高压电动机变频试验电源的仿真分析

李光谱，张 坤，王 伟

(1. 河南博慧方舟咨询发展有限公司，河南 郑州 450007；2. 荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051；3. 南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473001)

高压电动机变频试验电源的仿真分析

李光谱1，张 坤2，王 伟3

(1. 河南博慧方舟咨询发展有限公司，河南 郑州 450007；2. 荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051；3. 南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473001)

简述了H桥级联高压变频电源的基本原理.根据变频器和电动机参数，在Matlab/Simulink软件中建立了变频器的模型.通过实际测量谐波含量，叠频仿真数据与试验数据对比，完成了低频运行制动试验和满载及过载试验.该变频试验电源操作简便，运行稳定.

变频试验电源；谐波；叠频

在传统的电机试验中，温升和负载试验大多采用交流变频发电机组，结构较为复杂，试验效果不太理想，试验效率较低.随着中压大功率变频技术的发展，变频电源应用于电动机试验系统的成功经验越来越多[1].目前，国内电机试验电源的研究主要集中在低压小功率电机领域，有些试验的电源控制部分过于繁琐，故障率高，实际运行可靠性较差[2].

本研究以某电动机企业已投入运行的试验站为例，在Matlab/Simulink软件环境下，对该中压变频电源性能的空载起动和叠频试验进行仿真，并与试验数据对照，验证了该变频试验电源具有网侧功率因数高、谐波含量少、试验数据精度高、高效节能的特点.

1 计算机仿真和试验的依据

1.1 H桥级联高压变频电源

级联高压变频电源主要由输入开关、移相变压器、功率单元、输出开关和控制单元组成[3].各功率单元通过串联实现多重化，简单地从输出端输出.它采用功率单元(H桥)串联形式，并根据用户需求选择功率单元串联级数.变频器可实现四象限运行，能量双向流动；当被试电机作为电动机时,电流从电网流向电动机；当被试电动机处于制动或发电状态时，电流从电动机流向电网.

1.2 试验技术参数

某电机试验站远离发电厂，短路容量很大，这里暂且认为输入电源为三相10 kV/100 MVA的工频电网，变频电源串联功率单元为6级，输出电压为6 kV.电压输出经LC滤波器之后，连接至试验电机.电抗器参数为：额定电抗L=4 mH；额定电压为10 kV；额定电流为800 A.异步电机参数为：额定功率为2 000 kW；额定转速nN=995 r/m；额定电压为6 kV；额定电流为240 A；额定频率fN=50 Hz.

2 电源电能质量分析

按照有关设计规范，变频器输出电压的谐波电压因数(HVF)<0.015，三相电压的负序分量/正序分量≤5%，频率的波动量<±0.3%，总谐波畸变量(THD)小于5%，从而减少高次谐波对电机的影响[4-5].这里对主要影响电源性能的总谐波畸变量(THD)和谐波电压因数(HVF)进行分析.

2.1 总谐波畸变量

(1)

式中：un为电动机端子处n次谐波电压幅值与基波电压幅值之比；n为谐波次数，参数k此处取25.

在试验中，将6 kV/100 V的电压互感器(PT)接至变频器输出端，测量AB线电压，变频器带电动机起动，运行至50 Hz额定频率，通过FLUKE电能质量分析仪，统计并分析线电压UAB的各次谐波含量，得到的总谐波畸变量THD=1.543<5，符合要求(表1).

表1 各次谐波数据 %

注：基波电压最大值为5.888 1 kV，平均值为5.870 4 kV，最小值为5.853 0 kV，95%值为5.880 4 kV.

2.2 谐波电压因数

(2)

式中：Un为谐波电压的标幺值(以额定电压UN为基准值)；n为谐波次数(对于三相电动机不包含3和3的倍数)；参数k为13.以此计算至13次谐波得，HVF=0.002 6<0.015，满足规范要求.

3 叠频性能仿真

3.1 仿真计算

与传统定子叠频法不同，采用试验专用变频电源的叠频方法，通过软件[6]在控制回路中产生两种不同频率和幅值的电源，输出电压和拍频频率都是可调的.叠频时基波电压频率为50 Hz，电压值为10 kV，叠频电压频率选择40 Hz.

在Simulink环境下搭建10 kV高压变频器空载起动的仿真模型.图1就是建立的叠频试验仿真模型图.

图2为功率单元的仿真模型局部图.

变频电源采用PWM控制.PWM控制的相电压波形如图3所示.

仿真过程中采用V/F控制，使电动机起动，起动时间为0.8 s.待电动机转速稳定(t=1.5 s)时，开始叠频，副频电源电压在0.5 s内从0加到0.1Un.图4所示为仿真过程的叠频电流和转速波形.

