（电机与电器专业论文）运用机组能量回馈策略设计高压变频试验室.pdf

摘要 d e s i g n o f h v f r e q u e n c yc o n v e r s i o nl a b o r a t o r y u s i n g u n i te n e r g yf e e d b a c ks t r a t e g y a b s t r a c t a u t h o r ：s h it i n g t i n g s u p e r v i s o r s ：h uq i a n s h e n ，g u ox i a o j u n ( d e p t o f e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ；g u o d i a nn a n j 缸ga u t o m a t i o nc o l t d ) i nc h i n a , t h e r ei sab i gs h o r t a g eo fe n v i r o n m e n ta v a i l a b l ef o rl a r g ee a p a c i t yh vf r e q u e n c y c o n v e r t e rt e s t ，a n dn og e n e r a lp u r p o s et e s t i n gs t r a t e g yo rt e s t i n ge q u i p m e n t i nt h ep r o c e s so f a c c e l e r a t e dr & do fd o m e s t i cl a r g ec a p a c i t yh vf r e q u e n c yc o n v e r t e r sa n df a s tp r o m o t i o no f i n d u s t r i a l i z a t i o no fs u c hc o n v e r t e r s ，t h ed e m a n db yu s e r sa n dm a n u f a c t u r e r sf o rl a r g ec a p a c i t y h v f r e q u e n c yc o n v e r t e rt e s t i n gm e t h o da n dt e s t i n gc o n d i t i o n sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e u r g e n t b a s e do ni n v e s t i g a t i o no f d o m e s t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e rt e s t i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rs t u d i e ss o m e s e l e c t e dh vf r e q u e n c yc o n v e r t e rt e s t i n gs t r a t e g i e s ，a n dt h r o u g hc a l c u l a t i o n s ，c o m p a r i s o na n d d e m o n s t r a t i o n ，d e t e r m i n e sa d o p t i o no f u n i te n e r g yf e e d b a c ks t r a t e g ya st e s t i n gs t r a t e g yo f l a r g e c a p a c i t yh vf r e q u e n c yc o n v e r s i o nl a b o r a t o r y t h i sp a p e rh a ss t u d i e du n i te n e r g yf e e d b a c ks t r a t e g yo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，l o a dr e g u l a t i o n , a n d c l o s e dl o o pc o n t r o lr e q u i r e m e n t so nf e e d b a c kn n i ts y n c h r o n o u sr o t a t i o ns p e 圮d d e t e r m i n e dt e s t s y s t e r nc o n t r o lf l o w , a n dp r o v i d