)備容量和型式的限制，越來越多的異步電機產(chǎn)品無法進行直接負(fù)載法溫升試驗。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溫升試驗時不需要進行機械連接，所以該法特別適用于立式異步電動機（難以對偶或無合適的拖動電機）、超設(shè)備容量的異步電機及低速異步電機而又沒有合適陪試電機的溫升試驗。對于普通的異步電機，疊頻法溫升試驗則可以減少對組裝配的時間及減少試驗時的能源消耗。傳統(tǒng)的疊頻法采用兩套發(fā)電機組構(gòu)成主副機組，將兩套機組的輸出疊加后供給被試電機。主機組工作在額定電壓和頻率下，通過調(diào)節(jié)副機組的電壓和頻率使被試電機工作在額定電流下，從而考核溫升。傳統(tǒng)的疊頻法設(shè)備復(fù)雜，準(zhǔn)備及維護周期長，調(diào)節(jié)量多且不穩(wěn)定，測試參數(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地輸出各種頻率和幅值的正弦波甚至是幾個正弦波的疊加，所以完全可以采用變頻電源完成異步電機疊頻法溫升試驗。

1 通用變頻器在疊頻試驗中的應(yīng)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1所示。為了滿足電機試驗要求，配置了由TF、DF和制動電阻組成的制動單元。為了減小諧波對電機溫升的影響，配置了輸出正弦波濾波器。由于疊頻試驗時，被試電機在電動和發(fā)電工況下不斷轉(zhuǎn)換造成了直流母線電壓的波動，所以直流母線的支撐電容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的容量和直流母線的允許波動范圍決定。

疊頻電壓計算：

疊頻試驗時，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)疊頻法試驗時，需要不斷地人工調(diào)整主、幅電源的電壓和頻率才能將定子電壓及電流調(diào)整到電機額定電壓及額定電流，穩(wěn)定性和精確性都很差。采用專用變頻電源后，將調(diào)整方法簡化為直接設(shè)定電壓與電流。變頻電源首先輸出主頻率和主電壓，此時電流為空載電流，然后逐步加大輔助電源幅度，同時自動減小主電源幅度，隨時保證輸出電壓為額定電壓，當(dāng)電流幅度達到額定電流后，自動保持輸出為額定值。

圖2為380 V/5.5 kW變頻電源帶動一臺380 V/5.5 kW異步電機進行疊頻試驗，實測的定子電流波形，設(shè)置f1=50 Hz，f2=45 Hz，U2/U1=0.18。

從圖2可以看出，定子電流存在5 Hz左右的周期性震蕩。首先，會引起母線電壓較大波動，母線電容承受的紋波電流增大，影響電容壽命。因此需要增大電容容量，或者使用特殊的金膜電容，增加了設(shè)備成本。其次，電機速度波動大，仍然存在再生能量。為了消耗這部分能量，通常的做法是采用電阻箱等阻性負(fù)載消耗掉，這又導(dǎo)致電能的浪費。如果在前端增加AFE能量回饋，雖然可以達到節(jié)能和避免母線電壓波動的效果，但是會導(dǎo)致設(shè)備成本的急劇增加，以國產(chǎn)200 kW整流系統(tǒng)為例，包括PFC電感在內(nèi)，設(shè)備投入至少在7萬以上。對于電機的變頻測試系統(tǒng)來說，其它測試項并不需要該單元。

2 三相四橋臂變頻電源疊頻方案

傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器，只能控制線電壓輸出，無法獨立控制相電壓，因此無法輸出零序分量。通過在主回路拓?fù)渖显僭黾右粋€橋臂，構(gòu)成四橋臂逆變器，三相四橋臂逆變器主回路拓?fù)淙鐖D3所示[1]。

三相四橋臂逆變器，主要用于給三相不對稱負(fù)載供電的UPS、中頻變頻器和航空機載變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。它是近兩年才出現(xiàn)的一種新型逆變器。通過第四個橋臂，形成一個中性點，避免了Δ/Y輸出變壓器或中性點形成變壓器(Neutral Formed Transformer，簡稱 NFT）。

在電機疊頻測試時，電機必須為星形連接。逆變器ABC三相輸出端接電機的UVW端子；輸出端N與星形接法電機的公共端子連接。主要是利用其可以獨立控制三相輸出電壓的特性，在相電壓中疊加低頻或直流的零序電壓分量。

三相四橋臂逆變器作為電源使用時，必須保證三相輸出為正弦波，沒有考慮直流電壓輸出。因此需要改變發(fā)波和控制方式。輸出電壓計算方式為：

U1和f是電機的額定電壓和頻率。疊頻時，只需調(diào)節(jié)U2，使線電流達到電機額定電流。

由上式可見，輸出電壓計算方式更為簡化，但是PWM發(fā)波控制邏輯變得復(fù)雜[2]。

3 試驗結(jié)果

實驗電機功率15 kW，定子電阻0.27 Ω，疊加的直流電壓4.1 V，產(chǎn)生15.9 A直流電流。通過疊加直流電壓，使線電流達到32 A，也就是電機額定電流，如圖4所示。由于電機運行在50 Hz，轉(zhuǎn)子速度跟直流電流產(chǎn)生的磁場的轉(zhuǎn)差較大，產(chǎn)生的是50 Hz的脈動轉(zhuǎn)矩，其幅值較小，對母線電壓影響小，電機轉(zhuǎn)速波動小。

需要注意的是：雖然定子電流達到額定值，但是疊加的直流分量，并不能使轉(zhuǎn)子電流達到額定值，因此轉(zhuǎn)子銅耗小，需要對熱實驗結(jié)果進行一定的折算。

4 結(jié)束語

疊頻法是代替直接負(fù)載法完成交流異步電機溫升試驗的有效方法。而使用三相四橋臂變頻電源，可以有效解決普通變頻電源疊頻方案中母線電壓波動大以及能源浪費等問題，降低了設(shè)備投入，達到節(jié)能效果。

[1]牛志軍.三相四橋臂逆變器的研究[J].電力機車與城規(guī)車輛，2008，31（4）：7.

[2]劉鳳君.三相四橋臂逆變器空間相量調(diào)制技術(shù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2002，5(10)：32-35.