CN102967768A - 用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法，其特征在于所述电容容量根据叠频试验的被试电机功率、试验频率、试验最大容量和直流母线电压的参数按照计算公式

Description

用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法

技术领域

本发明涉及一种电力测试设备容量的计算方法，特别涉及一种用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法。

背景技术

按照国标GB/T1032-2005的相关规定，三相异步电动机温升试验可以采用直接负载法或等效负载法。直接负载法即通过被试电机与辅助电机的机械连接来模拟实际负载。但由于辅助电机的外形尺寸和容量的限制，对于一些无法实现对拖的立式电机和尺寸不合适与辅助电机进行对中装配的各类电机均不能进行负载温升试验。而等效负载法中的定子叠频法，由于不需要被试电机和辅助电机进行机械连接和其它形式的负载设备，所以大大减少了试验时间和准备工作，在行业中已经成为一种广泛应用的试验方式。

叠频试验的基本原理为在试验时，将两种不同频率的电压串联后作为被试电机的电源，在异步电动机绕组上产生相当于直接负载时的损耗而使温度上升，也就是使用频率不同的两组电源串联，一般主电源频率为工频即电机额定频率50Hz，电压等级需与被试电机相同，这是用来起动并保证被试电机在额定电压下的运行；副电源频率一般在38Hz～42Hz区间选择(低于额定频率数赫兹)，由于与主电源串联，所以副电源电压等级也应与被试电机相同并且额定电流不小于被试电机的额定电流，用来调节并保证被试电机在额定电流下运行。

叠频法进行异步电动机温升试验时不需要进行机械联接，所以该法特别适用于难以对组或无合适的拖动电机、超设备容量的异步电机及低速异步电机而又没有合适陪试电机的温升试验，对于普通的异步电机，叠频法温升试验则可以减少对组装配的时间及减少试验时的能源消耗。

根据国标对叠频试验的要求，在进行叠频试验时，施加给电机的电源情况分析如下：

试验时，两个不同频率电源产生的旋转磁场Φ₁及Φ₂，分别以Φ₁及Φ₂的角速度在气隙中旋转，气隙中的合成磁场Φ则是这两个磁场的叠加。若用旋转矢量表示，如图1所示。

图中合成磁场的幅值及角速度ω均随时间而变化，其瞬时角速度为：

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+k^2{\mathrm{\ω}}_2+k({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t}{1+k^2+2k\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}$

式中： $k=\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_1}=\frac{E_2{\mathrm{\ω}}_1}{E_1{\mathrm{\ω}}_2}\≈\frac{U_2{\mathrm{\ω}}_1}{U_1{\mathrm{\ω}}_2}$

ω——角速度，电弧度/s；

U₁——主发电机端电压，V；

U₂——辅助发电机端电压，V。

从上述分析可知：ω变化的频率仅决定于它们的频率之差。

叠频试验时，被试电机转子虽未与任何负载连接，但由于转子的转动惯量，它们不能跟随气隙磁场转速的变化而改变其转速，转子转速的平均值非常接近于ω₁(稍低于ω₁)，并周期性的加速与减速。因此，在气隙磁场转速变化的一个周期，部分时间下，转子转速低于旋转磁场转速，作电动机运行，从电网吸取能量；另一部分时间内，转子的转速高于旋转磁场转速，作为发电机运行，把能量送给电网。因此对于叠频试验，只需要对电机提供一个两个频率的电源的合成电源即可满足叠频试验的要求，叠频试验波形如图2、图3所示。

近年来，随着变频控制技术的发展，越来越多地开始采用变频试验电源作为主、副电源使用，这样就要求变频试验电源输出的电源的方程式为：

U＝U₁sin(ω₁t+θ₁)+U₂sin(ω₂t+θ₂)

对于逆变器来讲，产生这个波形的电源，只需要将输出的电源采用该方程进行运算，就可得到适合叠频试验的输出电源。

叠频试验用变频试验电源的设计，基本原理与普通变频电源设计相同，把交流电整流成直流，对直流电进行质量上的处理，然后将直流逆变成频率可变的交流电输出，只是逆变器的控制算法更为复杂。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中还没有这类具体的计算方法，提供一种用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法。

在电机叠频试验中，由于电机不断的在电动和发电两种状态下循环工作，因此直流母线电容的作用也发生了变化，不再是单纯的滤波稳压，而是主要作为储能元件而存在，容值也将比普通变频器的母线电容大很多，其电容值的大小，直接决定了叠频试验电源的最大试验能力。本发明的目的，旨在提供一种合理的母线电容计算方法，使得电容值的大小与电源的最大允许试验能力(包括被试电机的最大功率、最小基本频率等)实现最佳匹配，以免由于电容值选取过小，造成试验电源容量不足，同时也避免电容值设计过大，导致成本的急剧增加，浪费财力。

叠频试验直流母线电容主要用于储存电机电动、发电循环运行中产生的能量，所以说电容值直接决定电源最大试验能力，从这个角度考虑，其值的大小自然主要与试验频率、试验最大容量和直流母线电压有关，参数之间的具体计算公式如下：

首先对各个参数变量进行定义：

f_min——叠频试验最小基准频率Hz，例如工频50Hz；

f_cmin——最小差频频率Hz，即主、副电源的频率差值；

t_max——最大充、放电工作周期s，由最小差频频率决定；

P_max——叠频试验最大容量kVA；

Q_max——最大吸收能量kJ，一个充、放电周期内吸收的最大能量；

U_c——直流母线电压V；

U_cmax——直流母线允许峰值电压，即直流母线放电或回馈保护电压V；

C——直流母线电容值μF。

本发明的特征在于所述电容容量根据叠频试验的被试电机功率、试验频率、试验最大容量和直流母线电压的参数计算得到。计算公式为：

$C=\frac{1}{2}\frac{P_{\max }\×{10}^3}{({U_{c\max }}^2-{U_c}^2)\×0.16{\×f}_{\min }}{\×10}^6$