o dp 口de l u s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g yf o rl o a dr e g u l a t i o na n d f e e d b a c ku n i ts y n c h r o n o u sr o t a t i o ns p e e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so nm o t o rb yu n i te n e r g y f e c d b a c ks y s t e m ，t h i sp a p e rh a sp e r f o r m e dm o t o rd e s i g na n dt y p es e l e c t i o n t h r o u g h c a l c u l a t i o n s ，c a p a c i t yo f t o r q u e - r o t a t i o ns p c o ds e n s o rh a sb e e nd e t e r m i n e d t h i sp a p e rp r o v i d e so v e r a l ld e s i g no fl a b o r a t o r yc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，a n dh a s d e t e r m i n e dt h a tu p p e rp cs y s t e mw i l lu s es i e m e n ss i m a t i cw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a n dl o w e rp cw i l lu s es i e m e n ss i m a t i cs 73 0 0p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra sm a i nc o n t r o l b o d y c o m m u n i c a t i o ns y s t e mm a i nn e t w o r kw i l la d o p ti n d u s t r i a le t h e r n e tb u st o p o l o g y u n d e rl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，f r e q u e n c yc o n v e r t e r sa r et e s tp r o d u c t sa n dt h e i rp r o t e c t i o n f u n c t i o n sh a v en o tb e e nv e r i f i e d t h i sp a p e rl a y se m p h a s i so fs t u d yo np r o t e c t i o ns t r a t e g yf o r t e s t i n gu n i tu s e di nu n i te n e r g yf e e d b a c ks t r a t e g ya n dp r o p o s e sam a g n e t i cb a l a n c ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o ns u i t a b l ef o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，p r i n c i p l e ，m e t h o do f i m p l e m e n t a t i o n ，a n dt y p es e l e c t i o nf o r t h i sp r o t e c t i o nf u n c t i o nh a v e b e e ns t u d i e da n d d e m o u s t r a t a d k e y w o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r t e r , e n e r g yf e e d b a c k ，t o r q u e ，m a g n e t i cb a l a n c e 1 1 1 声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 东南大学1 = 程硕t 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着我国国民经济几十年的发展，电力能源已经成为工业、农业、建筑业等的必须能 源，同时也是国民生活中必不可少的一种消耗品。