礦用電動機試驗用變頻靜止電源關鍵參數*

陳釗

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)

摘要：變頻靜止電源廣泛應用于礦用交流電動機型式試驗系統，其輸出電能品質是評價試驗系統性能的重要指標。輸出電壓和頻率偏離額定時諧波增大、電壓下限偏高、電壓不對稱等都會造成試驗數據誤差的增大。在定性綜述變頻靜止試驗電源輸出的諧波、電壓和頻率對電動機型式試驗影響的基礎上，根據試驗標準要求，分析礦用低壓電動機型式試驗電源實例，依此提出考核礦用高壓電動機型式試驗電源的重要指標。

關鍵詞：靜止電源; 諧波; 頻率; 電壓; 電動機; 型式試驗

基金項目：* 國家級安全生產監(jiān)管監(jiān)察技術支撐能力建設-礦用新裝備新材料安全性分析驗證中心實驗室建設項目(發(fā)改投資[2014]744號)

通訊作者：陳釗

中圖分類號：TM 306文獻標志碼： 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機(以下簡稱電機)在煤礦井下易燃易爆環(huán)境中的安全使用，在電機井下應用前的安全準入階段，須對電機的電氣、機械和熱力等參數指標是否存有安全隱患進行分析驗證。目前，礦用電機試驗系統的試驗電源基本使用同步發(fā)電機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、噪聲和振動小、成本較低和維護保養(yǎng)便捷等優(yōu)點，故針對礦用電機試品尤其是變頻電機試品的出廠或型式試驗系統，廣泛采用變頻靜止電源作為被試電源和陪試電源。試驗標準要求試驗電源具有寬廣的電壓、電流和頻率調節(jié)范圍，事實上變頻靜止電源不能保證在全頻率、全電壓范圍內都能輸出合格的參數。特別是進行低頻率、低電壓試驗時，變頻靜止電源很難輸出合乎要求的電能。若試驗電源諧波含量較大、電流不平衡嚴重或頻偏較大，測試數據將產生較大偏離。因此，變頻靜止試驗電源輸出的電壓、電流及其諧波，以及頻率等參數指標滿足試驗標準的要求，是保證電機試驗準確性、重復性和一致性的基礎，也是評價型式試驗系統性能優(yōu)劣的重要指標。本文在定性綜述試驗電源的諧波、頻率和電壓等電能質量參數對電機型式試驗影響的基礎上，以新建的礦用低壓電機型式試驗系統考核結果為例，分析該試驗電源的實測數據和試驗系統的不足，同時給出礦用高壓變頻電傳動試驗系統靜止電源的評價方法。

1變頻靜止試驗電源品質

1.1電源諧波

相對于機組試驗電源，變頻靜止試驗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時必然產生電壓突變，不僅造成試驗系統供電電源側諧波污染，也使施加在電機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制頻率和載波頻率的影響。若試驗電源諧波含量大，將對試驗系統和測試結果產生不利影響。例如: 干擾試驗系統的正常運行，控制和保護設備出現誤動、拒動現象，試驗設備和線路過熱、絕緣加速老化甚至損傷，或者使監(jiān)測、監(jiān)控試驗系統狀態(tài)參數的儀器儀表失準，也會降低試驗系統內部及與中央控制室的通信質量。

除基波分量產生損耗外，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，功率因數降低[3-10]。高次諧波也會使試品軸電壓和軸電流增大、電磁振動和噪聲增加[11-13]。

對于特定的試驗系統，可試驗功率的下限取決于試驗電源純凈度、控制與測量精度和試驗系統損耗。試驗電壓和電流幅值需高于試驗系統主回路的諧波電壓和諧波電流，否則無法順利進行較小功率試品的測試。反過來說，若試驗電源產生較強的諧波源，相當于抬高了試驗功率下限。

1.2電源頻率精度和穩(wěn)定性

試驗電源的頻率偏差過大，將改變電機試品的性能。例如，試驗電源頻率低于試品額定值，異步電機試品定子阻抗降低，起動電流增大，起動轉矩和最大轉矩增大；空載電流增大；損耗增大，效率降低；定子功率因數降低；定子銅耗增大，溫升增大。輸出低頻特別是極低頻率時，諧波含量大幅增加，試品轉矩脈動現象嚴重。若頻率波動太快，難以準確測量數據。

