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1、变频电源在电机试验站系统中的应用徐静，吴汉熙 (上海电器科学研究所，上海 200063)摘要： 在电机出厂试验和型式试验中，采用大功率 IGBT 组成的变频电源取代传统 的机组设备。数字化的变频电源系统具有精度高、操作方便、多用途等优点； 同时，被试电机和陪试电机分别由不同的变频器驱动，被试和陪试部分通过变 频器的直流母线连接，实现电功率闭环，达到显著的节能效果。 关键词：变频电源 能量回馈 电机测试 Application of Variable Frequency Power Source for Motor Testing System Xu jing, Wu Han-xi Shangh
2、ai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China Abstract: In motor testing system, high-power Variable Frequency Power Source (VFPS) has replaced traditional motor-generator set gradually. VFPS has following advantages: high precision, easy to use, multi-function
3、s, etc. At the same time, VFPS can feedback electric energy through DC-Bus of the frequency converter easily, which can achieve remarkable energy-saving effect. Key words: Variable frequency power source, energy feedback, motor testing system1 1 原有方案存在的问题原有方案存在的问题 随着国民经济的快速增长，市场对电机质量和数量的要求越来越高，与之 相应
4、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 37 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
5、 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 逐渐被变频电源所取代1。2 2 变频电源的硬件结构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。 2010 年上海电器科学研究所研制和开发了 2500kW 电机试验站变频电源系统， 其结构原理简图如图 1 所示。系统主要包括整流、变频、储能和放电单元等主 要部分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) 变频单元 8 台变频单元为
6、 750kW/ 660V，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 3150kVA 0.66/3.15、6.3、10.5kV，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。 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。 3)储能单元和放电单元 储能单元的主要作用
7、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。图 1 系统结构简图 3 3 控制系统和参数设置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
8、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，其主要设置参数所表 1 所示，其他电机 的设置参数与此类似。功能码功能码名称名称设定范围设定范围最小单位最小单位出厂值出厂值说明说明滤波滤波滤波滤波滤波滤波滤波滤波+ -多抽头变压器1M2M3M4M电源进线被试机 380/660V被试机 1.14/3/6/ 10kV高压陪试机 10kV低压陪试机 380/660VU1U2U3U4U5U6U7U8储能 单元放电 单元1000V DC整流变频单元1-4变频单元5-8F00测试模式0-2100：不并联 1：2 并联
9、 2：全并联F01电机 1 最大频率5.00-150.000.01Hz60.00F02电机 1 基本频率5.00-150.000.01Hz50.00F03电机 1 上限频率5.00-150.000.01Hz50.00F04电机 1 下限频率5.00-150.000.01Hz5.00F05电机 1 停机方式0-1100：减速停车 1：自由停车F06电机 1 基本电压0-500.00.1V380.0F07电机 1 加速时间0.1-3600.00. 1S20.0F08电机 1 减速时间0.1-3600.00.1S20.0F09电机 1 电压加速时间1-200V/S1100F10电机 1 电压减速时间
10、1-200V/S1100F11电机 1 运行方式选择0-1100：正常 1：选择叠频功能F12电机 1 正反转0-1100：正转 1：反转F13电机 1 全频全压启动0-1100：正常 1：全频降压启动 2：全频全压启动F14电机 1 叠频频率5.00-150.000.01Hz50.00F15电机 1 叠频电压0-500.000.01V0F16电机 1 载波频率1.0-10.0KHz0.12.0F17电机 1V/F 解开0-111 表 1 主要的设置参数 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 0.1V，频率精度为 0.01Hz。 为保证系统的可靠性，
11、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 数据通讯。图 2 为信捷 OP330 手操板，图 3 为手操板上变频器 1、2、3、4 电 压/频率的设定值和运行值显示画面。图 2 信捷 OP330 手操板 图 3 电压/频率的设定值和运行值 4 4 测试内容和测试结果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，以及温升试验。 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
12、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 曲线的测试。 表 2 为一台 500kW 电机的铭牌数据，其测试结果如表 3 所示。电机型号:YKK500-4电机编号:YKK500-4-20101227-003额定电压:10000 V电机接法:Y额定电流:38.5 A工作方式:S1额定功率:560kW绝
13、缘等级:F额定转速: 1490r/min防护等级:IP55电机频率: 50Hz 生产单位:表 2 电机铭牌数据技 术 要 求电 气 性 能标准限值试 验 值结 果冷态电阻()2.7293额定空载电流 (A)11.93额定空载功率 W24883.00机械耗W11253.00铁耗W12948.00三相空载电流不平衡量(%)1.29额定转矩(Nm)3588.90满载输入功率W 603800满载电流(A)39.90满载功率因数(%)0.8728满载转差率(%)0.570定子绕组损耗W7842转子绕组损耗 W3323杂散耗W8434效率(100%)(%)92.74效率(75%)(%)92.24定子绕组温
14、升(K)42.00定子绕组电阻 (75.7 )()3.2837热态绝缘电阻(M)0轴承温度()42.0表 3 500kW/电机测试数据(部分)5 5 结论结论 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 1/61/3，节 能效果显著。 参考文献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 3000kW 交流电机试验台上的应用J.电气制造,2008,104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)第一作者：徐静 工作单位：上海格立特电力电子有限公司 通信地址：上海市武宁路 505 号 联系电话：13817353715 电子邮箱：