但一个不容忽视的问题是：一方面，我国 的经济发展迅猛，而电力的供应并没有超前发展，甚至落后于经济发展的步伐。另一方面， 我国目前的经济基本上还处于粗放式发展的模式，产业的配置不合理，结构水平低。同样用 1 亿千瓦装机能力实现的国内生产总值( c o p ) ，美国达到了1 1 7 6 0 亿美元，而我国j l 有3 0 2 5 亿美元，我国单位c o p 的能耗是美国的3 8 9 倍。所以，节能势在必行。 根据国家经贸委的全面调查统计，我国发电量大约有6 0 一7 0 左右用于推动电动机做 功，其中9 0 的电机是交流电动机，大部分为商接拖动，。由于采用直接恒速拖动，每年造 成大量的能源浪费。采用交流调速技术是解决这个难题的一个先进的技术手段。 另外，变频器在节能的同时，还可以大大提高系统的智能化水平，调节和改善运行环 境，平滑加减速，并减少电机启动过程中的冲击电流，延长电机使用寿命，提高系统的工艺 水平。 随着变频器在各行各业的大景使用，生产工艺过程对变频器稳定运行的要求提高了： 随着国产大容量高压变频器的加速研发和快速推进产业化，各厂家和用户对变频器试验方案 和试验条件的需求将越来越迫切。 1 2 高压变频试验室的现状 在我国，各类电机耗能占到了总发电量的6 0 之多，因此变频节能技术一直得到国家 的重视 1 。但值得注意的是，电机耗能中8 0 为2 2 0 k w 以下的中小型异步电动机，低压变 频调速装置在其中已经广泛使用，并得到了用户的认可；而我国高压( 6 9 0 v 以上) 电机( 如 风机、泵和压缩机等) 数量虽然只有低压( 6 9 0 v 以下) 电机的几十分之一，但耗能却为低 压电机的八倍 2 。遗憾的是，我国高压交流变频调速系统的研究远落后于发达国家 3 】。虽 然各方面工作现在都已经展开，但目前市场上的高压变频器主要还是国外的产品，并且价格 昂贵。是什么妨碍了我国高压变频调速的发展呢? 原因主要有三个【4 6 ：一是大容量( 2 0 0 k w 以上) 电动机的供电电压高( 6 k v 或者l o k v ) ，而电力电子器件的耐压等级和所承受的电流 的限制，造成了匹配上的困难；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本高， 而般需要调速的系统如风机，水泵等节能改造项目希望投入少而回报高，较少考虑社会效 益和综合经济效益。三是高压大功率变频调速系统技术较难掌握，运行过程中可能会成为主 回路的故障点，影响工业生产的顺利进行。因此，提高电力电子变流装置的功率容量，降低 成本，改善其输出性能，确保装置的稳定运行是现代电力电子技术的重要发展方向之一，也 是当前世界各国相关行业关注的热点。 在国外，有很多公司都研制出了各自的变频器 7 ，比较著名的研究大功率变频器的公 司主要有德国西门子( s i e m e n s ) 、美国艾伦布拉德( a b ) 、美国洛宾康( r o b i n e o n ) 、日本 东芝( t o s h i b a ) 、瑞典a b b 等，他们的产品没有像低压变频器一样具有成熟一致的拓扑结 构，根据不同的状况开发出了不同的变频装置：洛宾康公司生产的完美无谐波变频器，a b 公 司生产的b u l l e t i o n l 5 5 7 和p o w e r f l e x t 0 0 0 系列变频器，西门子公司生产的s i m o v e r t m v 变频器，a b b 公司生产的a e s l 0 0 0 系列，这些公司产品的电压等级为3 l o k v ，容量 东南大学工程硕士学位论文 2 5 0 4 0 0 0 k w 。国外公司为确保产品质量，降低试验损耗，一般都建有试验工厂或试验室，美 国r o c k w e l l 公司在2 0 0 3 年5 月扩建完成了容量达7 0 0 0 h p 6 k v 的试验室。 国内在这方面的研究起步晚，受国际市场产品的冲击，国产的大功率高压变频器的前 景不容乐观，还没有形成一定的产业，技术上与国外相比还有差距。目前国内的生产厂商有 国电南自、北京凯奇、先行、利德华福以及成都的佳灵和森兰。 国内大容量高压变频器的主要功率器件均是国外进口的产品，单位成本极高。高压变频 器根据拓扑结构的不同，对器件的使用和参数匹配要求各不相同：在变频器研制过程中，掌 握器件的性能是重中之重，而器件的损坏也是家常便饭。高压试验室的设计旨在提供给高压 变频器进行满负倚试验条件，在降低试验成本的基础上，掌握器件性能，确保设备在现场的 稳定运行。 经过半年多的项目调研和资料查询，对变频器试验的现状有了一定的研究。国内目前 没有大容量高压变频的专业试验室，有的变频器厂家带空载进行试验后就出厂了，有的厂家 用等效电路法进行试验，对大容量高压变频器的试验还没有统一的试验方法和试验设备。