1.3電源電壓范圍和對稱性

試驗電源輸出電壓越低，則諧波含量越大，在允許的諧波含量條件下，試驗電源的輸出電壓存在下限值。依據文獻[14-15]的要求，空載試驗時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，空載試驗時的機械損耗會偏大，鐵耗會相應減小。

若試驗電壓低于額定電壓，異步電機試品空載和輕載時勵磁電流將減小，鐵耗降低，功率因數上升；重載時定子電流和定子銅耗增大，轉差率和轉子銅耗增大，試品效率降低，溫升增加，帶載能力下降。若試驗電壓高于額定電壓，空載和輕載時勵磁電流增加，定子電流增大，功率因數變小；重載時定子電流和定子銅耗減小，轉差率和轉子銅耗減小，試品效率略有下降，溫升略有增加。

若試驗電壓幅值不對稱，將導致試品的空載電流、堵轉電流和轉子開路電壓不平衡，引起額外的轉子銅耗、鐵耗和雜散損耗，試品效率降低，溫升增加。因負序阻抗較小，負序電流較大，試品銅耗也會增加，效率降低，溫升增加。負序轉矩為制動轉矩，降低試品的最大轉矩和過載能力，試品輸出功率減小。

2試驗

某套礦用低壓電機型式試驗系統的變頻靜止電源，采用三電平+載波移相技術和共直流母線結構，標稱的參數指標如下: 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。試驗系統具備的功能是: 空載試驗、負載試驗、并聯模式下堵轉試驗、直接負載法和疊頻法熱試驗、B法實測雜散損耗、滿壓法和降壓法實測最大最小轉矩，以及變頻電機的特殊試驗，如5Hz直接法熱試驗等。選用YB2-355L2-4全封閉風冷、單籠型轉子電機試品完成該電源的考核試驗，其中，試品額定電壓660V，額定電流321A，額定頻率50Hz，額定功率315kW。利用經過校準的成套功率分析儀測試數據。

2.1電能質量分析

采取投入或切除試驗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的供電。例如，堵轉、空載和負載試驗的電能質量測試曲線如圖1～圖4所示，其中，HVF為諧波電壓因數，PSCi為電流正序分量，NSCi為電流負序分量，PSCu為電壓正序分量，NSCu為電壓負序分量。

圖1　堵轉試驗時電源品質曲線

圖2　空載試驗時電源品質曲線

圖3　負載試驗時電源品質曲線

由圖1可見，當投入濾波器時，隨著堵轉電流的減小，HVF逐漸增大，在160A時達到最大值0.016；NSCi的總趨勢是隨堵轉電流的減小而減小。當切除濾波器時，HVF和NSCi波動較大，HVF在181A時達到最大值0.0217。與切除濾波器相比，投入濾波器后HVF明顯減小，但對NSCi影響不大。投/切濾波器時HVF的平均值分別為0.0043、0.0132，標準差分別為0.0035、0.0040；NSCi的平均值分別為1.6143、1.7382，標準差為0.2807、0.4203。

由圖2可見，當投入濾波器時，隨著電壓的減小，HVF逐漸增大，在130V時達到最大值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)間來設計的。當切除濾波器時，HVF和NSCu的總趨勢是隨著電壓降低而增大；NSCu較投入濾波器時顯著增大。投/切濾波器時HVF的平均值分別為0.0144、0.0298，標準差分別為0.0061、0.0098；NSCu的平均值分別為0.1566、1.9805，標準差分別為0.0664、1.4431。

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

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

2.2型式試驗

不同HVF條件下的型式試驗結果如表1所示。由表1可知: 受基波和諧波轉矩共同疊加的影響，HVF增大時對堵轉電流及堵轉轉矩影響很大。HVF增大時，鐵耗、轉子銅耗和雜散損耗增加較多，機械損耗和定子銅耗基本無變化，試品效率下降。因多項損耗增加，導致溫升也增加。由高次諧波電壓產生的電流幾乎均為感性無功電流，相當于增加了定、轉子漏抗，功率因數和最大轉矩下降[16]，但影響不大。

