摘要

　　本文介紹了變頻異步電機試驗臺的試驗電源選型、變頻電量測試系統(tǒng)選型、試驗臺設(shè)計要點及試驗臺工作原理，重點分析了變頻異步電機試驗臺測控需要，并給出了測控系統(tǒng)配置清單。

一異步電機試驗臺的試驗?zāi)芰?/p>

　　本異步電機試驗臺建成后，可以滿足：

　　1、380V、690V、1140V、3kV、6kV、10kV三相異步電動機的型式試驗和出廠試驗；

　　2、普通異步電機，變頻異步電機，牽引異步電機的型式試驗和出廠試驗；

　　3、試驗最大容量為對拖2MVA、單機4MVA；

　　　a、380V可滿足最小7.5kW，最大2MVA電機試驗

　　　b、690V、1140V、3kV、6kV、10kV可滿足最大4MVA電機試驗

　　4、可按照下述五種方式運行：

　　　a、4個1MVA單機試驗（支持疊頻試驗）；

　　　b、2個1MVA對拖試驗；

　　　c、2個2MVA單機試驗（支持疊頻試驗）；

　　　d、1個2MVA對拖試驗；

　　　e、1個4MVA單機試驗（支持疊頻試驗）。

二異步電機試驗臺的設(shè)計依據(jù)

　　1、用戶要求

　　2、GB755-2008旋轉(zhuǎn)電機_定額和性能

　　3、GB755-2-2003旋轉(zhuǎn)電機(牽引電機除外)確定損耗

　　4、GB/T1032-2012三相異步電動機試驗方法

　　5、GB/T22670-2008變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法

　　6、GB/T25123.2-2010 電力牽引 軌道機車車輛和公路車輛用旋轉(zhuǎn)電機 第2部分：電子變流器供電的交流電動機

三異步電機試驗臺的試驗項目

　　◆ 空載試驗：（自動完成）

　　◆ 堵轉(zhuǎn)試驗：（人工輸入堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)，自動完成）

　　◆ 低頻堵轉(zhuǎn)試驗：（人工輸入堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)，自動完成）

　　◆ 負載試驗：（自動完成）

　　◆ 效率的確定 ：按照GB/T1032-2012規(guī)定的A、B、B1、E1、F1、G1、H法,共七種；（自動完成）。

　　◆ 變頻器供電電動機負載特性測定：（自動完成）

　　◆ 溫升試驗：

　　　★直接負載法：對拖法（自動完成）
　　　★等效負載法：降低電壓負載法、降低電流負載法、定子疊頻法。（自動完成）

　　◆ 最大轉(zhuǎn)矩的測定：（自動完成）

　　◆ 最小轉(zhuǎn)矩的測定：（自動完成）

　　◆ T-N曲線的測定：（自動完成）包括：正向、反向曲線。加載時，最低轉(zhuǎn)速應(yīng)＜2%Ne。

　　◆ 過轉(zhuǎn)矩試驗：（自動完成）

　　◆ 超速試驗：（自動完成）

　　◆ 耐壓試驗：(買方自備耐壓設(shè)備,人工完成，手動輸入)

　　◆ 短時升高電壓試驗：（自動完成）

　　◆ 絕緣電阻的測定：(買方自備絕緣電阻儀，人工試驗、手工輸入)

　　◆ 冷態(tài)直流電阻的測定：(買方自備直流電阻儀, 人工試驗、手工輸入)

四異步電機試驗臺的設(shè)計要點

1試驗電源選型

　　異步電機的低頻堵轉(zhuǎn)試驗、超速試驗、變頻器供電電動機負載特性測定、不同基準頻率的變頻電機試驗等需要試驗電源提供不同頻率的輸出，為降低成本，減少電源噪聲，拓寬試驗電源的頻率輸出范圍，本方案采用靜止電源——變頻電源（銀河電氣稱數(shù)字　電源）作為試驗電源。

　　試驗用的變頻電源不同于普通變頻器，主要區(qū)別如下：

　　a、可輸出標(biāo)準正弦波，電源品質(zhì)滿足GB755和GB1032要求；

　　b、電壓、頻率獨立可調(diào)，一般要求同時具備V/F模式和V/F分離模式，采用V/F模式（或矢量控制）啟動后，可轉(zhuǎn)入V/F分離模式，獨立調(diào)節(jié)電壓和頻率；

　　c、可輸出疊頻波形，且主電源和副電源的電壓、頻率可獨立設(shè)置；

　　d、要求具備較強的制動能力，滿足停機測電阻等試驗的快速制動要求，能夠抑制疊頻試驗帶來的直流母線波動；

　　e、可通過并聯(lián)/解并提高電源利用率；

　　f、其它要求。

　　注：變頻電源一般采用PWM電源輸出加正弦波濾波器的方式實現(xiàn)，正弦波濾波器會產(chǎn)生一定的壓降（一般額定電流時10%以內(nèi)），例如：690VPWM電源經(jīng)濾波器后大約只能輸出620V的正弦波電壓，不能滿足690V電機試驗的需要。因此，選擇電源時，應(yīng)考慮濾波器帶來的電壓降。