在 调研过程中，我们还把调研范围扩展到了大电机的试验平台，以便于提出可用于大容量变频 器的试验策略。以下是变频器试验和大电机试验的部分现状描述： ( 1 ) 北京某厂的负荷试验中，电动机的负载使用的是电涡流测功机，利用了涡流损耗的原理 来吸收电动机的功率。现场有两台测功机，一台为1 5 0 0 k w ( 被测试电动机的输出功率约为 1 0 0 0 k w ) ，另一台为5 0 0 k w 。测功系统包括控制台，测功机本体，水箱及冷却水管路，冷凝 塔四个部分。 ( 2 ) 北京某公司研制生产6 k v l o k vi g b t 级联式高压变频器，试验现场有6 k v l o o o k w 变频 器正在进行测试，带有6 k v 3 1 5 k w 的电机机组，电机机组产生的能量在类似“热得快”的装 置中消耗掉，现场看到的“热得快”与电锅炉的原理相似，“热得快”不仅有水冷，还在装 置上方安装了风扇。 ( 3 ) 北重是华北地区最大的火力发电设备制造企业，建有若干台1 7 5 0 k w 以上的机组，电机 试验通过同步电机机组能量叫馈来实现，使得试验过程中电能的消耗大大降低。 ( 4 ) 哈尔滨某大型电机，的变频电机试验台正在建设，预计9 月可以完成调试，投入使用。 ( 5 ) 我国传动设备的主要型式试验单位天津电气传动设计研究所的旋转试验平台为直 流逆变回馈，容量为3 0 0 k v a 。 从调研的情况来看，国内各变频器厂家希望建设自己的试验室，改善开发环境和生产 试验条件，但由于试验室造价高，且没有通用的试验方法，有的厂家仅用电机做空载试验， 有的建有小容量( 3 1 5 k v a ) 的负载试验室。 受试验室条件的限制，各产品标准中要求的趔式试验项目，如额定输出、过载能力等， 在试验室内无法完成；受到现场条件的制约，在运行现场进行试验时，部分试验项目( 如过 载能力) 仍然无法进行。 为了完成标准要求的型式试验项目，厂家不得不寻找大型电机厂试验平台来进行试验。 大型电机厂的试验平台有以下几个方面的问题：第一，大型电机厂的生产任务繁重，变频器 试验时间受限制，且试验费用极高；第二，由于大型电机厂。的试验平台不是专业的变频器试 验平台，使用的负载电机为同步电机，往往与变频器的实际运行情况差异极大；第三，大型 电机厂的试验平台已经多年未改造，试验设备和监视设备远远不能满足变频器试验的要求， 而且，试验设备需要手动调节和控制，部分试验项目和试验数据无法准确记录。 2 东南大学1 = 程硕士学位论文 l - 3 高压变频器的试验项目和试验方法 1 3 1 试验项目 变频器的主要电气性能试验项目如下： ( 1 ) 负载试验 变频器的负载特性是变频器的最重要的特性之一，一套变频器转矩特性的好坏，将直 接影响用户工况性能的优劣。变频器的负载试验包括：轻载、负载、过载及以下特性负载试 验： a 与电机速度成正比例的负载特性试验： b 与电机速度平方成比例的负载特性试验； c 阶梯变化负载特性试验； d 用户自定义负载特性试验； ( 2 ) 变频器实载长期考核及老化试验 根据不同现场t 况要求，设计好负载特性以后，让被试变频器按用户规定时间长期运 行，以考核被试变频器的长期可靠性。 ( 3 ) 变频器功率器件温升试验 在实载状态下，测量被试变频器功率器件的温度变化情况。 “) 变频器变压器温升试验 在实载状态下，测量被试变频器变压器的温度变化情况。 ( 5 ) 额定输出电压及电压不平衡度试验 在实载状态下，测量并记录电压波形，分析输出电压的不平衡情况。 ( 6 ) 频率精度试验 在实载状态下，测量并记录电压波形，分析调频精度的情况。 ( 7 ) 功率损耗试验： 在实载状态下，测量变频器的输入功率和输出功率，计算出变频器的功率损耗。 ( 8 ) 谐波分析 各种工况下，对电流、电压信号进行录波、分析。 上述项目主要是变频器性能试验项目，实现2 2 4 0 k v h 变频器的上述试验内容，电力系 统必须提供2 6 0 0 k v h 以上的试验容基；需要2 0 3 0 个小时，2 2 d o k v h 变频器满负载运行时， 将消耗2 0 0 0 k w 的有功功率，因此，每试验一台变频器，将耗电4 6 万度电，约4 8 7 2 万元人民币。 1 3 2 试验方法 高压变频试验方法常规有以下几种方式：1 数学模型仿真法：运用m t l a b s i 姗l i 帐 等仿真工具，对交流变频器的电动机进行仿真。该试验方法能够得到变频器的理论数据，可 用于研发实验和教学实验。2 等效电路法：变频器输出接的不是电动机，而是电抗等器件， 用来进行变频器的电流、电压输出能力的测试。该试验方法可以分别测试变频器的有功功率 和无功功率，但不能测试变频器的实际运行情况。3 旋转负载法：建立电动机拖动台，变频 器拖动电动机进行试验，根据电动机负载的不同，可以分为不同的实验台。因此，国内大多 数厂家选择等效电路法测试变频器的输出能力，在小容量的旋转负载上进行变频器的性能测 试；也有一些厂家的变频器带电机空转后，就出厂了。 