大功率压气机试验器动力装置选型设计

何　萍，杨　洲，周　燊，粟海涛，刘海华

（中国航空动力机械研究所，湖南株洲 412002）

大功率压气机试验器动力装置选型设计

何萍，杨洲，周燊，粟海涛，刘海华

（中国航空动力机械研究所，湖南株洲 412002）

本文简单介绍了压气机试验器动力装置的几种类型及其特点，重点介绍了ACS5000变频调速系统作为某大功率压气机试验器动力装置的典型应用，包括ACS5000变频调速系统设备选型、安全可靠性设计、抗干扰措施设计，为ACS5000变频调速系统在其它同类型应用中提供了参考和借鉴作用。

大功率压气机试验器；动力装置；ACS5000变频调速系统

0　引言

压气机试验器可使用气动涡轮、航空发动机、调速电机作为动力装置，气动涡轮不常用，航空发动机、调速电机使用较多。早期的压气机试验都使用航空发动机提供动力，其使用方便灵活、机动性好、输出转速高，缺点是需配备一台换向器来实现试验器的双向功能，尾气和噪声污染严重，并且转速波动较大，这对于获取压气机的等转速特性曲线以及捕捉喘振点非常不利，在高转速逼喘试验时存在试验件超转的风险，发动机慢车转速即为试验器的最低工作转速，使一些压气机的低转速性能数据无法录取，设备维护保养工作量大，随着设备的老化和备件供应困难，设备的完好率越来越低。

电机调速分为直流、交流调速，直流调速技术成熟，转速精度高，但结构复杂，需定期维护保养，功率较大的直流电机其输出转速低，直流调速电机不能满足大功率压气机试验器的功率要求；随着电力电子技术以及电子计算技术的高速发展，变频调速技术日益完善，特别是大功率整流、逆变器件的使用，变频调速优势越来越明显：变频器的功率增大，可满足大功率拖动系统的要求，调速范围广，转速精度高，可与直流调速媲美，结构简单，可靠性高，易于操作和维护，方便实现正反转，提高了试验效率和试验可信度。本文详细介绍了ACS5000变频调速系统在某大功率压气机试验器的应用。

1　大功率压气机试验器动力装置主要技术指标

根据压气机试验器的总体指标确定动力装置的主要技术指标：

（1）额定转速：1500r/min；最高转速： 1800r/min；

（2）调速：（100～1800）r/min连续可调；

（3）最大负载功率： 8000kW；

（4）系统功率因数：＞0.96（20%～100%电机额定负载）；

（5）系统总效率：＞0.94（电机额定负载）

（6）转速精度：电机转速在（100～1800）r/min范围内，转速稳态精度为±0.05%F.S；

（7）动态性能：在0.1秒内，负载转矩变化±17%时，转速超调量小于±0.2%F.S，稳定时间小于1秒；

（8）任一转速下，电机无共振区；

（9）变频调速系统具有完善的保护功能；

（10）变频器输入、输出侧各次谐波电压、电流均满足国际电工学会IEEE519-1992标准，对电机的影响符合NEMA标准中的MGI-1993要求。

2　压气机试验器电机拖动原理

压气机试验器电机拖动原理见图1，电机通过叠片联轴器、增速器对压气机进行拖动。上位机操纵系统、电气控制系统通过Industrial Ethernet 和PROFIBUS-DP通讯对动力装置进行控制，变频器通过转速闭环控制来改变电机的供电频率而实现拖动系统的精确调速。

图1　压气机试验器电机拖动原理图

3　变频调速系统设备选型

压气机试验器的T-n曲线见图2。首先根据技术指标和负载的T-n曲线选择电机，然后选择变频器及其配套设备。经过调研和国际招标，变频调速动力装置由AMB 710L4L BSFM电机、ACS 5066_36L123_1a123_W2a变频器、ZS1铠装式金属封闭高压开关柜、ZTSFG-9870/10整流变压器等组成。

