变频电源在电机试验中的应用

张永奎++袁敏++孔令波

摘 要： 针对电机出厂试验和型式试验，提出一种双逆变器共直流母线的能量回馈型变频电源试验系统。该系统经过对电网电压整流和逆变之后，实现电压可调和频率可调的电机试验电源，取代传统的电动机?发电机组试验设备。设计中被试电机和陪试电机分别由两组不同的逆变器驱动，两组逆变器共直流母线连接，在电机试验时实现无功补偿和对拖试验时实现能量的回馈，具有精度高，节约能源，操作方便等优点。

关键词： 电机试验； 变频电源； 无功补偿； 能量回馈

中图分类号： TN96?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）10?0148?03

随着科学技术的快速发展，电机在科学技术和国民经济邻域发挥着越来越重要的作用，而在强大的科研能力和先进的科学技术支持下，电机呈现多品种、高质量的发展趋势，而对各种电机在出厂之前都需要参考电机试验标准进行试验，以确定电机的性能，并判断电机是否达到了出厂要求。传统的电机试验方案中，采用直流发电机、直流电动机、交流发电机等3～7个电机，组成庞大的负载机组。随着电力电子技术和控制技术的发展，根据电机的空载试验、堵转试验、T?N特性曲线试验等特点和电机出厂试验的具体要求[1]，可以设计特定的变频电源用于电机试验。

由于试验中电机功率因数低，为了实现对拖试验能量的回馈，本文提出一种双逆变器共直流母线的能量回馈型变频电源试验系统，可以完成电机的负载试验、温升试验和T?N特性曲线等。通过传统电动机?发电机组试验方案与本文提出的双逆变器共直流母线的能量回馈型变频电源试验系统进行对比，并通过实例得出双逆变器共直流母线的能量回馈型变频电源试验系统优点。

1 电机试验装置的对比

1.1 传统电动机?发电机组试验装置及其缺点

传统电动机?发电机组试验试验方法如图1所示，该方法存在着以下突出问题：

（1） 谐波电流大，在直流传动系统时，谐波电流约占基波电流的30%。

（2） 设备投资大，对于大型电机试验，投资会更大。

（3） 加载和调试困难，原始办法采用负载是电阻，其消耗大量的电能，造成能源巨大浪费，发热也很严重。

（4） 系统响应速度慢和系统控制精度低。由于采用多个电机，很难把电机调节到所需的状态，并且传统的调压方式是变压器调压，负载控制方式是发电机励磁控制，都具有响应速度慢，控制精度低的问题。

（5） 效率非常低且维护成本高。一般而言，直流电机的效率比交流电机低5%，同时直流电机的换向器需要定期维护和保养。此外，传统的电动机?发电机组试验试验方法还具有占地面积大，投资大，噪声大，精度低，耗电量大，系统控制精度低、系统响应速度慢等缺点[2]。

1.2 变频电源试验系统及其优点

图2为本文所提出的双逆变器共直流母线的能量回馈型变频电源试验系统。

图1 传统电动机?发电机组试验方法

图2 双逆变器共直流母线能量回馈型变频电源试验系统

1.2.1 系统控制精度高且响应速度快

变频电源试验系统采用DSP控制技术，多闭环控制技术等，实现控制精度大幅度提高，使电机试验更加精确，而且响应速度更快。

1.2.2 设计合理且可靠性高

从各个角度保证系统的设计合理和高可靠性。从设计的角度来看：变频电源试验系统设计可以采用模块化设计和冗余技术设计，系统具有良好的替换能力和扩充能力，保证了系统可靠性和可扩展性。从保护的角度来看：系统可以通过采用PLC可编程控制器、触摸屏和计算机控制，具有完善的保护功能和监控功能，对于试验状态和电源工作状态全程监控保护，从另一个侧面增加了系统的成熟性和可靠性。

1.2.3 配电容量大幅度降低且占地面积小

由于试验时主要试验设备均采用能量回馈方式进行试验，且变频电源试验系统具有无功补偿功能和软启动功能，所以对配电系统的总进线容量要求大幅降低，一般只需提供试验电机最大功率30%的进线容量即可满足试验要求。DSP控制、静止变频技术的使用也使系统的占地面积大幅度减小。