本课题将着重讨论旋转负荷试验的设计方案。旋转负荷试验的难点是电机带什么样的 3 东南大学工程颅1 = 学位论文 负载? 满负荷型式试验的设备投资和电量消耗极大，因此，国内厂家的旋转负荷试验台没有 通用标准，根据电机所带负荷的不同，大概有以下几种模式： ( 1 ) 直接消耗拖动实验台 电动机的负载是直流发电机，发电机接热电阻，通过自然冷却、风冷或水冷将热电阻 的热量带走，该实验方法适用于5 0 0 k w 以下的小功率电动机的负载。 ( 2 ) 测功机拖动试验台 测功机是用来测试电机的输入电流、电压、功率和输出转矩、转速、功率、效率的设 备，常用的有涡流测功机或电力测功机，吸收电动机的机械功率，转化为热能，通过冷却水 将热骨带走。适用于1 0 0 0 k w 小功率电动机的负载，需要配备冷却塔。 ( 3 ) 能量同馈拖动试验台 对于大容量高压电动机而言，负荷试验的容量要求和耗电非常高，如前所述，完成一 台2 2 4 0 k v a 的变频器试验，不仅要求电力系统提供2 6 0 0 k v a 的容量，而且耗电4 6 万度。 因此，大容量高压变频试验项目必须实现能量叫馈。 能晕凹馈策略中，电动机的负载是发电机，根据发电机能量回馈方式的不同，主要有 以下三种模式： 机组能景回馈策略：通过电机机组实现能量【| 馈。电动机的负载是直流发电机，通 过电机机组来组成能量回馈回路，运用电能与机械能的转换，实现试验系统的能量循环利用， 系统损耗山电嘲来补充。 b 直流电子能量回馈策略：通过直流逆变的电力电子技术实现能量回馈。电动机的负+ 载是直流发电机，通过逆变器的原理，将直流发电机的电能循环利用，系统损耗由电网来补 充。 c 交流电子能量回馈策略：通过整流一逆变的电力电子技术实现能量同馈。电动机的 负载是交流发电机，通过变频器的制动能量叫馈原理，将交流发电机的电能循环利用，系统 损耗由电网来补充。 综上所述：变频器的试验方法一般有三种：数学模型法、等效电路法、旋转负载法， 一 只有旋转负载法是变频器负荷试验的真实验证。旋转负载法根据电动机所带负衍的不同，有 直接消耗拖动、测控机拖动、能量回馈拖动三种试验方案。大容量变频器的试验项目耗能达 4 6 万度。因此，大容量的高压变频器试验选用能量回馈拖动试验平台才是可行的方案。 能量回馈拖动平台中电动机的负载是发电机，根据发电机能阜回馈原理的不同，主要有机组 能量到馈、直流电子能量回馈、交流电子能量叫馈三种回馈策略。 r 数学模型法 等效电路法 ，直接消耗拖动平台 。旋转负载法雩学 钡j 控机拖动平台f 机组能量回馈策略 【能量回馈拖动平台堕塑堕里j 直流电子能量回馈策略 【交流电子能量回馈策略 图l l 变频器的试验方法 1 4 课题研究的意义 随着变频器的广泛应用，和国产变频器的快速发展，用户和生产厂家对变频器试验条 件和试验方案的需求越发迫切。国内可供大容量变频器试验的环境非常匮乏，也没用通用的 试验方案和试验设备，影响了研发人员对器件性能的测试和掌握，对变频器的研发、生产、 4 东南大学工程硕士学位论文 稳定运行和降本增效等工作不利。 近几年，国产高压变频器加快了研发速度，已经从初期开发阶段，逐步进入产业化阶段， 高压变频器产品也取得了长足进步。但国内大容量高压变频器的主要器件均是国外器件，单 位成本极高。高压变频器根据拓扑结构的不同，对器件的使用和参数匹配要求各不相同；在 变频器研制过程中，掌握器件的性能是重中之重，由于缺少试验环境，参数匹配的测试比较 困难，各厂家在研制过程中，器件的损坏率很高，如广东明阳在研制初期就烧坏了两百支 i g c t 管。而在实际应用中，由于高压变频器试验手段的缺失，型式试验无法在试验室完成， 现场运行情况又制约了产品试验项目的实施使得各厂家的产品均存在现场运行不稳定的情 况。 为了完成标准要求的型式试验项目，厂家不得不寻找大型电机j 。试验平台来进行试验。 大型电机厂的试验平台有以下几个方面的问题：第一，大型电机j + 的生产任务繁重，变频器 试验时间受限制，且试验费用极高，无法进行充分试验；第_ 二，由于大型电机厂的试验平台 不是专业的变频器试验平台，使用的负载电机为同步电机，往往与变频器的实际运行情况差 异极大；第三，大型电机j 的试验平台已经多年未改造，试验设备和监视设备不能满足变频 器试验的要求，可重复性较差，并且试验设备需要手动调节和控制，部分试验项目和试验数 据无法详细记录。 我公司自2 0 0 3 年在研制低压三电平变频器的基础上，开始了“a s d 6 0 0 0 t - 1 2 5 0 变频调 速系统”的研究。为了加快产品研发，保证产品质最，基于稳定运行、器件参数使用等要求 在2 0 0 5 年年初启动了“大容量高压变频试验室建设”的项目，组建项目组，分别到北京、 哈尔滨等变频器厂家和大型电机厂考察调研，通过研究讨论，确定了高压变频试验室的方案。 该试验室投资近9 0 0 万元，满足我公司2 2 4 0 k v a 高压变频器的试验。 