電機(jī)加載測(cè)試系統(tǒng)中變頻器的高-低-高應(yīng)用研究

常彥鵬

（神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315）

神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司是我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)煤炭2億t左右。設(shè)備維修中心作為下屬企業(yè)，主要職責(zé)是對(duì)各類(lèi)型的采煤設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)，保障礦井采煤作業(yè)的正常開(kāi)展。電機(jī)作為采煤設(shè)備的重要部件，其維修質(zhì)量直接影響采煤設(shè)備的使用壽命及礦井正常的采煤作業(yè)。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于電機(jī)維修質(zhì)量不合格導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)影響采煤生產(chǎn)的事故時(shí)有發(fā)生。為全方位提高采煤設(shè)備的維修質(zhì)量，就必須對(duì)這些采煤設(shè)備電機(jī)進(jìn)行維修后的加載測(cè)試，以期通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)來(lái)降低電機(jī)故障導(dǎo)致采煤設(shè)備停機(jī)造成的影響。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)生故障頻次較高的電機(jī)主要集中在400kW及以下的各類(lèi)礦用電機(jī)。因此，決定對(duì)400kW及以下的各類(lèi)礦用電機(jī)進(jìn)行加載測(cè)試。各類(lèi)采煤設(shè)備種類(lèi)繁多，其使用的電機(jī)也多種多樣。400kW及以下的小型電機(jī)就多達(dá)52種。按工作電壓分類(lèi)有AC 575V、AC 660V、AC 1140V、AC 3300V這4種，受測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地限制，無(wú)法布置多套變頻對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)，直接采用變頻對(duì)拖的測(cè)試方式不能滿足測(cè)試要求，且測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的上級(jí)電源裕量?jī)H300kVA左右,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行400kW的電機(jī)加載測(cè)試可能影響其他的檢修作業(yè)。為了解決這些問(wèn)題，本文進(jìn)行了針對(duì)性的應(yīng)用研究。

1 采用變壓器實(shí)現(xiàn)變頻器的高-低-高應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.1 變頻器的分類(lèi)

變頻器是目前廣泛使用的電子器件，按變頻方式主要可分為交交變頻器及交直交變頻器兩種，但無(wú)論哪種變頻器，其原理都是將工頻（50Hz）的交流電變換成其他頻率的交流電，以滿足不同負(fù)載的使用要求。

1.2 變頻器的控制方式

目前，常見(jiàn)的變頻器主要有以下4種控制方式：恒壓頻比控制（V/F控制）、矢量控制、轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC控制）。恒壓頻比控制方式屬于較早的變頻調(diào)速方法，在這種控制方式下，變頻器輸出電源的電壓和頻率成固定的比值，因此，在調(diào)速過(guò)程中可以維持負(fù)載（電機(jī)）氣隙磁通為額定值，解決了電機(jī)由于頻率變化導(dǎo)致磁飽和引起勵(lì)磁電流增大的問(wèn)題。但這種方式屬于開(kāi)環(huán)控制，不能滿足較高控制精度及調(diào)速范圍的要求。轉(zhuǎn)差頻率控制彌補(bǔ)了這一不足，但這種控制方式是基于數(shù)學(xué)模型對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的，無(wú)法保證系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制方式雖然可較大提升電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，但其對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性較大。就神東公司400kW及以下電機(jī)的加載測(cè)試系統(tǒng)而言，直接轉(zhuǎn)矩控制是較為符合實(shí)際需求的控制方式。

1.3 基于變壓器實(shí)現(xiàn)變頻器的高-低-高應(yīng)用

變壓器的模型與交流異步電機(jī)的模型是一樣的。所以，變頻器既可以把交流電機(jī)作為負(fù)載，也可以把變壓器作為負(fù)載。由此，變頻器可以作為特殊頻率的電源控制，最常見(jiàn)的就是50Hz與60Hz的電源變換，不同電壓等級(jí)的電源變換等?；谏衔闹刑岬降谋辉囯姍C(jī)額定電壓不同的問(wèn)題，就可以采用基于變壓器實(shí)現(xiàn)變頻器的高-低-高應(yīng)用來(lái)解決。即在變頻器的輸入側(cè)串接降壓變壓器，在變頻器的輸出側(cè)串接升壓變壓器，組成一個(gè)基于變壓器的變頻器的高-低-高電源應(yīng)用系統(tǒng)，主回路的電壓經(jīng)過(guò)降壓、升壓的過(guò)程，使所帶的電機(jī)負(fù)載可以正常地工作。如圖1所示。這種應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為變頻器的高-低-高應(yīng)用。

圖1

變頻器的高-低-高應(yīng)用主要適用于以下幾種情況：

變頻器的輸出電壓與負(fù)載電機(jī)的額定電壓不一致。如本文中電機(jī)加載測(cè)試臺(tái)的被試電機(jī)由于額定電壓不一致，受場(chǎng)地因素限制，無(wú)法合并匹配合適電壓的變頻器。

