摘要

　　本文介紹了變頻異步電機試驗臺的試驗電源選型、變頻電量測試系統選型、試驗臺設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，并給出了測控系統配置清單。

一異步電機試驗臺的試驗能力

　　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計依據

　　1、用戶要求

　　2、GB755-2008旋轉電機_定額和性能

　　3、GB755-2-2003旋轉電機(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）

　　◆ 堵轉試驗：（人工輸入堵轉電流倍數，自動完成）

　　◆ 低頻堵轉試驗：（人工輸入堵轉電流倍數，自動完成）

　　◆ 負載試驗：（自動完成）

　　◆ 效率的確定 ：按照GB/T1032-2012規定的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）

　　◆ 最大轉矩的測定：（自動完成）

　　◆ 最小轉矩的測定：（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，最低轉速應＜2%Ne。

　　◆ 過轉矩試驗：（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計要點

1試驗電源選型

　　異步電機的低頻堵轉試驗、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，主要區別如下：

　　a、可輸出標準正弦波，電源品質滿足GB755和GB1032要求；

　　b、電壓、頻率獨立可調，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，可轉入V/F分離模式，獨立調節電壓和頻率；

　　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/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，正弦波濾波器會產生一定的壓降（一般額定電流時10%以內），例如：690VPWM電源經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。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和解并實現：

　　試驗站共采用4臺變頻電源，每臺電源容量為1MVA，通過并聯和解并實現“一、試驗能力”要求的五種運行方式：

　　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，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，變換為兩臺2MVA變頻電源，協調控制；

　　e、1個4MVA單機試驗（支持疊頻試驗）：四臺變頻電源全部并聯，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：設計變壓器變比時，需考慮最高等級電壓應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：設計變壓器變比時，輸入側需考慮正弦波濾波器帶來的電壓降。

3寬范圍內的高精度測量

　　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，測試系統的能夠準確測量的頻率范圍至少應滿足3~200Hz，本方案0.1Hz~400Hz考慮。即試驗站測試系統要求電壓在20V~13kV范圍內，電流在5A~3000A范圍內，頻率在0.1Hz~400Hz范圍內，功率因數在0.05~1范圍內均能準確測量。

　　AnyWay變頻功率分析儀的寬范圍內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，與變頻電源的并聯解并配合，SP系列變頻功率傳感器同樣進行并聯和解并，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指標見表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指標

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=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：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：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）	800A	4000A*
短時最大電流（四臺并聯）	1600A	8000A*

 

　　注1：SP112102B滿足讀數的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、轉速、扭矩、流量等測試采用DMC300分布式測控系統的DM系列測量子站，均為前端數字化產品，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節的損耗與干擾。適合復雜電磁環境下的高精度測量。

　　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，可將電網測電流波形畸變率控制在4%以內，符合公用電網諧波標準。

　　c、異步電機試驗臺變頻器等設備的通訊均采用RS485/光纖轉換器等裝置轉換為光纖通訊，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臺服務器，DMC300分布式測控系統及少量的急停按鈕等構成。

　　WP4000變頻功率分析儀、DMC300分布式測控系統與服務器相連，所有計算機與服務器通過局域網相連。

　　根據試驗模式的不同，試驗站可分為1、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器中轉對任意一個試驗臺位進行操控，試驗數據存儲在本機，并定時發往服務器備份。可在每臺操作計算機上自動出具報表，也可在服務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。

　　服務器安裝有電源管理及數據管理軟件，根據需要對4臺變頻電源并聯及解并控制，對來自4臺WP4000變頻功率分析儀的數據進行并聯和解并的關聯運算。

　　服務器安裝有錄波及回放軟件，記錄試驗的全過程狀態機數據，試驗結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據，也可試驗后在回放過程中重新獲取數據，不必擔心錯過任何一個細節，避免重復試驗，節約時間，節約電費，減少設備損耗。

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備

表3、異步電機試驗臺主要測控設備清單

序號	測控點	設備	型號	數量	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	DMC300	1套

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