1 5 本课题研究的内容 本课题在2 0 0 5 年初启动，在进行项目调研，试验项目研究的基础上。基于大电机试验 平台的模型，提出了大容量高压变频器的试验策略。本论文的主要研究内容和所做的工作如 下： ( 1 ) 本课题在研究了变频器的试验项目、试验方法的基础上，提出了几种可供选择的试验策 略，并通过对几种策略的能蕈计算、论述和比较，确定了大容量高压变频试验室采用机组能 量回馈这一策略。 ( 2 ) 本课题进行了机组能量回馈策略的设计，研究机组能量回馈策略的运行原理、负荷调节 和回馈机组转速的控制，进行试验系统的障i 馈机组、陪试机组和转速转矩传感器的设计选型。 ( 3 ) 本课题进行了试验室计算机监控系统的总体设计，改变目前试验室手动控制的局面。 ( 4 ) 本课题提出的机组能最刨馈策略虽然基于常规电机试验平台，但用于大容量的高压变频 器试验，还存在许多实际的应用问题： a 试验室环境，要求试验系统有较宽的频率调节能力和过载能力。电机的过载能力较强， 因此，本文着重研究了几种转矩转速传感器的工作原理，选择能满足试验室较宽调节范围要 求的传感器。 b 在试验室环境下，变频器做为试品，其保护功能尚未得到验证，不能确保完成陪试机 组的保护功能。因此，本文着重研究了机组能量回馈策略中陪试机组的保护策略，提出了变 频电流的磁平衡差动保护原理。 5 东南大学工程硕上学位论文 第二章高压变频试验室能量回馈策略的比较 2 1 引言 对于大容量高压电动机而言，负荷试验的容量要求和耗电非常高，完成一台2 2 4 0 k v a 的变频器试验，不仅要求电力系统提供2 6 0 0 k v a 以上的容量，而且至少耗电4 6 万度，也 就是说，每台变频器的试验成奉在4 8 万元7 2 万元。由此可见，大容量高压变频试验项 目必须实现能量回馈。 能量回馈试验系统中，变频器控制电动机进行试验，电机的负载是发电机。根据发电 机能鼍【u l 馈原理的不同，主要有机组能量同馈、直流电子能量同馈、交流电子能量i u j 馈三种 吲馈策略。本章将一一研究对比。 2 2 机组能量回馈策略 机组能量回馈策略，就是在变频器控制异步电动机的试验过程中，用直流发电机做为异 步电动机的负载，直流发电机发出的电能通过“回馈机组”完成能量循环利用的试验策略。 试验原理见图2 - - l 。 2 2 1 原理图 3 n 1 0 k vg o h z g s _ 一同步发电机 图2 - i 机组能量回馈策略原理图 6 东南大学工程硕士学位论文 2 2 3 主要设备投资 表2 1 机组能量回馈策略主要设备 设备名称型号规格数量投资 备注 回馈机组1 套 1 1 2 万元 ( 1 ) 同步发电机2 0 0 0 k w ，7 5 0 r m i n ，1 0 5 5 2 5 k v l 特制 ( 2 ) 直流机 2 0 0 0 k w ，7 5 0 r m i n ，7 5 0 v l 特制 陪试电机组1 套1 3 1 万元 ( 1 ) 交流异步变频电机i2 0 0 0 k w ，5 6 0 h z ，8 极，6 k v 1 特制 ( 3 ) 直流机2 0 0 0 k w ，7 5 0 r m i n ，7 5 0 v l 特制 励磁装置32 0 合计2 6 3 万元 2 2 3 原理说明 将被试变频器接入系统线路中，由同馈机组的同步发电机g s 提供试验电源，g s 绕组经 恒功率转接可输出额定电压为6 、l o k v 的试验电源。被试变频器给陪试机组的交流异步电动 机m 供电，陪试机组的直漉电机m 2 做发电机运行，并向【口l 馈机组同轴的直流电机m l 馈电， 形成能量回馈。通过二机组直流电机的控制调节，可实现被试变频器的负载调节。 被试变频器输入、输出端均设电气精密测最环节，其采样满足宽频带和谐波测量、分 析并保证足够的精度和量程。陪试电机采用转矩转速传感器、测量仪测取机械转矩和转速。 2 2 4 能量分析 根据以下经验数据： 变频器效率9 7 ； g s 效率9 4 ； 。 m 效率9 4 ； m 1 、彪效率9 2 ； 线路效率9 5 试验时额定负载运行，椐此m 轴上输出为p l = 2 0 0 0 k w ，则由直流机同馈到回馈机组轴上 的功率为： 只= 只9 2 9 2 = 1 6 9 2 8 七w ( 2 - 1 ) 同步发电机的输出功率为： 只= 只9 4 = 1 5 9 1 2 后f 矿 ( 2 2 ) m 从变频器输出端吸取的有功功率 p 只= l = 2 1 2 7 7 后w ( 2 - 3 ) 9 4 变频器输入端的功率为 d 只= 羔= 2 1 9 3 5 _ j w ( 2 - 4 ) 3 9 7 7 东南大学t 程硕士学位论文 此时需从线路上获取 p = 只一只= 2 1 9 3 5 1 5 9 1 2 = 5 9 6 3 七形( 2 - 5 ) 可见，需从电网吸取有功功率为5 9 6 3 k w 。短时过载运行时，各设备的损耗中的铜耗按 过载倍数的平方增加，其他损耗亦有一定增加。 