三相四桥臂变频电源在电机叠频试验中的应用

江守和，王 彬，李向男， 满忠雷， 刘慧璋

(山东出入境检验检疫局，山东青岛266002)

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地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 通用变频器在叠频试验中的应用

变频电源硬件原理与常规三相变频电源基本一致，如图1所示。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。

叠频电压计算：

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，需要不断地人工调整主、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。

图2为380 V/5.5 kW变频电源带动一台380 V/5.5 kW异步电机进行叠频试验，实测的定子电流波形，设置f1=50 Hz，f2=45 Hz，U2/U1=0.18。

从图2可以看出，定子电流存在5 Hz左右的周期性震荡。首先，会引起母线电压较大波动，母线电容承受的纹波电流增大，影响电容寿命。因此需要增大电容容量，或者使用特殊的金膜电容，增加了设备成本。其次，电机速度波动大，仍然存在再生能量。为了消耗这部分能量，通常的做法是采用电阻箱等阻性负载消耗掉，这又导致电能的浪费。如果在前端增加AFE能量回馈，虽然可以达到节能和避免母线电压波动的效果，但是会导致设备成本的急剧增加，以国产200 kW整流系统为例，包括PFC电感在内，设备投入至少在7万以上。对于电机的变频测试系统来说，其它测试项并不需要该单元。

2 三相四桥臂变频电源叠频方案

传统的三相三桥臂逆变器，只能控制线电压输出，无法独立控制相电压，因此无法输出零序分量。通过在主回路拓扑上再增加一个桥臂，构成四桥臂逆变器，三相四桥臂逆变器主回路拓扑如图3所示[1]。

三相四桥臂逆变器，主要用于给三相不对称负载供电的UPS、中频变频器和航空机载变速恒频发电系统。它是近两年才出现的一种新型逆变器。通过第四个桥臂，形成一个中性点，避免了Δ/Y输出变压器或中性点形成变压器(Neutral Formed Transformer，简称 NFT）。

在电机叠频测试时，电机必须为星形连接。逆变器ABC三相输出端接电机的UVW端子；输出端N与星形接法电机的公共端子连接。主要是利用其可以独立控制三相输出电压的特性，在相电压中叠加低频或直流的零序电压分量。

三相四桥臂逆变器作为电源使用时，必须保证三相输出为正弦波，没有考虑直流电压输出。因此需要改变发波和控制方式。输出电压计算方式为：

U1和f是电机的额定电压和频率。叠频时，只需调节U2，使线电流达到电机额定电流。

由上式可见，输出电压计算方式更为简化，但是PWM发波控制逻辑变得复杂[2]。

3 试验结果

实验电机功率15 kW，定子电阻0.27 Ω，叠加的直流电压4.1 V，产生15.9 A直流电流。通过叠加直流电压，使线电流达到32 A，也就是电机额定电流，如图4所示。由于电机运行在50 Hz，转子速度跟直流电流产生的磁场的转差较大，产生的是50 Hz的脉动转矩，其幅值较小，对母线电压影响小，电机转速波动小。

需要注意的是：虽然定子电流达到额定值，但是叠加的直流分量，并不能使转子电流达到额定值，因此转子铜耗小，需要对热实验结果进行一定的折算。

4 结束语

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。而使用三相四桥臂变频电源，可以有效解决普通变频电源叠频方案中母线电压波动大以及能源浪费等问题，降低了设备投入，达到节能效果。

[1]牛志军.三相四桥臂逆变器的研究[J].电力机车与城规车辆，2008，31（4）：7.

[2]刘凤君.三相四桥臂逆变器空间相量调制技术[J].电源技术应用，2002，5(10)：32-35.