1.2.4 安全性高且操作简便

变频电源试验系统的安全性和可操作性很好。就安全性而言，可以采取高压隔离、多重保护、减少发热等多种措施。就操作性而言，系统可以提供手动操作和自动操作两种模式，并且可以由电脑全程引导，智能运行，对操作人员的要求较低。数据采集和计算工作全部由计算机完成，工作量也比传统方法减少很多，自动化程度较高。系统内部可以具有多种模式供试验人员选择，具有自动操作模式。

1.2.5 适用范围宽且可扩展性好

变频电源试验系统设计可以考虑到多种不同类型电机和变压器的试验需要，提供了多种制式的电源模式，供不同电机试验选择使用。系统可以满足高压电机，低压电机，同步电机等试验的要求，试验时只要不超出电源的容量即可。就扩展性而言，由于变频电源试验系统采用了模块化设计，具有并机试验的功能，可以比较方便的扩容[3]。

1.2.6 节能效果佳且绿色环保

变频电源试验系统采用能量回馈技术，可以实现能量的封闭循环使用，节能效果显著。在对拖试验中，陪试电机工作在发电机状态，发出的电能回馈使用，系统补充的是两台电机的损耗和电源本身的损耗[4]。变频电源系统具有无功补偿功能，在变压器试验和电机的空载试验、堵转试验和叠频试验时，系统补充的是有功功率、损耗和电源本身的损耗，其他的无功功率由变频电源提供补偿，节能效果显著。采用静止变频技术替代了发电机组技术，减少了噪音和振动，降低了对环境的噪音污染，同时由于采用能量回馈技术替代了传统的电阻消耗法，节约了能源，减少了冷却水的用量，减少了发热量，减少了二氧化碳的排放；还有本系统的能量回馈使用是在系统内部，对电网没有污染，达到了绿色环保的效果。

2 系统设计与主要技术特点

本电机试验电源系统的设计和研制是以GB/T 1032?2012技术要求为基本依据，再由电机出厂试验和型式试验的具体要求，采用了静止变频和宽频滤波技术。

2.1 系统设计

本设计采用逆变器共直流母线的设计方案，图3为变频电源系统的原理框图。总电源进线经由进线控制单元→输入滤波单元→整流单元，向系统提供稳定直流电压，被试电机电源与负载电机（陪试电机）电源采用共直流方式工作，并经过各自回路的滤波单元及输出单元，分别向被试电机及负载电机（陪试电机）供电；在标准的对拖试验方式下，陪试电机处于发电机工作方式，发出的电能经2#输出单元→2#滤波单元→2#逆变单元回送至直流母线，并经过1#逆变单元→1#滤波单元→1#输出单元送至被试电机，从而形成能量的循环利用，此时，被试电机消耗的能量，大部分来自于陪试电机，而总进线电源仅仅补充系统自身的消耗，一般情况下，总进线需要提供的能量不大于被试电机实际消耗能量的20%，大大节省了试验过程中的电能消耗。