如上所述：主回路能耗电如上计算为5 9 6 3k w ；能量回馈效率为7 0 2 9 i 。每台变频器 至少节约2 8 万度电。 一般情况下，变频器上口功率因数为0 9 2 ，则上口的无功功率为 p q = i s i n ( c o s 。1 ( 0 9 2 ) ) = 9 2 4 9 k v a r ( 2 6 ) c o s 妙 该无功是回馈系统需要的，全部由电网提供；因此，电网提供有功功率约4 6 9k w ，无 功功率为9 2 4 9 k v a r ，则电网提供视在功率为： s = p 2 + q 2 = 4 4 6 9 2 + 9 2 4 9 2 = 1 0 3 7 j i 蹦。 ( 2 7 ) 2 2 5 机组能量回馈的优缺点 这是传统经典的大电机试验系统。 优点： ( 1 ) 试验设备故障率低，运行稳定。使用寿命大于3 0 年； ( 2 ) 由直流机组成回馈回路，调节方便： ( 3 ) 电机过载能力强，适用于试验室环境，； ( 4 ) 由同步发电机供电，其电源质量高，并能进行电压调节，同步电动机挂网还可改善电网 功率因数； ( 5 ) 对电网的谐波干扰，仅与被试验的变频器有关，对电网的干扰较小； ( 6 ) 多台电机运行，效率基本满足要求； ( 7 ) 有大量在大电机试验室运行的业绩； 缺点： ( 1 ) 系统由多台电机组成，还需要润滑油等辅助设施，比较复杂； ( 2 ) 电网容量不满足要求时，则给回馈机组挂电网启动带来困难，需增加启动设备； ( 3 ) 其运行噪声大，在环保和职业安全卫生方面都要采取一定的措施； “) 占地面积大，施工复杂。 2 3 直流电子能量回馈策略 直流电子能量回馈策略，就是在变频器控制异步电动机的试验过程中，用直流发电机做 为异步电动机的负载，直流发电机发出的电能通过“直流逆变装置”完成能量循环利用的试 验策略。 直流电子能量回馈策略原理框图见图2 2 。 8 东南大学工程硕士学位论文 2 3 1 原理图 蜊l o k v5 0 8 z 图2 2直流电子能量叫馈策略原理图 2 3 2 原理说明 将被试变频器接入系统线路中，由电网电源经变压器b 提供试验电源，b 绕组经恒功率 转接可输出额定电压为6 、l o k v 的试验电源。被试变频器给陪试机组的交流异步电动机m 供电，陪试机组同轴连接的直流电机m l 做发电机运行并经直流逆变装置s c r 逆变、变压器 电压转换后形成能量恒l 馈。通过s c r 调节，可实现被试变频器的负载调节。 被试变频器输入、输出端均设电气精密测晕环节，其采样满足宽频带和谐波测量、分 析并保证足够的精度和量程。陪试电机采用转矩转速传感器、测量仪测取机械转矩和转速。 2 3 3 主要设备投资 表2 2 直流电子能量回馈策略主要设备 设备名称 型号规格数量投资备注 陪试电机组 1 套1 3 1 万元 ( 1 ) 电机i 2 0 0 0 k w , 5 6 0 h z ，8 极，6 k v l 特制 ( 2 ) 直流机 2 0 0 0 k w ，7 5 0 r m i n ，7 5 0 v1特制 电力变压器 1 2 5 0 k r a ，1 0 1 0 5 ，6 0 6 ，3 0 3 k v12 0 万元 1 2 脉动整流、四象限运行，含箍变、整6 0 万元 直流传动装置 流柜、控制柜、励磁装置、均衡电抗器、1 套 快速开关等 消谐补偿设备 8 0 万元 合计 2 9 1 万元 9 东南大学工程硕二b 学位论文 2 3 4 能量分析 试品效率9 7 ，满载时网侧功率因数0 9 2 ； m 效率9 4 ； m 1 效率9 2 ； s c r 效率8 5 ： b 效率9 8 线路损耗0 5 ： 试验时额定负载运行，据此m 轴上输出为2 0 0 0 k w ， 由直流机回馈到电源变压器b 副边的功率为 只= 只9 2 x 8 5 = 1 5 6 4 k w ( 2 - - 8 ) 电动机m 从变频器试品输出端吸取的有功功率为 p 只= l = 2 1 2 7 7 k w ( 2 - 9 ) 9 4 折算到变频器上口的功率为 p 只= = 熹= 2 1 7 1 。l k w ( 2 - - 1 0 )7 9 8 此时从电网吸取有功能景为： p = 假一只) = ( 2 1 7 1 1 1 5 6 4 ) = 6 1 9 5 k w ( 2 - - 1 1 ) 可见，需从电网吸取有功功率为6 1 9 5k w 。短时过载运行时，各设备的损耗中的铜耗 按过载倍数的平方增加，其他损耗亦有一定增加。 直流电子有功功率能量叫馈的效率达为6 9 ，。 在宜流电子能量同馈策略中，若不采取补偿措施。直流逆变后的功率因数约0 7 左右， 则需从电嘲吸收1 5 9 5 6 k v a r 。 d q l = 熹s i n ( c o s 。( o 7 ) ) = 1 5 9 5 6 k v a r ( 2 1 2 ) k u 6 缈 该无功是回馈州路需要的，全部由电网提供。