電網(wǎng)電壓與電機(jī)額定電壓不一致。

價(jià)格和工藝因素。如在工藝滿足的條件下，可以利用低壓變頻器加升壓變壓器的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)。

針對(duì)神東煤炭有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心的電機(jī)加載測(cè)試電源系統(tǒng)，由于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地限制，無(wú)法布置多組不同電壓等級(jí)的變頻器對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)，且從節(jié)約成本的角度考慮，完全適用變頻器的高-低-高應(yīng)用?？蓪⒕S修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供1140V電源作為系統(tǒng)的進(jìn)線電源，在進(jìn)線側(cè)設(shè)一組1140/690V變壓器，變壓器的下級(jí)接2臺(tái)型號(hào)為ABB880額定電壓為690V的變頻器，變頻器下級(jí)再設(shè)一組690/1140/3300V的變壓器，變壓器的下級(jí)接被試電機(jī)，組成這樣的一個(gè)變頻器高-低-高應(yīng)用系統(tǒng)。在測(cè)試額定電壓為660V的電機(jī)時(shí)，變頻器下級(jí)的升壓變壓器不投用，由變頻器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；在測(cè)試額定電壓為1140V、3300V的電機(jī)時(shí)，升壓變壓器投用，變頻器的輸出電源經(jīng)變壓器升壓后給電機(jī)提供測(cè)試電源。當(dāng)測(cè)試額定電壓為575V的電機(jī)時(shí)，利用變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)，可以采用定頻調(diào)壓的方式，在輸出頻率不變的情況下，將變頻器的輸出電壓調(diào)整到575V，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種電源設(shè)計(jì)方案所匹配的加載測(cè)試負(fù)載電機(jī)的可以選用額定電壓為660V的變頻電機(jī)，直接用變頻器供電以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2 電機(jī)加載測(cè)試的方式研究

2.1 電機(jī)加載測(cè)試種類(lèi)

對(duì)電機(jī)的加載測(cè)試，按能量轉(zhuǎn)換的方式可分為能量消耗型、能量回饋型及互饋對(duì)拖型3種。隨著社會(huì)的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)綠色節(jié)能有了更高的要求，其中能量消耗型的測(cè)試方式耗能大，除有特殊需求的場(chǎng)所外，目前基本已不采用。傳統(tǒng)的能量回饋型系統(tǒng)雖然相對(duì)節(jié)能，但經(jīng)變頻器回饋的能量易對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。近年來(lái)提出的基于共直流母線的節(jié)能型回饋系統(tǒng)可避免上述問(wèn)題。

2.2 共直流母線的回饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)加載測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)2臺(tái)變頻器，1臺(tái)兩象限的變頻器給被試電機(jī)供電，1臺(tái)四象限的變頻器給負(fù)載電機(jī)供電。通過(guò)電氣系統(tǒng)將兩臺(tái)變頻器連接在一起，形成共直流母線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這樣負(fù)載電機(jī)所產(chǎn)生的能量就不用經(jīng)電網(wǎng)后再到被試電機(jī)，大部分能量可以在兩臺(tái)變頻器之間閉環(huán)流動(dòng)。且采用這種結(jié)構(gòu)后，不僅可以較大程度地避免回饋能量對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，而且對(duì)上級(jí)電源的容量要求更低，可以解決測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)電源裕量不足的問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)線電源電流僅為加載測(cè)試臺(tái)工作狀態(tài)下被試電機(jī)電流的1/3左右，大幅降低了電機(jī)加載系統(tǒng)的電源容量需求，滿足了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，節(jié)能效果明顯。

圖2

3 電機(jī)加載測(cè)試臺(tái)的應(yīng)用及問(wèn)題改進(jìn)

3.1 應(yīng)用中的問(wèn)題

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，400kW電機(jī)加載測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)采購(gòu)并組裝后，在系統(tǒng)調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)如下故障：（1）系統(tǒng)內(nèi)的升壓變壓器在調(diào)試階段出現(xiàn)局部高壓絕緣擊穿故障，更換變壓器后短時(shí)間又出現(xiàn)絕緣擊穿故障。（2）負(fù)載電機(jī)在測(cè)試運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)嘯叫聲。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用問(wèn)題分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)連續(xù)2次出現(xiàn)升壓變壓器故障并伴隨有電機(jī)異常，基本排除了變壓器質(zhì)量問(wèn)題，經(jīng)分析判斷，懷疑系統(tǒng)中升壓變壓器出線側(cè)電源高次諧波超量。測(cè)試人員用電能質(zhì)量分析儀對(duì)電機(jī)加載測(cè)試系統(tǒng)中降壓變壓器出線側(cè)、升壓變壓器出線側(cè)這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了電能質(zhì)量的測(cè)量。對(duì)降壓變壓器出線側(cè)的電源電壓波形進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電壓波形平滑，進(jìn)爾對(duì)電壓諧波含量進(jìn)行測(cè)量，電壓的總諧波畸變率THD僅為1.1%（見(jiàn)圖3），滿足國(guó)標(biāo)中規(guī)定的電壓的總諧波畸變率不得超過(guò)5%的要求。因此，判斷降壓變壓器出線側(cè)及上級(jí)電源正常。