3.1电机选型设计

试验器需满足多型号的压气机试验，功率大小相近的压气机，由于工作点不同，其T-n曲线也不同，为了满足额定转速低，额定功率较大的压气机试验，电机选用AMB 710L4L BSFM恒转矩电机，使调速系统具有额定转速以下恒转矩调速，额定转速以上恒功率调速的特点。

电机因功率大，转子达5000 kg，选用空水冷却、强迫润滑电机，主要技术参数：额定功率：8000 kW；额定转速：1493 r/ min；最高转速：1800 r/min；最大转矩倍数：2.3；效率（100%负载）：97.6%；功率因数（100%负载）：0.905。

3.2变频器选型设计

变频器不仅是满足试验器技术性能指标的关键设备，而且是试验器的主要电磁干扰源，合理选型和配置至关重要，通过调研及国际招标，选用ABB公司生产的ACS5000系列水冷变频器，它为36脉波整流五电平输出的电压源型变频器，具有合理的拓扑结构（见图3），优越的器件性能，先进的直接转矩控制（DTC）技术，对电网和电机都友好，能提供精确的速度和转矩控制。根据电机的额定功率确定变频器型号为ACS 5066_36L123_1a123_W2a，其主要技术参数为：额定输出功率9881kVA，输出频率范围（0 ～75 ）Hz （正/反转），控制精度为额定转速的 0.01%，，转矩阶跃响应时间＜ 3.5 ms，总体输入功率因数＞0.96（20% ～100% 负载），额定负载下的效率为98.6%，转矩脉动＜ 2%，能满足电机和压气机试验器负载要求。

3.3高压开关柜选型设计

ACS5000变频器通过控制高压开关柜的分闸来保护试验件和试验设备，因此高压开关柜可靠工作至关重要。大功率变频调速系统采用ZS1铠装式金属封闭开关设备，根据负载功率确定主母线电流为1250A，输入电源电压10kV±10%。高压开关柜的合闸时间为（55～67）ms，分闸时间为（33～45）ms，燃弧时间≤15ms，能满足变频器的合闸/分闸要求。

3.4整流变压器选型设计

整流变压器需为变频器提供适配的主电源电压，并提供足够的阻抗以限制电网侧的谐波，能承受系统过电压和变频器产生的共模电压以及谐波的影响。变频调速系统功率大，为了减小变压器体积以及便于维护保养，采用36脉波干式变压器，型号为ZTSFG-9870/10，高压绕组额定电压10000V±4×2.5%，额定容量9870kVA；阻抗电压8.0%，H级绝缘。

4　安全可靠性设计

动力装置需安全可靠运行，其配套设备本身的可靠性、配置及功能起决定作用，电气监控系统的连锁控制也至关重要。

（1）高压开关柜、变频器、电机、整流变压器的防护等级高，分别为IP41、IP32、IP55、IP20，并且高压开关柜、变频器、电机都具有CE认证，符合EMC标准，设备本身可靠性高；

（2）变频器整流部分采用大功率二极管器件，主电路保护和逆变输出部分采用IGCT功率半导体器件，器件数量少，性能更优越，使变频器更加高效、可靠；直流回路采用自愈式电容器，提高了可靠性；配有冗余冷却水泵、漏水传感器、水温/水压/电导率显示和保护装置，使设备运行更安全；配置接地故障检测装置，柜门具有机械电气联锁装置，确保人身安全；

图2　变频器、电机、负载的T-n曲线

（3）电机配置了漏水检测装置，在电机的定子绕组、驱动端/非驱动端轴承、冷空气/热空气回路、冷却水进口和出口处都安装了Pt100测温电阻，可在远程监视电机运行状况，确保电机运行安全；

（4）整流变压器配置电流互感器、绕组温度传感器、电流继电保护装置、温度控制器、冷却风扇等。通过温度控制器实现绕组温度的显示、控制、报警、故障保护功能，并输出（4-20）mA温度信号以便远程监视绕组温度；

