變頻電源在異步電機疊頻法溫升試驗中的應用

　　0 引言

　　異步電機的溫升試驗分為直接負載法和等效負載法。隨著異步電機容量的提高和型式的增多，受試驗設備容量和型式的限制，越來越多的異步電機產品無法進行直接負載法溫升試驗。而等效負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。傳統的疊頻法采用兩套發電機組構成主副機組，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，通過調節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。傳統的疊頻法設備復雜，準備及維護周期長，調節量多且不穩定，測試參數讀取困難，嚴重制約了疊頻法的推廣使用。隨著現代電力電子及其相關技術的發展，采用靜止式變頻電源可以很容易的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 傳統疊頻法的原理和方法

　　傳統疊頻法試驗原理如圖1所示。主電源由主同步發電機TF1 提供，TF1 由共軸連接的直流機D1 拖動，改變D1的轉速或TF1的勵磁即可改變主電源的頻率或電壓;TF2是輔助電源同步發電機，與直流拖動機D2共軸連接，改變D2的轉速或TF2的勵磁即可改變輔助電源的頻率或電壓，其頻率一般低于主頻率幾Hz到10 Hz左右。通過疊頻變壓器B將兩組電源疊加后供給被試電機。

　　試驗時，TF1及TF2的相序必須一致，被試電機由TF1供電啟動。將TF1調整到相當于額定頻率的轉速，并將TF1勵磁調節到使其端電壓約為被試電機的額定電壓，再在TF2未加勵磁的情況下，用D2 拖動TF2，將其轉速調到相當于輔助頻率的轉速。增大TF2的勵磁電流時，被試電機的電流隨之增大，同時調節TF1及TF2的勵磁電流，就可以將被試電機調節到在額定

　　電壓和額定電流下運轉，從而進行溫升試驗。此時輔助電源的電壓U2相對主電源電壓U1來說是較低的，約為10%～30%。

　　被試電機氣隙中的合成磁場椎如圖2所示［1］。兩個不同頻率電源產生的旋轉磁場椎1及椎2，分別以棕1及棕2 的角速度在氣隙中旋轉，氣隙中的合成磁場椎則是這兩個磁場的疊加。合成磁場椎的幅值及角速度棕均隨時間的變化而變化。

　　并周期性地加速與減速。因此，在氣隙磁場轉速變化的一個周期內，轉子轉速時而低于旋轉磁場轉速作電動機運行，從電網吸取能量;轉子轉速時而高于旋轉

　　磁場轉速，作為發電機運行，向電網回饋能量。當TF2所發電電壓U2增大時氣隙磁場轉速的變化幅度也增大，故磁場與轉子間的相對轉速增大，于是被試電機

　　中的電流也就可以隨之增大。

　　2 利用專用變頻電源完成疊頻試驗

　　從上一節可以看出，傳統的疊頻試驗方法所占用的設備復雜龐大，調整繁瑣，自動化程度不高，大大制約了疊頻法的推廣。現在隨著電力電子及其相關技術的發展，完全可以設計出專用的變頻電源來完成疊頻試驗。

　　專用變頻電源硬件原理與常規三相變頻電源基本一致，如圖3所示。

　　圖3中，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電工況下不斷轉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。

　　專用變頻電源與常規變頻電源的主要區別就在其控制軟件不同。實驗時，專用變頻電源采用TI公司DSP2812為控制核心，從而使得疊頻波形的產生變得簡單易行，只須根據合成磁場椎的要求，直接輸出對應電壓調制波形即可。

　　疊頻電壓

　　疊頻試驗時，只須直接設定U1、U2、f1、f2，即可得到需要的輸出電壓和電流。傳統疊頻法試驗時，需要不斷的人工調整主、幅電源的電壓和頻率才能將定子電壓及電流調整到電機額定電壓及額定電流，穩定性和精確性都很差。采用專用變頻電源后，將調整方法簡化為直接設定電壓與電流。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，當電流幅度達到額定電流后，自動保持輸出為額定值。

　　3 試驗結果

　　圖4 為我們用自制的380 V/500 kV·A 電機試驗用變頻電源帶動一臺380 V/100 kW異步電機進行疊頻試驗實測的定子電壓電流波形，設置f1=50 Hz，f2=40 Hz，U2/U1=0.18。

　　從圖4可以看出，輸出電壓波形與主電源電壓十分接近，輸出電流波形振蕩頻率為10 Hz。

　　4 結語

　　疊頻法是代替直接負載法完成交流異步電機溫升試驗的有效方法。而采用專用變頻電源完成疊頻法試驗，設備簡單，操作方便，可以實現試驗自動化、智能化，必將在電機試驗領域大有作為。