表1　不同HVF條件下的試驗結果

該試驗電源的考核結果及其分析如下:

(1) 固定載波頻率、濾波器開起時，堵轉試驗在低于0.2倍試品額定電壓時的HVF>0.02，空載試驗在低于0.27倍試品額定電壓時的HVF大于0.02，負載試驗在低于0.4倍試品額定電流時的HVF>0.02；輸出50Hz或60Hz和額定電壓時，HVF均能<0.015。滿足電機試驗標準要求。

(2) 投入濾波器后，堵轉試驗時輸出的三相電壓負序分量為正序分量的0.32%，空載試驗時為0.05%，負載試驗時為0.04%，滿足電機試驗的要求。在上述試驗過程中，輸出頻率最大偏移為0.004Hz，頻率最大誤差為-0.008%，滿足電機試驗標準要求。

(3) 對試驗電源HVF影響最大的參數是輸出電壓，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，頻率變化對HVF的影響很小。其中，試驗電源在低電壓區(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，當電壓降低時，調制信號幅值與載波信號幅值之比減小，矩形脈沖波幅值大于信號波對應區(qū)間幅值，同時寬度變窄，高次諧波增大，HVF相應增加[17]。

(4) 從圖1～圖3可見，負序分量在堵轉試驗時最大，負載試驗時次之，空載試驗時最小，原因是電機定轉子的三相漏阻抗值受定轉子相對位置、氣隙均勻程度、轉子結構的影響，堵轉試驗時轉子靜止且試驗電流較大，較空載和負載試驗時受到的影響更大，且試品功率與試驗電源容量接近，導致電源對稱性變差。

綜上所述，該變頻靜止試驗電源基本滿足電機試驗標準的電能質量要求，可作為工頻電機、變頻電機型式試驗電源。不足之處是: 在HVF滿足標準要求的條件下，輸出電壓下限偏高、負載試驗電流下限偏高，對部分試品的空載、堵轉和負載試驗結果有一定影響，其綜合性能為中等。

3高壓變頻靜止試驗電源要求

建設中的礦用高壓變頻電傳動試驗系統的變頻靜止電源，通過分時復用，既可驅動機組試驗電源的拖動電機，也可為電機(含變頻電機)試品提供被試電源和陪試電源。變頻靜止試驗電源的諧波、電壓和頻率等參數指標需滿足試品不同試驗要求，提出如下的評估參數及其指標：

(1) 頻率范圍5～100Hz，精度≤±0.3%，動態(tài)穩(wěn)定精度<0.1%/s?；鶞暑l率50/60Hz。其中，頻率25～72Hz時，HVF≤0.03(N設計電機試品)或HVF≤0.02(其他電機試品)；定頻電機試品熱試驗和驅動發(fā)電機組時，HVF≤0.015。其他頻率范圍時，HVF≤0.05。(2) 輸出電壓在0.12～1.3倍試品額定電壓范圍內連續(xù)可調，HVF≤0.03(N設計電機試品)或HVF≤0.02(其他電機試品)。(3) 負序分量小于正序分量的0.5%。(4) 轉矩控制精度≤1%。極低頻率≤10Hz時，轉矩脈動≤±1%。(5) 電壓波動范圍≤±0.2%。(6) 載波頻率2～4kHz[18]可調。

4結語

變頻靜止試驗電源輸出的電壓、頻率和諧波等關鍵參數指標及其變化范圍，以及試驗過程中產生的復合作用將影響測試數據和試驗結果。在借鑒礦用低壓電機變頻靜止試驗電源實測參數及其不足的基礎上，依據試驗標準和建設項目實際需求，提出一種考核礦用高壓變頻靜止試驗電源的參數集，也適用于地面類似變頻靜止電源的設計、制造及型式試驗系統的評價。

【參 考 文 獻】

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