大功率变频电源在电机试验站系统中的应用

吴汉熙， 徐 静

(1.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063;2.上海格立特电力电子有限公司，上海 200063)

1 原有方案存在的问题

随着国民经济的增长，市场对电机质量和数量的要求越来越高，与之相应的是电机试验站的任务也越来越重。在电机出厂试验和型式试验中，传统方案中采用机组设备的缺点也日益突出。

传统的机组方案中，采用直流发电机、直流电动机、交流发电机等3～7个电机，组成庞大的负载机组系统。其存在的突出问题有:(1)设备投资大，对于中、大型电机试验而言，情况尤为突出;(2)谐波电流大，直流传动系统中，谐波电流约占基波电流的30%;(3)效率低且维护成本高，一般而言，直流电机的效率比交流电机低5%，同时直流电机的换向器需要定期维护和保养;(4)加载和调试困难，原始的办法是采用电阻负载，不仅消耗大量的电能，发热也很严重;采用直流母线实现电能回馈时，需采用弱磁等措施，手段繁琐，调试复杂。

总之，发电机组设备存在耗电量大、噪声大、体积大、精度差等缺点，已逐渐被变频电源取代［1］。

2 变频电源的硬件结构

随着电力电子技术、微处理器和控制技术的发展，以及大功率器件的应用日趋成熟，越来越多的电机试验站开始采用变频电源以取代原有的机组设备。图1为2 500 kW变频电源系统的结构原理简图。系统主要包括整流、变频、储能和放电单元等［2］。

2.1 整流单元

整流部分采用十二相整流电路，以降低输出电压纹波，消除3、5、7次谐波对电网的污染。

2.2 变频单元

8台变频单元为750 kW/660 V，其中变频器1－4给被试电机供电，其输出接至多抽头变压器，变压器为 3 150 kVA 0.66/3.15、6.3、10.5 kV，通过变频器升压可对不同额定电压的电机供电;变频器5－8为陪试电机供电，通过调节被试电机的运行频率和电压，可实现两台电机对拖方式下的加载和能量回馈。

图1 系统结构简图

对于低压小功率电机的试验，也可将变频器的输出直接接至电机端，并可选择是否通过电抗器和电源滤波输出，以实现PWM供电模式下的电机测试。

此外，用户通过按钮，可选择变频器单独运行、2-2并联、4台并联的运行方式，以满足大功率电机的测试。

2.3 储能单元和放电单元

储能单元的主要作用有:对直流电压进行滤波，保证直流侧电压的稳定;陪试机馈电到直流母线时，能够的吸收和储存。放电单元是在母线电压超出预定的危险电压时，进行放电，以保证整个系统的安全。同时，在整个系统断电时，放电单元将直流母线上电容的能量释放，以保证断电状态下操作人员的安全。

3 控制系统和参数设置

整个系统采用两套数字变频电源，变频电源的主控制板以英飞凌XE166微处理器为核心，通过CPLD电路，可对4台变频器提供PWM驱动信号。变频器采用上海格立特电力电子有限公司的VC2000系列产品。驱动信号采用光纤连接，可保证并联模式下，各变频器输出电压和相位的同步。同时，各变频器和制动单元的报警也采用光纤反馈，以保证故障状态下的及时响应［3-4］。

变频电源系统中，以电机1为例，其主要设置参数如表1所示，其他电机的设置参数与此类似。

由表1可见，数字化的变频电源系统可以达到很高的控制精度，如电压的调节精度为0.1 V，频率精度为0.01 Hz。

为保证系统的可靠性，变频电源系统提供手动和自动两种操作方式。手动操作时，通过信捷OP330设置上述参数;自动方式时，通过上位PC机进行参数设置。变频器、制动单元、信捷OP330和上位机与主控板之间采用485进行数据通信。

4 测试内容和测试结果

主要测试项目包括起动特性、空载特性、负载特性、转矩转速特性及温升试验。

(1)利用两台变频器实现交流电机的对拖负载实验。两台电机分别由两台变频器供电，在达到预定的电压和频率时，降低陪试电机的频率和电压，使得陪试电机工作在发电状态下，其回馈的电能直接馈送到直流母线上，再给被试电机供电，形成电功率的闭环。在实现电机加载的同时，大大降低电能的消耗;

(2)利用一套电源实现异步电机空载、超速、短时升高电压、异步电机堵转、叠频法温升试验等;

(3)利用两台变频器对拖，进行T/n曲线测试。

测试结果如表2所示，试验用500 kW电机的铭牌数据如表3所示。

表1 主要的设置参数

表2 500 kW电机测试数据(部分)

表3 电机铭牌数据

5 结 语

电机试验站变频电源系统的研制过程和大量试验数据表明:(1)电机试验站系统中，采用变频电源取代机组设备的方案完全可行;

(2)变频电源可根据实际情况，通过变频器并联实现系统功率的扩容，通过升压变压器可实现高压电机的测试。系统的应用和配置灵活，可满足不同功率、转速和电压的电机测试要求;

(3)数字化操作，加载、调频和调压的精度更高;

(4)通过直流母线实现电功率闭环，对交流侧的进线电网影响小;同时，额定负荷时，电网侧的进线电流只有被试(陪试)电机电流的1/6～1/3，节能效果显著。

［1］杨志强，俞建祥.交流变频器在汽车变频器电封闭试验台中的应用［J］.试验与研究，2003(3):37-40.

［2］王迎旭，杨跃龙，邱泓.电机试验站机组拖动控制系统设计与应用［J］.电力自动化设备，2004，24(4):51-53.

［3］何晓航，丁圻训.ABB变频器在3 000 kW交流电机试验台上的应用［J］.电气制造，2008(10):39-41.

［4］徐哲.变频器在电机测试平台的应用［J］.现代商贸工业，2010，22(3):321.