变频电源在异步电机叠频法温升试验中的应用

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[导读] 异步电机的温升试验分为直接负载法和等效负载法
0 引言


　　异步电机的温升试验分为直接负载法和等效负载法。随着异步电机容量的提高和型式的增多，受试验设备容量和型式的限制，越来越多的异步电机产品无法进行直接负载法温升试验。而等效负载法中最常用的就是叠频法。用叠频法做异步电机温升试验时不需要进行机械连接，所以该法特别适用于立式异步电动机（难以对偶或无合适的拖动电机）、超设备容量的异步电机及低速异步电机而又没有合适陪试电机的温升试验。对于普通的异步电机，叠频法温升试验则可以减少对组装配的时间及减少试验时的能源消耗。传统的叠频法采用两套发电机组构成主副机组，将两套机组的输出叠加后供给被试电机。主机组工作在额定电压和频率下，通过调节副机组的电压和频率使被试电机工作在额定电流下，从而考核温升。传统的叠频法设备复杂，准备及维护周期长，调节量多且不稳定，测试参数读取困难，严重制约了叠频法的推广使用。随着现代电力电子及其相关技术的发展，采用静止式变频电源可以很容易的输出各种频率和幅值的正弦波甚至是几个正弦波的叠加，所以完全可以采用变频电源完成异步电机叠频法温升试验。


　　1 传统叠频法的原理和方法


　　传统叠频法试验原理如图1所示。主电源由主同步发电机TF1 提供，TF1 由共轴连接的直流机D1 拖动，改变D1的转速或TF1的励磁即可改变主电源的频率或电压;TF2是辅助电源同步发电机，与直流拖动机D2共轴连接，改变D2的转速或TF2的励磁即可改变辅助电源的频率或电压，其频率一般低于主频率几Hz到10 Hz左右。通过叠频变压器B将两组电源叠加后供给被试电机。


　　变频电源在异步电机叠频法温升试验中的应用


　　试验时，TF1及TF2的相序必须一致，被试电机由TF1供电启动。将TF1调整到相当于额定频率的转速，并将TF1励磁调节到使其端电压约为被试电机的额定电压，再在TF2未加励磁的情况下，用D2 拖动TF2，将其转速调到相当于辅助频率的转速。增大TF2的励磁电流时，被试电机的电流随之增大，同时调节TF1及TF2的励磁电流，就可以将被试电机调节到在额定


　　电压和额定电流下运转，从而进行温升试验。此时辅助电源的电压U2相对主电源电压U1来说是较低的，约为10%～30%。


　　被试电机气隙中的合成磁场椎如图2所示［1］。两个不同频率电源产生的旋转磁场椎1及椎2，分别以棕1及棕2 的角速度在气隙中旋转，气隙中的合成磁场椎则是这两个磁场的叠加。合成磁场椎的幅值及角速度棕均随时间的变化而变化。


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　　并周期性地加速与减速。因此，在气隙磁场转速变化的一个周期内，转子转速时而低于旋转磁场转速作电动机运行，从电网吸取能量;转子转速时而高于旋转


　　磁场转速，作为发电机运行，向电网回馈能量。当TF2所发电电压U2增大时气隙磁场转速的变化幅度也增大，故磁场与转子间的相对转速增大，于是被试电机


　　中的电流也就可以随之增大。


　　2 利用专用变频电源完成叠频试验


　　从上一节可以看出，传统的叠频试验方法所占用的设备复杂庞大，调整繁琐，自动化程度不高，大大制约了叠频法的推广。现在随着电力电子及其相关技术的发展，完全可以设计出专用的变频电源来完成叠频试验。


　　专用变频电源硬件原理与常规三相变频电源基本一致，如图3所示。


　　图3中，为了满足电机试验要求，配置了由TF、DF和制动电阻组成的制动单元。为了减小谐波对电机温升的影响，配置了输出正弦波滤波器。由于叠频试验时，被试电机在电动和发电工况下不断转换造成了直流母线电压的波动，所以直流母线的支撑电容C的容量要比常规变频电源的电容容量大，其具体容量由被试电机的容量和直流母线的允许波动范围决定。


　　专用变频电源与常规变频电源的主要区别就在其控制软件不同。实验时，专用变频电源采用TI公司DSP2812为控制核心，从而使得叠频波形的产生变得简单易行，只须根据合成磁场椎的要求，直接输出对应电压调制波形即可。


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　　叠频电压


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　　叠频试验时，只须直接设定U1、U2、f1、f2，即可得到需要的输出电压和电流。传统叠频法试验时，需要不断的人工调整主、幅电源的电压和频率才能将定子电压及电流调整到电机额定电压及额定电流，稳定性和精确性都很差。采用专用变频电源后，将调整方法简化为直接设定电压与电流。变频电源首先输出主频率和主电压，此时电流为空载电流，然后逐步加大辅助电源幅度，同时自动减小主电源幅度，随时保证输出电压为额定电压，当电流幅度达到额定电流后，自动保持输出为额定值。


　　3 试验结果


　　图4 为我们用自制的380 V/500 kV·A 电机试验用变频电源带动一台380 V/100 kW异步电机进行叠频试验实测的定子电压电流波形，设置f1=50 Hz，f2=40 Hz，U2/U1=0.18。


　　从图4可以看出，输出电压波形与主电源电压十分接近，输出电流波形振荡频率为10 Hz。


　　变频电源在异步电机叠频法温升试验中的应用


　　4 结语


　　叠频法是代替直接负载法完成交流异步电机温升试验的有效方法。而采用专用变频电源完成叠频法试验，设备简单，操作方便，可以实现试验自动化、智能化，必将在电机试验领域大有作为。