2不同電壓等級下的滿功率輸出

　　被試電機具有6種電壓等級，相同容量，不同電壓等級的電機，具有不同的額定電流，而變頻電源的最大輸出電流是固定的，與電壓等級無關(guān)。例如：690V/2MVA的變頻電源，最大輸出電流約1674A，該電源用于380V電機試驗時，最大輸出容量為1.732*380*1674≈1100,000W=1.1MVA，容量降低了近一半。

　　為了提高變頻電源的利用率，對于不同電壓等級的電機試驗，本方案在變頻電源之后加裝變壓器，對變頻電源的輸出電壓進行變換。

　　試驗站要求五種試驗配置，不同試驗配置通過變頻電源的并聯(lián)和解并實現(xiàn)：

　　試驗站共采用4臺變頻電源，每臺電源容量為1MVA，通過并聯(lián)和解并實現(xiàn)“一、試驗?zāi)芰Α币蟮奈宸N運行方式：

　　a、4個1MVA單機試驗（支持疊頻試驗）：四臺變頻電源獨立運行；

　　b、2個1MVA對拖試驗：四臺變頻電源獨立，分為兩組；

　　c、2個2MVA單機試驗（支持疊頻試驗）；四臺1MVA變頻電源兩兩并聯(lián)，變換為兩臺2MVA變頻電源，獨立控制；

　　d、1個2MVA對拖試驗；四臺1MVA變頻電源兩兩并聯(lián)，變換為兩臺2MVA變頻電源，協(xié)調(diào)控制；

　　e、1個4MVA單機試驗（支持疊頻試驗）：四臺變頻電源全部并聯(lián)，變換為一臺4MVA變頻電源。

　　由于單臺電源容量為1MVA，考慮到1MVA變頻電源中，690V電壓等級技術(shù)較成熟，性價比較高，本試驗站采用4臺690V/1MVA的變頻電源。輸出采用變壓器進行電壓變換，變壓器輸出為三繞組，通過星三角變換得到380V、690V、1140V、3kV、6kV和10kV六種電壓輸出。

　　注1：設(shè)計變壓器變比時，需考慮最高等級電壓應(yīng)為電機最高額定電壓的1.3倍，以滿足過電壓試驗的需要。其它電壓等級的電機過電壓試驗可采用高一等級的繞組輸出。

　　注2：設(shè)計變壓器變比時，輸入側(cè)需考慮正弦波濾波器帶來的電壓降。

3寬范圍內(nèi)的高精度測量

　　異步電機試驗臺的電壓等級不同、功率不同、試驗項目不同，被測電參量的范圍不同。

　　380V/7.5kW電機的空載試驗時，電流最小，約5A。

　　380V滿容量輸出（4MVA）時，電流最大，約6000A。

　　380V/7.5kW低頻堵轉(zhuǎn)試驗和變頻電機負載特性試驗時，最低電壓可達30V以下，按20V計算。

　　10kV電機的最高試驗電壓約13kV。

　　大功率電機空載的功率因數(shù)可低至0.05以下，按0.05計算。

　　變頻電機負載特性試驗要求最低頻率為3Hz或更低，額定頻率50Hz的變頻電機負載特性試驗最高試驗頻率為100Hz，考慮到不同基準頻率電機的試驗需要，測試系統(tǒng)的能夠準確測量的頻率范圍至少應(yīng)滿足3~200Hz，本方案0.1Hz~400Hz考慮。即試驗站測試系統(tǒng)要求電壓在20V~13kV范圍內(nèi)，電流在5A~3000A范圍內(nèi)，頻率在0.1Hz~400Hz范圍內(nèi)，功率因數(shù)在0.05~1范圍內(nèi)均能準確測量。

　　AnyWay變頻功率分析儀的寬范圍內(nèi)的高精度測量的特點符合異步電機試驗臺電參量測試系統(tǒng)的要求。但是，單臺功率單元——SP系列變頻功率傳感器仍不能滿足電壓、電流測量范圍的要求。為此，將試驗測試回路分為高壓和低壓兩部分，380V、690V、1140V回路作為低壓回路，3kV、6kV、10kV回路作為高壓回路，采用兩組WP4000變頻功率分析儀對試驗的電參量進行測試。此外，與變頻電源的并聯(lián)解并配合，SP系列變頻功率傳感器同樣進行并聯(lián)和解并，一方面可以減小傳感器的額定電流，降低成本，另一方面還可以利用并聯(lián)解并拓寬電流測試范圍。WP4000變頻功率分析儀及SP變頻功率傳感器配置如下：

