变频调速拖动装置测试方法研究

赵立新 帕尔哈提 葛苏鞍 杨光权 郭江川

（中国石油天然气集团公司西北油田节能监测中心）

变频调速技术由于其优良的操作性能以及显著的节电性能，在石油石化企业得到了越来越广泛的应用；但安装变频器以后，其输入和输出端都会产生谐波，设备对电网的影响以及电动机的运行状态会发生较大变化。首先，电动机的能量损耗发生变化，电动机效率的计算公式需进行相应改动，否则电动机效率测试计算值与实际值偏差较大；其次，在变频器产生谐波影响下电动机主要运行电参数以及变频调速拖动装置效率和使用效果的测试与计算需进行规范。

1 谐波及其主要参数

变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率电源的电能控制装置，在电动机调速中得到广泛应用。目前使用的变频器主要是交—直—交式通用型变频器，即先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给电动机。在变频器工作期间，其输入和输出端会产生谐波。

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。

谐波条件下的主要电参量包括基本电参量和谐波分析参量两部分。基本电参量包含电压有效值、电流有效值、系统频率、三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、功率因数。谐波分析参量包含各次谐波电压含量、各次谐波电流含量、各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率、电压谐波总畸变率、电流谐波总畸变率等。

2 变频调速拖动装置的测试

2.1 指标计算

变频调速拖动装置由变频器和交流电动机两部分组成，是通过改变输入频率、输入电压来控制和改变电动机转速的动力输出装置。

评价变频调速拖动装置的主要指标有四项，即变频调速拖动装置效率、变频器效率、电动机效率和变频调速拖动装置功率因数。

1）变频调速拖动装置效率为电动机输出有效机械功率与变频器输入基波有功功率的比值，以百分数表示。其值为变频器效率与电动机效率之乘积。

2）变频器效率为变频器输出基波有功功率与变频器输入基波有功功率的比值，以百分数表示。

3）电动机效率为电动机输出有效机械功率与电动机输入功率的比值，以百分数表示。电动机效率有两种测试方法：直接法和间接法。

间接法是指用电动机的输入功率减去电动机运行时的各项损耗功率得到电动机的输出功率，进而计算出电动机的效率。

4）变频调速拖动装置功率因数是三相有功功率除以变频调速拖动装置输入端视在功率的商。

2.2 测量设备

由于电动机调速采用了变频设备，在电网中引入了大量的谐波，而且变频器的输出电压、电流也不是标准的正弦波形。工频下和含有谐波情况下电能测试信号的处理方法有着本质的不同，那些针对标准工频正弦电压、电流设计的电能计量仪表不能准确测量变频器的有功功率、无功功率、功率因数等电能参数，其误差与测试仪器的频率特性和非线性度造成的误差有关。除此以外，谐波负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率，标准工频电能表无法测试出其谐波功率。因此，在含有谐波的电能测试场合，需要选择合适的测试仪器。

目前常见的电能测试仪器主要有日本日置公司生产的3166、3169、3197型电能测试仪，比较专业的电能质量分析仪器有日本日置公司生产的3390型功率分析仪、日本横河公司生产的WT3000型功率分析仪和美国FLUKE公司生产的Norma5000型功率分析仪。为验证不同测试仪表对测试结果的影响，在此选择节能测试中比较常用的日本日置公司生产的3169型钳式功率计与3390型功率分析仪进行对比。两种仪器的主要性能指标见表1。

2.3 实际测试结果及分析

2.3.1 变频器输入（输出）电参数的测试

2010年3月，西北节能监测中心采用3169型电能测试仪、3390型功率分析仪两种仪器对新疆油田公司供热公司银河锅炉房2#引风机的变频拖动装置进行了相关测试，获得测试数据见表2～表6。

由表2可知，3169型钳式功率计与3390型功率分析仪对变频器输入端电压、电流、功率等电参数的测试结果存在差异性。普通的电能测试仪3169型测试的电参数要小于3390型所测得的电参数值，说明普通电能测试仪无法准确测量变频器输入端的电参数。

由表3可知，3169型钳式功率计与3390型功率分析仪对变频器输出端电压、电流、有功功率等电参数的测试结果存在差异性。普通的电能测试仪3169型测试的电参数要小于3390型所测得的电参数值，但对变频器输出功率因数的测试值要大于3390型功率分析仪，变频拖动装置的功率因数测试值也大于3390型功率分析仪所得的测试值。这进一步验证了普通电能测试仪无法准确测试变频器输出端的电参数。

2.3.2 电动机空载输入功率测试

由表4的测试数据可知，将变频器的运行频率调至工频50Hz，此时3169型与3390型所得的测试结果一致，说明普通电能测试仪3169型能准确测试工频下的电参数。

表1 3169型钳式功率计与3390型功率分析仪性能对比

表2 变频器输入电参数测试数据对比

表3 变频器输出电参数测试数据对比

表4 电动机空载电参数测试数据

2.3.3 谐波测试

表5 变频器谐波测试结果

2.4 结果分析

根据表5中的测试数据，采用空载损耗实测法进行电动机效率和变频拖动装置效率的计算，结果见表6。

表6 变频调速拖动装置测试结果

续表6 变频调速拖动装置测试结果

3 结论

通过分析变频调速拖动装置的工作特点，对比不同测试仪器工作原理、性能及测试结果，明确了变频调速拖动装置主要评价指标和测算方法；同时，证明了普通电能测试仪在谐波条件下测试时，由于适应的测试频率范围较窄（一般是45～66 Hz），对谐波功率的处理方式不够完善等原因，导致测试结果存在误差。专用电能质量分析仪（如3390型功率分析仪）适应频率范围宽（0.5～1000 Hz），可以准确测试变频器输入、输出电参数。

因此，要求变频调速拖动装置各环节的效率及功率因数采用输入、输出端的基波有功功率计算，电能测试仪器应能够准确测试低频（<45Hz）条件下的各项电参数。