由图4可知，叠频后电流为-150～+150 A，转速在950 rad/min和1 050 rad/min之间波动，周期为0.1 s，频率为10 Hz.

3.2 仿真结果的试验比较

变频器以恒压频比方式带电动机起动，空载运行至50 Hz额定频率.人工将控制方式切换到电压频率分开控制方式，通过触摸屏，将叠频频率设定为40 Hz，逐渐增大叠频电压幅值，观察变频器输出电流大小，当电流等于电动机额定电流时停止电压升幅.在此叠频方式下，考核电机温升.

试验可知，变频器带电动机空载运行至50 Hz时，输出电压为6 000 V，叠频频率为40 Hz，叠频电压为700 V，变频器输出电流为200 A，电动机电流达到额定，输出电流以10 Hz幅度波动，向电网回馈能量正常，输入侧电压无闪变，与仿真结果相符.继续提高叠频电压至1 000 V，输出电流达到260 A，保证了系统的短时过载能力.

4 其他性能分析

4.1 变频器低频运行及制动试验

在试验中，以恒压频比方式起动变频器，分别运行至5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz各频率点，通过示波器观察变频器输出电流是否稳定，并通过制动停机考察设备的制动功能.

图1 叠频试验的的仿真模型

图2 功率单元的仿真模型局部

图3 PWM相电压波形

图4 叠频电流与转速

变频器带电机运行，在5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz各频率点观察电流波形可知，电流保持稳定，设备可以快速制动停机.

4.2 变频器满载及过载试验

变频器能够满载连续运行，且保证在1.2倍过载的情况下至少运行1 min.

变频器输出端接电抗器，以压频比解调方式运行，且给定频率为50 Hz，逐渐增大电压幅值，使输出电压逐渐增大，经过电抗器的电流逐渐增大，最终使变频器在输出电流611 A状态连续工作1 h，考核设备的稳定性和温升等性能.继续升幅，使变频器输出达到690 A，运行1 min，考核过载情况.

变频器能够连续工作在满载状态，输出电流稳定.在环境温度为30℃情况下，其功率单元温度为45℃，输出电抗器温度为65℃，温升情况满足要求，并且变频器具备1 min时长下1.2倍的过载能力.变频器满载时电流为611 A，其波形如图5所示.

图5 变频器满载时电流波形

显然，该变频电源能够很好地实现低速运行并且制动，安全地实现满载和过载.

5 结束语

通过分析试验变频电源的谐波含量，建立H桥级联高压变频电源的仿真模型，进行叠频仿真与试验数据的对比，证明采用变频电源进行叠频试验属于比较可靠、节能的试验方法.变频电源低速运行以及满载和过载试验证明，其具有良好的稳定性.该试验变频电源适用于10 MVA/10 kV以下所有交直流电机的型式试验，为电机试验技术的进一步研究提供帮助.

[1] 才家刚，吴亚旗.电机试验技术及设备手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2011：45-105.

[2] 彭泽煊.特种变频电源叠频法在电机温升试验中的应用[J].变频器世界，2012，46(4)：93-95.

[3] 盛 君，张 敏.变频试验电源在电机试验中的应用[J].变流技术与电力牵引，2007(5)：57-59.

[4] GB755-2008 旋转电机:定额和性能[S].北京：中国标准出版社，2008.

[5] GB/T 1032-2012 三相异步电动机试验方法[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6] 潘晓晟，郝世勇. MATLBAB电机仿真精华50例[M].北京：电子工业出版社，2007.

Simulated Analysis on Frequency Conversion Test Power Used for High Voltage Motor

LI Guang-pu1,ZHANG Kun2,WANG Wei3

(1.Henan Bohui Fangzhou Consultation Development Co., Ltd,Zhengzhou 450007, China;2.Rongxin Power Electronic Co.,Ltd, Anshan 114051,China；3.Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd, Nanyang 473001,China)

The basic theory of Cascade H-bridge variable frequency power is explained. According to characteristics of variable frequency power and motor, the module of the frequency converter is built in software-Matlab/Simulink. Through measuring thr Harmonic content and comparing the frequency superposition simulation data and experimental data, low frequency operation brake test and full load and overload test are completed which proves that the 5000kW variable frequency power has the advantages of easy and stable operation.

variable frequency power supply; harmonic; frequency superposition

2016-04-12

李光谱(1983-)，男，河南新乡人，硕士，工程师，研究方向为电力工程设计.

1006-3269(2016)04-0045-04

TM301

B

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.011