图3 变频电源系统原理框图

输入滤波单元：采用隔离的12脉波变压器，既能起到电压隔离的作用，又可以降低电压输出纹波，消除第3，5，7次谐波对电网的污染，使整流单元的整流效果更好。

整流单元：采用电力二极管三相全桥整流电路，对输入滤波单元的12脉电压进行整流。

逆变单元：对直流母线的电压逆变后实现电压精确可调，频率精确可调。

放电单元：在母线中的电压超过限定电压时，进行放电，保证整个系统的安全性，在系统断电时，能够对直流母线上连接的电容模组进行放电[5]。

储能单元：由电容模组组成，对直流电压进行滤波，使直流电压比较稳定，陪试电机回馈到直流母线能够吸收和存储能量。

滤波单元：由隔离滤波变压器组成，对逆变后的交流电进行滤波，并具有电压隔离作用[6]。

输出单元：对输出档位进行选择控制，满足各种型号电机的试验要求。

输出控制单元：主要由DSP进行控制，对逆变单元，滤波单元，输出单元进行控制。实现电压精确可调，频率精确可调。

2.2 系统主要技术特点

（1） 能量回馈利用，自动无功补偿，减小了系统的输入能量。系统设计采用了逆变器共直流母线的方式。在电机对拖负载试验时，陪试电机处于发电状态，电机产生的交流电通过滤波和逆变单元的整流之后，回送至直流母线，在通过逆变和滤波之后，产生的交流电送至被试电机。实现了能量的内回馈，节约了能源。

电机空载试验和堵转试验时，功率因数一般比较低。在试验时，由于功率因数低，大量的是无功功率，变频试验电源输出时，具有补偿功能，从电网吸取的只是有功功率。

（2） 内回馈具有更高的回馈效率且与系统完全隔离。传统的电动机?发电机组试验方法由于经过多个电机，控制不方便，造成能量回馈很低且不稳定，而采用外回馈的变频电源，能量回馈到电网，当回馈的能量不稳定时，会对电网造成污染。而本系统的回馈能量仅仅在直流母线下部环流，由于12脉整流变的隔离，降低了对系统的谐波污染，同时提高回馈效率。

（3） 频率连续可调，实现大型电机软启动。由于本系统采用DSP控制技术，通过调节PWM波的载波比和调制波，可以实现电压频率的连续可调，有利于对电机速度的精确调节，保证了电机试验的精确可靠。而且系统可以实现对大型电机的软启动，降低了电机启动对电力系统的冲击。

（4） 系统试验能力实现了全功率覆盖、全电压覆盖。在50～100 Hz范围内，系统可以按照各自的电压档位实现恒功率输出，在50～50 Hz之间，随着频率的降低，系统输出电压将按照VF曲线下降，输出功率亦按VF曲线呈现线性下降趋势，使系统具有更广泛的使用范围。

（5） 采用无控12脉整流方式整流和多电平技术。12脉整流带来的好处是直流母线纹波低，降低了直流滤波系统的设备照价；无控整流对电网的波形畸变影响小，不会产生严重的第3，5，7次谐波，克服了现在采用可控硅整流方式的弊端。系统采用多电平技术，实现宽频正弦波输出，波形品质很好，谐波含量低，同时系统阻抗匹配性能很好，使用范围宽。

3 结 语

本文所设计的变频电源应用于电机试验技术上有如下特点：

（1） 采用逆变器共母线的方式，在电机对拖试验时，能够实现能量的内回馈，节约能源。

（2） 变频电源实现了数字化的操作，实现了电压和频率精确可调，系统响应速度快。

（3） 共直流母线在对拖试验时实现了能量的内回馈，对交流侧的进线电网几乎没有影响。配电容量大幅降低，实现了节能的效果。

（4） 对于功率因数低的试验，能够实现无功补偿，从电网吸取的只是有功功率。

（5） 可以满足多种型号的电机试验，在不超过电源容量的前提下，可以通过并机实现扩容。

（6） 变频电源是静止电源，系统运行稳定且寿命很长。

参考文献

[1] 汪康平.交流异步电动机测试平台的研究与应用[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[2] 耿洪奎.电机型式试验站技术方案比较[J].防爆电机，2008（1）：42?45.

[3] HECATE M H， JOHN V. Circulating power test setup for a PWM rectifier motor drive [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Power Electronics， Drives and Energy Systems. Bengaluru： IEEE， 2012： 1?5.

[4] SHI Xian?jing， MENG Qing?chun， SUN Han. Experiment and simulation of torsional vibration based on sensorless detection technology under variable?frequency power sources [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology. [S.l.]： [s.n.]， 2011： 579?583.

[5] 李录强，李海霞.电机试验站电源用变频器的选型[J].防爆电机，2014（1）：33?35.

[6] 常智海，李浩，刘乃锁.变频器在能量回馈试验台控制系统中的应用[J].电气传动，2008（6）：56?58.