变频器在异步电机叠频温升试验中的应用研究

李岩 姚旭东

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168;2.沈阳理工大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168)

0 引言

随着异步电机容量的提高和型式的增多，受到已有试验设备容量的限制，很多异步电机产品在出厂时无法按国标进行直接负载法温升试验，需要用叠频法进行异步电机温升试验。

异步电机温升试验法有直接负载法和等效负载法。等效负载法又分为叠频法和降低电压负载法。采用叠频法进行异步电动机温升试验时则不需要进行机械联接，所以该法特别适用于立式异步电动机(难以对组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。［1］

随着电力电子技术的发展，变频试验电源在电机试验行业中被逐步应用，有望彻底解决采用变频发电机组进行交交变频电机试验中的难题。用变频试验电源实现异步电机叠频温升试验，既节约能源，又简便易行，是电机试验行业的理想追求。是变流技术在电机试验领域的重大科技成果。［2，4］

1 叠频试验原理

试验时电动机的定子同时由两个不同频率的发电机电源供电，如图1所示。主发电机电源T1和辅助发电机电源T2串联后与被试电机相连。

图1 叠频试验结构图

试验时主发电机电源T1与辅助发电机电源T2的电压相序应相同，为保证相序相同可在试验时先只使用主电源T1给试验电机供电，根据电机的转速方向，再用辅助电源T2给试验电机供电，如果电机的转速方向相同则说明电压相序相同，转速方向相反则说明电压相序相反，需要调整到相序相同。主发电机电源的电压为主电压，频率为主频率，辅助发电机电源的电压为辅助电压，频率为辅助频率，主频率为额定频率，辅助电压和辅助频率是可以调整的。辅助频率通常约为额定频率的80%到120%，辅助电压是额定电压的20%到30%。

电动机首先由主电源供电给试验电机，空载运行到额定速度，然后逐步增加辅助电源的输出电压(必要时也可以调节主电压)，直到试验电机达到下列条件:电机摆动电流的有效值等于额定电流;电机摆动电压的有效值等于额定电压;电机转速等于额定转速。电机的电压、电流和转速是电机以主频率和主电压供电在空载时对应的电压、电流和转速，同时也以主频率和辅助频率的差值即差拍频率摆动。

假设主频率形成磁场为F1，逆时针方向以角速度ω1旋转，辅助频率形成的磁场为F2，逆时针方向以角速度ω2旋转，合成磁场F，逆时针方向以角速度ω旋转，主辅电源在试验电机定子的合成磁场如图2所示。

图2 定子磁场矢量图

为计算方便，忽略磁场在定子位置的初始角，不影响问题的分析，设

合成磁场为

F1和F2之间的夹角 θ=(ω1－ω2)t

经计算可求得

2 双PWM变频器实现叠频控制

传统相控整流器变频器存在功率因数低、谐波大的缺陷。随着现代电力电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展，对用绿色电器要求的不断增强，以PWM整流的能量回馈式变频器如图3所示，具有高功率因数、低谐波污染、能量双向流动、输入电流连续可调、正弦性好等优点，在交流传动领域得到了快速发展。

图3 PWM整流的能量回馈式变频器原理图

PWM整流采用IGBT替代不可控的二极管整流，构成AFE(Active Front End)有源前端整流系统，能将交流电转化为直流电，电能从直流回路传送回电网。使用AFE，电网的电流谐波THDi＜I5%，功率因数接近1。逆变器采用芬兰VACON变频器，利用变频器的NC61131－3编程平台软件，仿制出调制波，此信号为主电源频率和辅助电源频率的两个信号相叠加形成的信号。用此信号控制变频器的输出频率，使变频器输出频率符合电机叠频试验要求。

变频器通过程序设计具有恒压恒频、恒压变频、恒频变压等多种工作模式，完全符合国家对试验电源波形的要求。

逆变器正弦脉宽调制(SPWM)原理如图4所示，

图4 正弦脉宽调制调制原理

主电源选用 50Hz，380V，辅 助电源选用45Hz，76V，仿真结果合成电压如图5所示，合成频率如图6所示。电压包络线波动范围:304.5V ～455.2V。频率波动范围:49.09～51.43Hz。

在主电源选用50Hz，380V不变的情况下，辅助电源频率为45Hz不变，电压从38V，76V，152V，304V变化时，仿真合成电源。辅助电源电压为76V不变，频率从45Hz，40Hz，35Hz变化时，仿真合成电源。结果如表1所示。

表1 在不同频率和电压下的仿真结果

结论:辅助电源电压U2的大小会影响合成电源的频率变化的速度，当U2=0时，k=0，则f=f1=常数;当U2增大时，合成电源的频率变化速度随之增大。合成电源频率f变化的速度与两台发电机电压的幅值无关，仅决定于它们的频率之差。

3 电机试验台控制系统

电机试验台如图7所示，主要有LCL滤波器、AFE模块、两个INU模块、INU输出正弦波滤波器、试验电机、陪试电机、电机联轴器等设备。

AFE型号:NXA04605A0T02SGA1A2C2B4

LCL滤波器型号:Vacon LCL4605A0L011T

INU型号:NXI06505A0T0CSGA1A2B1C6B4

正弦波滤波器型号:SIN－0840－5－0－P

试验台系统完成如下控制:

(1)恒频调压:空载及短路试验用。电压0%～100%连续可调，在10% ～100%，谐波电压因数小于1.5%。

(2)叠频试验:异步电机的温升试验。

(3)恒压调频:恒定电压下，频率从3Hz～100Hz连续可调，最大320Hz。

(4)250kW变频电源能为容量≤250kW断续工作制电机做温升试验。

(5)能实现S1～S9工作制各种不同负载的型式试验。

(6)在断续式连续周期工作制(S3～S9)，给定信号为所设定转矩，为每个起动周期、恒定负载运行时间提供所需的负载转矩，控制陪试电机在零至同步转速范围工作。具有转矩控制方式，可调整转矩大小，可按不同的运行程序，自动调整电机的转矩。

图7 电机试验台电路结构框图

本试验台成功的使用变频器取代发电机对电机进行出厂测试，系统使用方便，性能稳定，节约能源。

［1］ 张国本，杨晓春.异步电机叠频法温升试验研究［J］.东方电气评论，2004，18(3):156－157.

［2］ 盛君，张敏.变频试验电源在电机试验中的应用［J］.变流技术与电力牵引，2007，(5).

［3］ 席惠，徐坤，曹大鹏，王得利，陈国呈.用变频器进行异步电机叠频法温升试验时气隙磁场的研究［J］.电机与控制应用，2009，36(9):44－45.

［4］ 杨斌，李晓庆，吴亚旗.交流异步电机叠频法温升试验的探讨［J］.电机技术，2009，(3):49－50.

［5］ 金惟伟，邱毓鸿，等.GB/T21211－2007/IEC61986:2002等效负载法和叠加试验技术间接法确定旋转电机温升.

［6］ 马维林.用定子叠频法进行温升试验时被试电机的气隙磁场、损耗及温升［J］.中小型电机，2002(1)17－18.

［7］ 施晓蓉，刘金泽.高压电机叠频温升试验方法及其数据采集研究.微电机，2008(7):73－74.