電機加載測試系統中變頻器的高-低-高應用研究

常彥鵬

（神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315）

神東煤炭集團有限責任公司是我國主要的煤炭生產企業，年產煤炭2億t左右。設備維修中心作為下屬企業，主要職責是對各類型的采煤設備進行檢修維護，保障礦井采煤作業的正常開展。電機作為采煤設備的重要部件，其維修質量直接影響采煤設備的使用壽命及礦井正常的采煤作業。在實際的生產過程中，由于電機維修質量不合格導致設備停機影響采煤生產的事故時有發生。為全方位提高采煤設備的維修質量，就必須對這些采煤設備電機進行維修后的加載測試，以期通過質量檢驗來降低電機故障導致采煤設備停機造成的影響。通過統計分析，發生故障頻次較高的電機主要集中在400kW及以下的各類礦用電機。因此，決定對400kW及以下的各類礦用電機進行加載測試。各類采煤設備種類繁多，其使用的電機也多種多樣。400kW及以下的小型電機就多達52種。按工作電壓分類有AC 575V、AC 660V、AC 1140V、AC 3300V這4種，受測試現場場地限制，無法布置多套變頻對拖測試系統，直接采用變頻對拖的測試方式不能滿足測試要求，且測試現場的上級電源裕量僅300kVA左右,在此基礎上進行400kW的電機加載測試可能影響其他的檢修作業。為了解決這些問題，本文進行了針對性的應用研究。

1 采用變壓器實現變頻器的高-低-高應用設計

1.1 變頻器的分類

變頻器是目前廣泛使用的電子器件，按變頻方式主要可分為交交變頻器及交直交變頻器兩種，但無論哪種變頻器，其原理都是將工頻（50Hz）的交流電變換成其他頻率的交流電，以滿足不同負載的使用要求。

1.2 變頻器的控制方式

目前，常見的變頻器主要有以下4種控制方式：恒壓頻比控制（V/F控制）、矢量控制、轉差頻率調速及直接轉矩控制（DTC控制）。恒壓頻比控制方式屬于較早的變頻調速方法，在這種控制方式下，變頻器輸出電源的電壓和頻率成固定的比值，因此，在調速過程中可以維持負載（電機）氣隙磁通為額定值，解決了電機由于頻率變化導致磁飽和引起勵磁電流增大的問題。但這種方式屬于開環控制，不能滿足較高控制精度及調速范圍的要求。轉差頻率控制彌補了這一不足，但這種控制方式是基于數學模型對電機進行控制的，無法保證系統實際的動態性能。矢量控制方式雖然可較大提升電機控制系統的動靜態性能，但其對電機參數的依賴性較大。就神東公司400kW及以下電機的加載測試系統而言，直接轉矩控制是較為符合實際需求的控制方式。

1.3 基于變壓器實現變頻器的高-低-高應用

變壓器的模型與交流異步電機的模型是一樣的。所以，變頻器既可以把交流電機作為負載，也可以把變壓器作為負載。由此，變頻器可以作為特殊頻率的電源控制，最常見的就是50Hz與60Hz的電源變換，不同電壓等級的電源變換等。基于上文中提到的被試電機額定電壓不同的問題，就可以采用基于變壓器實現變頻器的高-低-高應用來解決。即在變頻器的輸入側串接降壓變壓器，在變頻器的輸出側串接升壓變壓器，組成一個基于變壓器的變頻器的高-低-高電源應用系統，主回路的電壓經過降壓、升壓的過程，使所帶的電機負載可以正常地工作。如圖1所示。這種應用系統簡稱為變頻器的高-低-高應用。

圖1

變頻器的高-低-高應用主要適用于以下幾種情況：

變頻器的輸出電壓與負載電機的額定電壓不一致。如本文中電機加載測試臺的被試電機由于額定電壓不一致，受場地因素限制，無法合并匹配合適電壓的變頻器。

電網電壓與電機額定電壓不一致。

價格和工藝因素。如在工藝滿足的條件下，可以利用低壓變頻器加升壓變壓器的方式來驅動高壓電機。

針對神東煤炭有限責任公司設備維修中心的電機加載測試電源系統，由于作業現場的場地限制，無法布置多組不同電壓等級的變頻器對拖測試系統，且從節約成本的角度考慮，完全適用變頻器的高-低-高應用。可將維修作業現場提供1140V電源作為系統的進線電源，在進線側設一組1140/690V變壓器，變壓器的下級接2臺型號為ABB880額定電壓為690V的變頻器，變頻器下級再設一組690/1140/3300V的變壓器，變壓器的下級接被試電機，組成這樣的一個變頻器高-低-高應用系統。在測試額定電壓為660V的電機時，變頻器下級的升壓變壓器不投用，由變頻器直接驅動電機；在測試額定電壓為1140V、3300V的電機時，升壓變壓器投用，變頻器的輸出電源經變壓器升壓后給電機提供測試電源。當測試額定電壓為575V的電機時，利用變頻器直接轉矩控制的特點，可以采用定頻調壓的方式，在輸出頻率不變的情況下，將變頻器的輸出電壓調整到575V，直接驅動電機。這種電源設計方案所匹配的加載測試負載電機的可以選用額定電壓為660V的變頻電機，直接用變頻器供電以降低系統的復雜性。

