直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)對(duì)變頻測(cè)試的要求

　　本文簡(jiǎn)要闡述了直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成原理，對(duì)決定試驗(yàn)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析，旨在對(duì)電機(jī)試驗(yàn)站建設(shè)起到幫助作用。本文中數(shù)據(jù)來源均取自湘潭電機(jī)股份有限公司的《TFY2000-3NT低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)報(bào)告》。該電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

　　額定功率：2180kW；額定電壓：690V；額定電流：1833.4A；額定頻率：8.5Hz；相數(shù)：2×3相。其試驗(yàn)系統(tǒng)的變頻器的載波頻率為2kHz。

　　按照《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 低速永磁同步發(fā)電機(jī)第2部分 試驗(yàn)方法》要求，主要有以下試驗(yàn)項(xiàng)目：冷熱態(tài)絕緣電阻測(cè)定、繞組冷態(tài)直流電阻測(cè)定、振動(dòng)測(cè)量、噪聲測(cè)量、匝間沖擊耐電壓、工頻耐電壓、啟動(dòng)阻力矩的測(cè)定、空載特性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)、突然短路試驗(yàn)、過載試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、熱試驗(yàn)、效率的測(cè)定、發(fā)電機(jī)額定電壓調(diào)整率的測(cè)定、發(fā)電機(jī)功率特性試驗(yàn)、波形畸變率測(cè)定。

　　冷熱態(tài)絕緣電阻測(cè)定、繞組冷態(tài)直流電阻測(cè)定、振動(dòng)測(cè)量、噪聲測(cè)量、匝間沖擊耐電壓、工頻耐電壓、啟動(dòng)阻力矩的測(cè)定等項(xiàng)目按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，本文不再重復(fù)。

　　直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)包括拖動(dòng)系統(tǒng)、被試電機(jī)、并網(wǎng)變頻器、測(cè)試設(shè)備等。拖動(dòng)系統(tǒng)包括拖動(dòng)變頻器、拖動(dòng)電機(jī)。電網(wǎng)經(jīng)變壓器BY1變?yōu)?90V電壓給拖動(dòng)變頻器BP1供電，拖動(dòng)電機(jī)MG1在拖動(dòng)變頻器BP1的控制下作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，拖動(dòng)被試電機(jī)MG2旋轉(zhuǎn)發(fā)電。MG2發(fā)出的電能經(jīng)4象限變頻器整流逆變?yōu)?0Hz/690V的交流電，回饋交流母線。即發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能提供給電動(dòng)機(jī)使用，固變壓器BY1只需補(bǔ)充兩臺(tái)電機(jī)的損耗即可，其從電網(wǎng)吸收的有功功率為兩臺(tái)電機(jī)及變頻器的總損耗。

　　空載試驗(yàn)和超速試驗(yàn)均包含電動(dòng)機(jī)法和發(fā)電機(jī)法兩種方法，若采用發(fā)電機(jī)法，采用上述原理圖線路連接。若采用電動(dòng)機(jī)法，脫開聯(lián)軸器，變頻器BY2為被試電機(jī)MG2供電，MG2作電動(dòng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行。其它試驗(yàn)均工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，采用上述原理圖接線試驗(yàn)。

　　直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低，拖動(dòng)機(jī)可選低速電機(jī)或普通電機(jī)增加齒輪箱降速。增加齒輪箱后，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，齒輪箱的損耗給系統(tǒng)損耗分析增大了難度。而低速大功率電機(jī)通常不易采購(gòu)。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，可采用同型號(hào)電機(jī)作為拖動(dòng)機(jī)。兩臺(tái)變頻器均采用ABB公司的4象限變頻器。圖中“U、I、P測(cè)量”為變頻功率測(cè)試系統(tǒng)。

　　a、試驗(yàn)中使用的測(cè)量?jī)x器、儀表、傳感器均應(yīng)經(jīng)計(jì)量部門檢定合格并在有效期內(nèi)；

　　b、試驗(yàn)時(shí)采用的電氣測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5 級(jí)（兆歐表除外），電量傳感器的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.2 級(jí)，電量變送器的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于 0.5 級(jí)，轉(zhuǎn)速表 的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于 1.0 級(jí)，測(cè)力計(jì)的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.0級(jí)（懸掛式彈簧秤除外），溫度計(jì)的誤差應(yīng)為±1℃，其它測(cè)量?jī)x器、儀表應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；

　　c、用變流器做試驗(yàn)電源時(shí)，變流器輸入端、輸出端應(yīng)采用寬頻數(shù)字式測(cè)量?jī)x，且在被測(cè)頻率范圍內(nèi)滿足精度要求。