（5）高压开关柜配置VD4型断路器和SPAJ 140C微机保护装置，并配有接地开关、避雷器以及带电显示装置等附件，具有“五防”功能，确保设备和人身的安全；

（6）为防止受潮，高压开关柜、变频器、电机配置加热器，工作更可靠；

（7）动力装置的保护功能

a） 高压开关柜具有过流和速断保护功能，并具有跳闸、内部故障、空气开关跳闸指示；

b）整流变压器具有失电报警、超温报警/跳闸、温控故障、底部/顶部风机故障、继电装置过流保护、变压器间风机工作异常报警功能；

c）变频器及电机具有超速、超扭、过流、过压、欠压、过载、短路、电源缺相、电机缺相、堵转、电机定子超温、电机轴承超温、接地故障及漏电保护、输出频率、系统内部故障、冷却水故障、凝露报警、外部连锁故障、紧急停机等可靠保护功能。

（8）电气监控系统以西门子SIMATIC S7-300 PLC

为核心，采用PROFIBUS-DP现场总线和Industrial Ethernet 以太网通讯控制，以西门子WinCC为可视化监控软件，实现设备集中显示、监控和关联，监控对象主要包括高压开关柜、整流变压器、变频器、电机、辅助设备的状态和参数，参数超限后自动保护或报警。具有高精度、高动态特性、低故障、可视化控制、抗干扰能力强的特点，确保试验件和设备的安全。

5　抗干扰措施设计

动力装置属高电压、大电流设备，它们以传导、辐射、电感/电容感应耦合的形式影响电网及邻近的弱电系统，因此它的电磁干扰是客观存在的，在设备选型/配置方面采取的主要抗干扰措施：

（1）整流变压器提供8%的阻抗以限制电网侧的谐波，变频器选用36脉波整流输入5电平输出的电压源型变频器，并配置输出滤波器，输入侧35次以下的谐波自动抵消，输出侧du/dt的影响大大削弱，可降低漏电流、高频辐射和电机的轴承电流，从源头上减少电磁干扰；

（2）配置的设备都具有CE认证，符合EMC标准，防护等级高，并且变频器的表面进行带涂层的防腐处理，可减少设备的电磁辐射；

（3）变频器和电机配置了专用空气绝缘接线盒，并带Roxtec电缆过度装置，用于动力电缆接入，能有效减少动力电缆对其它设备的电磁干扰；

（4）采用H级绝缘的整流变压器和电机，增强设备承受共模电压能力，并增大电机承受du/dt能力；

（5）为防止轴电流，驱动端/非驱动端配置绝缘轴承，并且驱动端绝缘轴承通过碳刷及接地电缆可靠接地。

6　结束语

动力装置自2009年调试运行后，工作正常；谐波干扰小，试验器各系统都能稳定可靠工作。动力装置选型和配置合理，安全保护措施完善，转速精度优于0.05%，具有功率大、转速稳态精度高、动态性能好、功率因数/效率高的特点，完全满足大功率压气机试验器对动力的要求。

［1］ ACS5000变频器用户手册［R］.ABB.

［2］ 感应电机及发电机手册［R］.ABB.

［3］ MB560-710三相感应电机安装维护手册［R］.ABB.

Type Selection Design of Power Unit for High-power Compressor Test Rig

He Ping，Yang Zhou，Zhou Sheng，Su Haitao，Liu Haihua
（China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou Hunan，412002）

This paper briefly introduces several types and characteristics of compressor test rig’s power unit and focuses on some typical applications of ACS5000 frequency control system as a compressor test rig’s power unit， which include the selection of ACS5000 frequency control system， design of safe reliability and anti-interference measures，it provides a reference for ACS5000 frequency control system in other similar types of applications.

high-power compressor test rig；power unit；ACS5000 frequency control system

图3　ACS5000变频器拓扑图