　　a、高壓回路：SP103201C 12臺（每臺電源輸出連接3臺），WP4000變頻功率分析儀2臺

　　b、低壓回路：SP112102B 12臺（每臺電源輸出連接3臺），WP4000變頻功率分析儀2臺

　　SP系列變頻功率傳感器的技術(shù)指標(biāo)見表1，異步電機試驗臺保證精度的測試范圍見表2。

表1、SP系列變頻功率傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

項目	配置	項目
電壓測量精度	B型：0.1%rd C型：0.2%rd	幅值： 0.5%~100% UN； 基波頻率：DC，0.1Hz~400Hz
電流測量精度	B型：0.1%rd C型：0.2%rd	幅值： 1%~200% IN； 基波頻率：DC，0.1Hz~400Hz
功率測量精度	B型：0.1%rd C型：0.2%rd	電壓、電流滿量程，功率因數(shù)=1，基波頻率：45~66Hz
功率測量精度	B型：0.2%rd C型：0.5%rd	功率因數(shù)：0.2~1，基波頻率：DC，0.1~400Hz
功率測量精度	B型：0.5%rd C型：0.1%rd	功率因數(shù)：0.2~1，基波頻率：DC，0.1~400Hz
頻率測量精度	0.02%rd	0.1~1500Hz
電壓過載時間	10min	U<1.5UN
電流過載時間	3min	I<2IN
隔離電壓	2UN+1kV	50/60Hz，1min

表2、異步電機試驗臺保證精度的測試范圍

項目	高壓回路	低壓回路
最低測試電壓	75V	9V
額定最高測試電壓	10kV	1140V
短時最高測試電壓	15kV	1700V
最小測試電流	7.5A	5A*
額定最大電流（四臺并聯(lián)）	800A	4000A*
短時最大電流（四臺并聯(lián)）	1600A	8000A*

 

　　注1：SP112102B滿足讀數(shù)的0.1%的最小電流為10A，5A時精度由于0.2%，仍能滿足GB1032對電參量測量精度的最高要求。

　　注2：690V電機試驗時，最大容量為4MVA，最大輸出電流約3300A。

　　注3：690V電機短路試驗時，可用380V繞組輸出，最大輸出電流約6000A。

4前電磁兼容

　　a、異步電機試驗臺主電量測試采用WP4000變頻功率分析儀，其它輔助參量如溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、流量等測試采用DMC300分布式測控系統(tǒng)的DM系列測量子站，均為前端數(shù)字化產(chǎn)品，測量前端可承受IEC4級電磁干擾，輸出采用光纖傳輸，可以完全避免傳輸環(huán)節(jié)的損耗與干擾。適合復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度測量。

　　b、異步電機試驗臺變頻電源采用24脈整流，輸入安裝必要的電抗器等濾波裝置，可將電網(wǎng)測電流波形畸變率控制在4%以內(nèi)，符合公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準。

　　c、異步電機試驗臺變頻器等設(shè)備的通訊均采用RS485/光纖轉(zhuǎn)換器等裝置轉(zhuǎn)換為光纖通訊，通訊不受電磁干擾的影響。

五異步電機試驗臺的試驗原理

圖1、 異步電機試驗臺工作原理

六異步電機試驗臺的操作臺設(shè)計

　　試驗臺主要由4臺WP4000變頻功率分析儀，4臺試驗操作計算機，1臺服務(wù)器，DMC300分布式測控系統(tǒng)及少量的急停按鈕等構(gòu)成。

　　WP4000變頻功率分析儀、DMC300分布式測控系統(tǒng)與服務(wù)器相連，所有計算機與服務(wù)器通過局域網(wǎng)相連。

　　根據(jù)試驗?zāi)Ｊ降牟煌囼炚究煞譃?、2、4個試驗臺位，每臺操作計算機安裝銀河電氣研制的電機試驗測控報表軟件，任意一臺操作計算機可通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)對任意一個試驗臺位進行操控，試驗數(shù)據(jù)存儲在本機，并定時發(fā)往服務(wù)器備份。可在每臺操作計算機上自動出具報表，也可在服務(wù)器上對試驗站的所有臺位的所有試驗進行綜合管理及分析。

　　服務(wù)器安裝有電源管理及數(shù)據(jù)管理軟件，根據(jù)需要對4臺變頻電源并聯(lián)及解并控制，對來自4臺WP4000變頻功率分析儀的數(shù)據(jù)進行并聯(lián)和解并的關(guān)聯(lián)運算。

　　服務(wù)器安裝有錄波及回放軟件，記錄試驗的全過程狀態(tài)機數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后可采用回放方式在線整個試驗過程，即便是試驗過程沒有按要求記錄數(shù)據(jù)，也可試驗后在回放過程中重新獲取數(shù)據(jù)，不必擔(dān)心錯過任何一個細節(jié)，避免重復(fù)試驗，節(jié)約時間，節(jié)約電費，減少設(shè)備損耗。

圖2、異步電機試驗臺的操作臺

七異步電機試驗臺的主要設(shè)備

表3、異步電機試驗臺主要測控設(shè)備清單

序號	測控點	設(shè)備	型號	數(shù)量	備注
1	SP1、SP3、SP5、SP7	變頻功率傳感器	SP112102B	12臺	兼容380V/690V/1140V
2	SP2、SP4、SP6、SP8	變頻功率傳感器	SP103201C	12臺	兼容3kV/6kV/10kV
3	SP1、SP3、SP5、SP7	變頻功率分析儀	WP4000	2臺	6個功率單元接口
4	SP2、SP4、SP6、SP8	變頻功率分析儀	WP4000	2臺	6個功率單元接口
5	輔助參量測控	分布式測控系統(tǒng)	DMC300	1套

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