　　《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 低速永磁同步發(fā)電機(jī)第2部分 試驗(yàn)方法》指出，“電參數(shù)測(cè)量應(yīng)采用寬頻數(shù)字式測(cè)量?jī)x，電壓測(cè)定量為基波有效值，電流測(cè)定量為全有效值電流，功率測(cè)定量為全有效值功率”。由于校準(zhǔn)平均值（MEAN）在理論上等于正弦波的真有效值，且等于正弦調(diào)制PWM波形的基波有效值，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；因此MEAN在許多儀器儀表中用于替代正諧波的真有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的測(cè)量。

　　但是，近年來，變頻調(diào)速技術(shù)日新月異，非正弦調(diào)制PWM的應(yīng)用越來越多，而且，變頻器用戶通常并不了解自己的變頻器采用何種調(diào)制模式，MEAN值在PWM測(cè)量中局限性越來越大。

　　《GB755-2003 旋轉(zhuǎn)電機(jī)確定損耗和效率的方法》指出，“對(duì)于PWM變頻器，必須使用寬頻段的設(shè)備，優(yōu)先使用帶AD變換器和數(shù)字式數(shù)字處理機(jī)的電子式儀表”，同時(shí)，指出其頻率范圍應(yīng)大于最大開關(guān)頻率的10倍。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的變頻器開關(guān)頻率為2kHz，固測(cè)試設(shè)備及傳感器的帶寬應(yīng)該大于20kHz。

　　《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》指出：對(duì)常用的指示儀表，其準(zhǔn)確度是對(duì)標(biāo)稱頻率規(guī)定的（如對(duì) 50 Hz～60 Hz），而在其規(guī)定的上限頻率，其準(zhǔn)確度等級(jí)容許有附加誤差（如在1000Hz時(shí)為0.4%）。電子式測(cè)量?jī)x表通常均給出頻率范圍，指規(guī)定的上限頻率，所規(guī)定的準(zhǔn)確度既適用于50Hz或60Hz，也適用于規(guī)定的上限頻率。

　　《GB1032-2012 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中指出，“因?yàn)榇蠖鄶?shù)儀器的準(zhǔn)確度等級(jí)通常以滿量程的百分?jǐn)?shù)表示，因此，應(yīng)盡量按實(shí)際讀數(shù)的需要，選擇低量程儀表”。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)在寬范圍內(nèi)的高精度測(cè)試，實(shí)際試驗(yàn)中，一般根據(jù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍采用多個(gè)不同量程的傳感器，通過開關(guān)換擋實(shí)現(xiàn)信號(hào)的寬范圍高精度測(cè)試。這種方式的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換開關(guān)體積龐大，價(jià)格昂貴。在工頻測(cè)試領(lǐng)域，目前部分互感器廠家生產(chǎn)的副邊換擋電流互感 器能較好的解決該問題。這種互感器根據(jù)原邊信號(hào)將副 邊分為 2~4 檔，從最大量程開始，以 40%~50%的比例 依次減小量程。如 2000A/1000A/500A/200A?？稍?%~100%的范圍內(nèi)保證測(cè)量精度。 互感器除外，其它的諸如霍爾傳感器、羅氏線圈等，目前尚無多量程傳感器。需要開關(guān)對(duì)傳感器的原邊進(jìn)行換擋，且變頻信號(hào)對(duì)換擋開關(guān)的要求遠(yuǎn)比工頻開關(guān)高。

