变频电源进行感应电机叠频试验的分析

苏颜利，富婷

(佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯154005)

0 引言

《GB1032—2010 三相异步电动机试验方法》阐述了如何采用叠频法进行异步电机温升试验的试验方法。规定当电机容量较大或难以对组，无法使用直接负载法时，可使用等效负载法。叠频法是等效负载法的一种，由于不需要进行机械连接，故特别适用于受电机试验设备的容量和型式限制的试验场，还可有效地减少电机试验组合装配的时间并降低试验时的能耗。特别是近年来，人们使用高性能的电力电子原件如AFE 和DSP结合，制造出具备“叠频”功能的变频电源设备，该设备可生成等效负载温升试验所要求的电源“叠频”波形。从根本上解决了采用发电机组对大型电机进行叠频试验时出现的发电机匹配困难、控制负载、功耗大、占地面积大等问题。因此，用变频电源的“叠频”功能进行电机温升试验的方法得到了日渐广泛的应用，现就变频电源作叠频试验时存在的问题作如下分析。

1 叠频试验的原理

叠频试验时，电动机的定子同时由两个不同频率的电源供电，其中主电源的磁场速度为ω1，被试电机转子虽未与任何负载连接，但由于转子的转动惯量，它们不能跟随气隙磁场的变化而改变其转速，转子转速的平均值非常接近于ω1(稍低于ω1)并周期性的加速与减速，如图1 所示。

图1 叠频试验电压与磁通关系

在气隙磁场转速变化的一个周期内，一部分时间内，转子转速低于旋转磁场转速，作电动机运行，从电网吸取能量;另一部分时间内，转子的转速高于旋转磁场转速，作为发电机运行，把能量送反馈给电网，当副频电压U2增大，气隙磁场转速的变化幅度也增大。故磁场与转子间的相对转速增大，于是被试电机中的电流随之增大，因此改变U2的大小，即可调节被试电机电流的大小。

2 叠频功能变频电源的拓扑结构

变频电源可以根据试验者设定的叠频参数f1，f2，u1，u2，使用DSP 或MCU 作为运算控制器(见图2)，可以计算出叠频试验用电压的参数，将相关参数进行比较计算，得到三相逆变桥管的触发信号，用产生的六路触发脉冲，控制逆变桥管的通断生成叠频电压波形up。该波形与串联发电机组形成的叠频电压波形近似一致。由变频电源产生的叠频电压波形如图3 所示。

图2 变频电源拓扑结构图

图3 变频电源产生的叠频电压波形

3 叠频时电机损耗的分析

3.1 铜耗分析

采用变频电源进行叠频温升试验过程时，转子电流主要是由磁场震荡频率引起的，而这个频率要远大于电机工作于工频满载情况下的频率值，由于电流频率增加，使得转子导体的集肤效应损耗增大，从而导致了转子铜耗的增加。而在额定电流的情况下定子铜耗与直接负载时基本相同，因此，变频电源进行叠频温升试验时，电机铜耗将增大.

3.2 铁耗分析

铁耗由磁滞损耗和涡流损耗组成，它们是由电机铁心内的磁通密度发生改变而引起的，电机的总铁损耗为式中，PFe—总铁损耗;Ph—磁滞损耗;Pe—涡流损耗;fi—频率;Imdi—激磁电流。

转子铁耗可以用激磁电流通过一个转子旋转参考模型变换估算出来，使用公式(1)叠频试验法的转子铁耗也能被计算出来，其结果显示，这部分损耗比满载实验法还要小一些。

3.3 机械损耗分析

由于被试电机的转数接近于同步转速，高于其额定转速，使得在叠频试验时摩擦损耗和风扇损耗比满载温升试验时要略有增大。

3.4 杂散损耗

因定、转子电流的有效值基本与直接负载法时相同，故杂散损耗基本不变.

4 叠频温升试验时的注意事项

4.1 拍频频率对电机温升的影响

采用变频电源进行电机叠频试验时，双频组合导致工作频率按式(2)随时间变化

式中，f1—主电源频率Hz;f2—辅助电源(拍频)频率Hz;λ—辅助电压(拍频电压)/主电压。

4.2 直流母线电压幅值对温升试验的影响

通常，变频电源能够完成相当于70%自身容量电机的叠频温升试验，但在有的试验场所，变频电源只能完成相当于40%自身容量(或更低)电机的叠频温升试验。如稍微增加被试电机的容量，变频电源就会跳闸，使得变频电源的使用效果大打折扣。造成这一现象的主要原因是:变频电源直流母线电压的波动范围小于拍频电压的峰-峰值。如果电机容量增大，则叠频试验时拍频电压的峰-峰值就可能大于变频电源直流母线电压的波动范围，此时，变频电源就会自动跳闸保护。因此，为了扩大变频电源叠频试验的能力，建议在搭建变频电源的拓扑结构时，应根据实际需要扩大直流母线电压的波动范围，并使其能够自由调整。满足高于拍频电压的峰-峰值的需求，以此扩大变频电源的使用能力。

4.3 主电源反序对电机温升的影响

还有一种情况需要注意，就是对有的变频电源来说，当进行叠频温升试验，对比主电源正序和反序运行时的运行参数会发现，虽然在两种运行方式下电机的电流和电压相同，但电机的有功功率会有较大的差异。首先，主电源正序运行时，电机输入的有功功率近似等于电机的额定总损耗，其功率因数在0.03 ～0.05 之间。而当主电源反序运行时，电机的有功功率较正序运行时增大30%，功率因数维持在0.05 ～0.08 之间，温升试验结果较正序运行时提高40%。因此，在使用变频电源进行电机的叠频试验时，一定要注意，电机的功率因数低于0.05 时，才能获得较为准确的温升试验结果。

5 结语

叠频法是代替直接负载法完成交流异步电动机温升试验的有效方法，在GB1032 和IEEE112等电动机试验方法的标准中，都允许采用叠频法进行温升试验，而采用专用变频电源完成叠频法试验，设备简单，操作方便.可以实现试验自动化，智能化。因此，这种试验方法必将在电机试验领域获得推广。

［1］ 许实章.电机学.北京:机械工业出版社，1981.

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