另外，变频器上口需要的无功功率为 9 2 4 9 k v a r ，见( 2 6 ) 式。 可见，回馈回路吸收的无功功率极大，必须增加无功补偿装置，将吲馈回路的功率因 素上调。 2 3 5 直流电子能量回馈策略的优缺点 优点： ( 1 ) 系统简单，运行损耗小，效率高，运行噪声可大大降低； ( 2 ) 采用电子设备，便于自动控制； ( 3 ) 有一定的运行业绩，天传所3 0 0 k r a 旋转平实验台就是采用了该策略； ( 4 ) 占地面积小，施工方便。 缺点： ( 1 ) 对电f 目的谐波干扰大，主要是奇次谐波，且功率因数也较低，需进行滤波和补偿； ( 2 ) 系统过载能力弱； 1 0 东南大学工程硕上学位论文 ( 3 ) 是电力电子器件，易损坏，正常使用寿命小于1 0 年。 2 4 交流电子能量回馈策略 交流电子能量回馈策略，就是在变频器控制异步电动机的试验过程中，用交流发电机做 为异步电动机的负载，交流发电机发出的电能通过“四象限运行的变频装置”完成能量循环 利用的试验策略。 交流电子能鼍回馈策略原理框图见图2 3 。 2 4 1 原理图 3 n l o k v5 州z 图2 3 交流电子能量回馈策略原理图 2 4 2 原理说明 与直流电子能量回馈策略类似。将陪试电机组m 1 改为交流电机，直流传动装置s c r 改 为交流变频器b p 即可。通过b p 调节，可实现被试变频器的负载调节。 2 4 3 主要设备投资 表2 3 交流电子能量回馈策略主要设备 设备名称 型号规格 数量 投资备注 陪试机组 i 套1 3 1 万元 ( 1 ) 电机i 2 0 0 0 k w ，5 6 0 h z ，6 极，6 k y l 特制 ( 2 ) 电机 2 0 0 0 k w 。6 极。6 9 0 v 1 特制 东南大学工程硕士学位论文 1 2 5 0 k v a ，l o l o 5 ，6 0 6 ， 2 0 万元 变压器l k v 交流变频器a b b 四象限运行，6 9 0 vl2 0 0 万元 合计3 5 1 万元 2 4 4 能量分析 试品效率9 7 ，满载时网侧功率因数0 9 2 ； m 效率9 4 ： m 1 效率9 2 ； b p 效率9 4 1 b 效率9 8 $ 线路损耗0 5 ； 试验时额定负载运行，椐此m 轴上输出为2 0 0 0 k w ， 由直流机回馈到电源变压器b 副边的功率为 只= 鼻x 9 2 x 9 4 = 1 7 2 9 k w ( 2 - - 1 3 ) 电动机m 从变频器试品输出端吸取的有功功率为 p 只= 卫= 2 1 2 7 7 k w ( 2 - - 1 4 ) 9 4 折算到变频器上口的功率为 p 只= 三鲁= 2 1 7 1 1 k w ( 2 - - 1 5 ) 9 8 此时从电网吸取有功能量为： p = 只一只= ( 2 1 7 1 1 - 1 7 2 9 ) = 4 4 1 6 k w ( 2 - - 1 6 ) 可见，需从电网吸取有功功率为4 4 1 6k w 。短时过载运行时，各设备的损耗中的铜耗 按过载倍数的平方增加，其他损耗亦有一定增加。能量叫馈效率达到7 8 。 2 4 5 交流电子能量回馈的优缺点 优点： ( 1 ) 系统简单，运行损耗小，效率高，运行噪声可大大降低； ( 2 ) 采用电子设备，便于自动控制； ( 3 ) 技术先进，功率因素高； ， ( 4 ) 对电网的谐波干扰，与被试验的变频器和回馈用的变频器有关，对电网的干扰有一定的 干扰，但负荷电网要求。可以不用补偿； ( 5 ) 占地面积小，施工方便。 缺点： ( 1 ) 系统过载能力弱； ( 2 ) 是电力电子器件，易损坏，正常使用寿命小于1 0 年。 ( 3 ) 目前还没有已投运的，在8 0 0 k w 以上大电机试验的运行业绩。 1 2 东南大学t 程硕士学位论文 2 5 能量回馈策略的比较 能景同馈策略的比较见表2 4 。从下表可以看出，直流电子能量回馈策略需吸收大量无 功功率，并对电网将产生较大谐波，需要进行治理，做为电气设备制造单位的我公司非常不 适用：交流电子能量回馈在实现原理上有很好的先进性，能耗低，但目前还没有使用业绩， 且由于是电子电路器件，在可靠性和过载能力上较弱；机组能鼍回馈有大晕的运行业绩、对 电网干扰小、在过载能力、可靠性、使用寿命等方面有较大的优势，但能耗高，占地面积大。 我公司根据上述分析和具体情况，选用了机组能量回馈策略建设高压变频试验室。 1 3 曩嘉餐皇冀k - 留 茎萋蓁蓁蓁茎蓁重 蓁雒霎譬驳：号| 糕 强 匿 咖 盘巾杯墨会 镒 蟠脚魁备翟 m 脚 捌8j 卜掣谥誊 煺 攥器罡盖： 制 姆趣 萋饕蚕 删牲 啦妻 粘 垂囊蠢 蠡| 蚕喜 零怒菱 。 萋| 蓁蓁蓁。 毳萋饕羹差 删 留 ：韫瓮盆林0：念= 船 联 娶 凰 删 箍 h 留 蟋 删 。棼。牛。鲻。豫 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