2 電機加載測試的方式研究

2.1 電機加載測試種類

對電機的加載測試，按能量轉換的方式可分為能量消耗型、能量回饋型及互饋對拖型3種。隨著社會的進步及科學技術的發展，對綠色節能有了更高的要求，其中能量消耗型的測試方式耗能大，除有特殊需求的場所外，目前基本已不采用。傳統的能量回饋型系統雖然相對節能，但經變頻器回饋的能量易對電網造成諧波污染。近年來提出的基于共直流母線的節能型回饋系統可避免上述問題。

2.2 共直流母線的回饋系統設計

電機加載測試臺設計2臺變頻器，1臺兩象限的變頻器給被試電機供電，1臺四象限的變頻器給負載電機供電。通過電氣系統將兩臺變頻器連接在一起，形成共直流母線結構，如圖2所示。這樣負載電機所產生的能量就不用經電網后再到被試電機，大部分能量可以在兩臺變頻器之間閉環流動。且采用這種結構后，不僅可以較大程度地避免回饋能量對電網造成諧波污染，而且對上級電源的容量要求更低，可以解決測試現場電源裕量不足的問題。經現場測試，測試系統的進線電源電流僅為加載測試臺工作狀態下被試電機電流的1/3左右，大幅降低了電機加載系統的電源容量需求，滿足了現場環境要求，節能效果明顯。

圖2

3 電機加載測試臺的應用及問題改進

3.1 應用中的問題

根據上述設計，400kW電機加載測試臺系統經采購并組裝后，在系統調試階段發現如下故障：（1）系統內的升壓變壓器在調試階段出現局部高壓絕緣擊穿故障，更換變壓器后短時間又出現絕緣擊穿故障。（2）負載電機在測試運行時出現嘯叫聲。

3.2 現場應用問題分析

根據故障現象，短時間內連續2次出現升壓變壓器故障并伴隨有電機異常，基本排除了變壓器質量問題，經分析判斷，懷疑系統中升壓變壓器出線側電源高次諧波超量。測試人員用電能質量分析儀對電機加載測試系統中降壓變壓器出線側、升壓變壓器出線側這兩個點進行了電能質量的測量。對降壓變壓器出線側的電源電壓波形進行測量，發現電壓波形平滑，進爾對電壓諧波含量進行測量，電壓的總諧波畸變率THD僅為1.1%（見圖3），滿足國標中規定的電壓的總諧波畸變率不得超過5%的要求。因此，判斷降壓變壓器出線側及上級電源正常。

圖3

對升壓變壓器出線側電源電壓波形進行測量，發現電壓波形有明顯尖峰，再對電壓諧波含量進行測量，電壓的總諧波畸變率THD為9.3%（見圖4），不符合國標的規定要求。

圖4

我們可以得出以下分析結果：變頻器的輸出波形為調制波，本身就含有高次諧波，在基于變壓器的變頻器的高-低-高應用中，變頻器輸出的高次諧波經過變壓器進一步放大，高頻的諧波電流由于趨膚效應的存在，使變壓器產生更高的溫升，局部絕緣降低，高頻的諧波沖擊電壓導致升壓變壓器的出線側絕緣薄弱點擊穿，升壓變壓器下級的電機承受經升壓變壓器放大的諧波電壓，導致電機出現嘯叫聲。

3.3 問題解決思路及做法

要解決諧波問題，常用的方法有2種：（1）變頻器下級所接的升壓變壓器必須設計成能承受變頻器輸出由脈沖頻率引起的高次諧波和電流的沖擊，以避免大電流沖擊引起的磁路飽和以及可能出現的電流不對稱。但長期運行條件下，由于諧波電流和諧波損耗的存在，變壓器的使用壽命將會一定程度上降低。（2）在變頻器出線側加設正弦濾波器，加設正弦濾波器可以從根本上降低變頻器輸出電源的電壓畸變率，使下級的升壓變壓器和電機能長時間穩定運行。正弦波濾波器由串聯電抗L和并聯電容C構成，如圖5所示。變頻器的輸出側加設濾波器，選取適當的截止頻率，就可以將變頻器輸出PWM波形中的大部分諧波濾除，使得U0近似為正弦波。但在選擇正弦濾波器時，要注意與負載相匹配，盡管增大電抗或者增大電容都可以進一步地降低輸出電壓的畸變率，減少諧波，但同時也會導致輸出電壓的降低，不僅成本增加，且可能無法滿足與現場電機測試的工作要求。

圖5

綜合工期、成本、場地面積等因素，在實際的測試現場采用了加設正弦濾波器的解決方案，改進后的電源系統如圖6所示。經測量，改進后的電機加載測試系統中升壓變壓器出線側的電壓的總諧波畸變率THD為2.6%，滿足了使用要求。

圖6

4 結語

本文針對生產現場的實際需求和環境條件，設計了一種基于變壓器的變頻器的高-低-高電源系統，結合共變頻器直流母線的能量回饋電氣設計，解決了生產現場中的相關問題，通過后期系統改進，完成了變頻器輸出電源的諧波控制，成功應用于神東煤炭有限責任公司設備維修中心400kW及以下礦用設備電機的加載測試。電機加載測試臺電源系統在調試完成后，已經投入了生產運行，截至目前，已測試各類型電機近200臺，系統內的降壓變壓器、變頻器、濾波器、升壓變壓器運行無異常，整個系統運行穩定，滿足了神東煤炭有限責任公司設備維修中心的400kW及以下礦用設備電機的加載測試需求。該套測試臺電源系統不僅運行可靠，且綠色節能，對有電機加載測試臺需求的維修或制造單位提供了電源系統設計的可行性方案，具有一定的借鑒和參考價值。