　　相位是影響功率測(cè)量的重要指標(biāo)，同樣的相位誤差，功率因數(shù)越低，功率測(cè)量誤差越大。相位誤差主要包括：儀器儀表相位誤差、電壓傳感器相位誤差、電流傳感器相位誤差。儀器儀表的相位誤差因不同廠家不同設(shè)計(jì)而異，目前數(shù)字式高精度功率計(jì)可以做到較高的精度。電壓、電流傳感器造成的相位誤差與傳感器類型及原理有關(guān)。對(duì)于互感器而言，通常用于50Hz測(cè)量，《測(cè)量用互感器檢 定規(guī)程》對(duì)相位指標(biāo)（角差）作了明確規(guī)定，如，0.2 級(jí)互感器的角差不大于10′，準(zhǔn)確度等級(jí)越高的互感 器，其比差和角差越小。目前，除互感器外，霍爾傳感器等一般的電壓、電流傳感器不將相位列入考核指標(biāo)。 也就是說，采用這些傳感器的測(cè)試系統(tǒng)，相位誤差為未知。這種情況下，建議用戶將傳感器和儀器連接在一起作為系統(tǒng)，送法定計(jì)量單位進(jìn)行計(jì)量溯源。

　　本電機(jī)的額定頻率為8.5Hz，《標(biāo)準(zhǔn)》5.1.3 指出， 型式試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在額定頻率 40%～110%范圍內(nèi)做空載曲線，即空載特性試驗(yàn)的最低基波頻率為3.4Hz。目前，許多諧波分析設(shè)備標(biāo)稱的基波頻率范圍較寬，最低頻率亦可滿足上述要求。但實(shí)際應(yīng)用中，尚存在一些具體問題。以日本YOKOWAGA公司生產(chǎn)的WT3000為例。一般用戶會(huì)認(rèn)為其最低基波頻率可低至0.1Hz。事實(shí)上，對(duì)于基波測(cè)試，WT3000有三種模式。其測(cè)試范圍分別如下：

a、寬帶寬諧波測(cè)量模式

　　該模式下，若 PLL 源不采用外部采樣時(shí)鐘時(shí)，基波 頻率范圍為 10Hz~2600Hz。當(dāng)PLL源采用3000倍基波頻率的外部采樣時(shí)鐘時(shí)，基波頻率范圍為0.1Hz~66Hz。

b、IEC 諧波分析模式

　　該模式下，基波頻率范圍為 45Hz~66Hz。

c、常規(guī)模式時(shí)的諧波分析該模式下，基波頻率范圍為10Hz~2600Hz。

　　可見，只有寬帶寬諧波測(cè)量模式下，且當(dāng)PLL源采用3000倍基波頻率的外部采樣時(shí)鐘時(shí)，基波頻率范圍滿足測(cè)試要求。實(shí)際上，以3.4Hz為例，此時(shí)，采樣頻率為10.2ksps。由于被測(cè)信號(hào)含有高次諧波，根據(jù)采樣定理，必須開啟 5.1kHz 以下的 500Hz（該儀器5.5kHz以下的濾波器只有500Hz可選）反混淆濾波器。此時(shí)，電壓的測(cè)試精度為讀數(shù)的0.7%+量程的0.3%，已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，對(duì)于變流器產(chǎn)生的PWM波形，500Hz的低通濾波器將導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)將嚴(yán)重偏離實(shí)際信號(hào)，而低通濾波器對(duì)相位造成的影響對(duì)低功率因素下功率測(cè)試精度的影響將越大于對(duì)電壓或電流測(cè)試精度的影響。

　　該電機(jī)的額定電流為1833.4A。 從試驗(yàn)報(bào)告看，空載特性試驗(yàn)時(shí)，最小電流為10.50A左右。過電流試驗(yàn)時(shí)，電流為額定電流的1.5倍，即2750.1A。

　　最大電流約為最小電流的262倍。試驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍要求非常寬。以常規(guī)的換擋方式，從3000A至10A，需分為7檔以上，如3000A/1000A/500A/200A/100A/50A/20A。 有人提出采用更高精度和線性度的傳感器避免換擋。如采用精度很高的 Denfysik電流傳感器。該傳感器的變比誤差小于50ppm，線性度小于5ppm，副邊輸出10V。若選用3000A傳感器，10A時(shí)，副邊輸出僅3.333mV，在強(qiáng)干擾環(huán)境下，很難發(fā)揮其高精度特性。