圖3

對(duì)升壓變壓器出線側(cè)電源電壓波形進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電壓波形有明顯尖峰，再對(duì)電壓諧波含量進(jìn)行測(cè)量，電壓的總諧波畸變率THD為9.3%（見(jiàn)圖4），不符合國(guó)標(biāo)的規(guī)定要求。

圖4

我們可以得出以下分析結(jié)果：變頻器的輸出波形為調(diào)制波，本身就含有高次諧波，在基于變壓器的變頻器的高-低-高應(yīng)用中，變頻器輸出的高次諧波經(jīng)過(guò)變壓器進(jìn)一步放大，高頻的諧波電流由于趨膚效應(yīng)的存在，使變壓器產(chǎn)生更高的溫升，局部絕緣降低，高頻的諧波沖擊電壓導(dǎo)致升壓變壓器的出線側(cè)絕緣薄弱點(diǎn)擊穿，升壓變壓器下級(jí)的電機(jī)承受經(jīng)升壓變壓器放大的諧波電壓，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)嘯叫聲。

3.3 問(wèn)題解決思路及做法

要解決諧波問(wèn)題，常用的方法有2種：（1）變頻器下級(jí)所接的升壓變壓器必須設(shè)計(jì)成能承受變頻器輸出由脈沖頻率引起的高次諧波和電流的沖擊，以避免大電流沖擊引起的磁路飽和以及可能出現(xiàn)的電流不對(duì)稱(chēng)。但長(zhǎng)期運(yùn)行條件下，由于諧波電流和諧波損耗的存在，變壓器的使用壽命將會(huì)一定程度上降低。（2）在變頻器出線側(cè)加設(shè)正弦濾波器，加設(shè)正弦濾波器可以從根本上降低變頻器輸出電源的電壓畸變率，使下級(jí)的升壓變壓器和電機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。正弦波濾波器由串聯(lián)電抗L和并聯(lián)電容C構(gòu)成，如圖5所示。變頻器的輸出側(cè)加設(shè)濾波器，選取適當(dāng)?shù)慕刂诡l率，就可以將變頻器輸出PWM波形中的大部分諧波濾除，使得U0近似為正弦波。但在選擇正弦濾波器時(shí)，要注意與負(fù)載相匹配，盡管增大電抗或者增大電容都可以進(jìn)一步地降低輸出電壓的畸變率，減少諧波，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的降低，不僅成本增加，且可能無(wú)法滿足與現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)測(cè)試的工作要求。

圖5

綜合工期、成本、場(chǎng)地面積等因素，在實(shí)際的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采用了加設(shè)正弦濾波器的解決方案，改進(jìn)后的電源系統(tǒng)如圖6所示。經(jīng)測(cè)量，改進(jìn)后的電機(jī)加載測(cè)試系統(tǒng)中升壓變壓器出線側(cè)的電壓的總諧波畸變率THD為2.6%，滿足了使用要求。

圖6

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求和環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了一種基于變壓器的變頻器的高-低-高電源系統(tǒng)，結(jié)合共變頻器直流母線的能量回饋電氣設(shè)計(jì)，解決了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的相關(guān)問(wèn)題，通過(guò)后期系統(tǒng)改進(jìn)，完成了變頻器輸出電源的諧波控制，成功應(yīng)用于神東煤炭有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心400kW及以下礦用設(shè)備電機(jī)的加載測(cè)試。電機(jī)加載測(cè)試臺(tái)電源系統(tǒng)在調(diào)試完成后，已經(jīng)投入了生產(chǎn)運(yùn)行，截至目前，已測(cè)試各類(lèi)型電機(jī)近200臺(tái)，系統(tǒng)內(nèi)的降壓變壓器、變頻器、濾波器、升壓變壓器運(yùn)行無(wú)異常，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了神東煤炭有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心的400kW及以下礦用設(shè)備電機(jī)的加載測(cè)試需求。該套測(cè)試臺(tái)電源系統(tǒng)不僅運(yùn)行可靠，且綠色節(jié)能，對(duì)有電機(jī)加載測(cè)試臺(tái)需求的維修或制造單位提供了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性方案，具有一定的借鑒和參考價(jià)值。