其中：

C——直流母线电容值μF

P_max——叠频试验最大容量kVA；

U_cmax——直流母线允许峰值电压，即直流母线放电或回馈保护电压V；

U_c——直流母线电压V；

f_min——叠频试验最小基准频率Hz；

叠频试验电源由两个频率不同的电源串联供电，两个电源的频率差一般在叠频试验最小频率的16％～24％范围内(与GB1032-2005规定范围相符)，通常在设计电容值时，要考量的是其极限状态的数据，也就是其在一个工作周期内能吸收的最大能量值，由于吸收能量的最大值(一个工作周期内充、放电时间各占一半)，此时t_max＝1/f_cmin、f_cmin＝0.16×f_min；又由于电容值与其储能、端电压存在如下关系，所以可得： $C=\frac{Q_{\max }\×{10}^3}{{U_{c\max }}^2-{U_c}^2}{\×10}^6.$

在此公式中，并没有完全按照常规的公式

进行计算，在实验中，考虑到电容在实际工作中，不可能将储能全部释放，因此去掉1/2这一系数，这样所得的计算值更接近于实际。

最终得到直流母线电容的计算公式为：

$C=\frac{1}{2}\frac{P_{\max }\×{10}^3}{({U_{c\max }}^2-{U_c}^2)\×0.16{\×f}_{\min }}{\×10}^6$

本发明的计算方法所用的叠频试验装置包括：主控单元、整流单元、电容、逆变单元和被试电机。

本发明的优点是根据叠频电源及试验原理的特性，结合实际应用中的实验数据，得出了此实用性较强的计算公式，避免了由于母线电容选择不当造成的电源试验能力下降或电容成本的大幅上升的缺陷，节省了设计时间，减少成本投入。

附图说明

图1主副电源及合成磁场矢量示意图；

图2主副电源频率差异的波形示意图；

图3叠频试验电源波形示意图；

图4直流母线电容端电压示意图。

具体实施方式

下面结合图2、图3及图4进一步说明本发明的实施例：

本实施例为叠频试验，叠频试验装置包括：主控单元、整流单元、电容、逆变单元、被试电机。在进行叠频试验时，由主控单元控制逆变单元，对被试电机施加额定电压、额定频率的电源，被试电机正常启动运行，此时直流母线电容用作平波稳压；在被试电机运行稳定后，主控单元控制逆变单元输出两种频率叠加的电源，即被试电机进入叠频试验模式，电机在电动和发电两种状态下频繁转换，此时直流母线电容也随着被试电机工作状态的不同，反复频繁的充放电，电容作为储能元件使用，电容容值的确定就变得尤为重要。电容容量根据叠频试验的被试电机功率、试验频率、试验最大容量和直流母线电压的参数计算得到，计算公式为：

$C=\frac{1}{2}\frac{P_{\max }\×{10}^3}{({U_{c\max }}^2-{U_c}^2)\×0.16{\×f}_{\min }}{\×10}^6$

本实施例的叠频试验最小基准频率为：f_min＝50Hz；

最小差频频率为：f_cmin＝0.16×f_min＝8Hz；

最长工作周期为：t_max＝1/f_cmin＝1/8＝0.125s

叠频试验最大容量为：P_max＝3000kVA；

最大吸收能量为： $Q_{\max }=\frac{1}{2}\×P_{\max }\×t_{\max }=\frac{1}{2}\×3000\×0.125=187.5\mathrm{kJ};$

直流母线电压为：U_c＝950V；

直流母线允许峰值电压为：U_cmax＝1200V；

按照 $Q_{\max }=\frac{1}{2}\×P_{\max }\×t_{\max },$ $C=\frac{1}{2}\frac{P_{\max }\×{10}^3}{({U_{c\max }}^2-{U_c}^2)\×0.16{\×f}_{\min }}{\×10}^6$ 公式代入计算，

直流母线电容 $C=\frac{Q_{\max }\×{10}^3}{{U_{c\max }}^2-{U_c}^2}{\×10}^6=\frac{187.5\×{10}^3}{{1200}^2-{950}^2}{\×10}^6=348837\mathrm{\μF}.$

本实施例的直流母线电容为C为348837μF。

Claims (5)

1.一种用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法，其特征在于电容容量根据叠频试验的被试电机功率、试验频率、试验最大容量和直流母线电压的参数计算得到，计算公式如下：

$C=\frac{1}{2}\frac{P_{\max }\×{10}^3}{({U_{c\max }}^2-{U_c}^2)\×0.16{\×f}_{\min }}{\×10}^6$

其中：

C——直流母线电容值μF

P_max——叠频试验最大容量kVA；

U_cmax——直流母线允许峰值电压，即直流母线放电或回馈保护电压V；

U_c——直流母线电压V；

f_min——叠频试验最小基准频率Hz；

2.根据权利要求1所述的用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法，其特征在于所述叠频试验的在一个工作周期内能吸收的最大能量值Q_max根据下列公式计算：

一个工作周期内充、放电时间各占一半；

其中：t_max＝1/f_cmin；

f_min——叠频试验最小基准频率Hz；

f_cmin——最小差频频率Hz，即主、副电源的频率差值；

t_max——最大充、放电工作周期s，由最小差频频率决定；

Q_max——最大吸收能量kJ，一个充、放电周期内吸收的最大能量；

3.根据权利要求1或2所述的用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法，其特征在于所述叠频试验电源由两个频率不同的电源串联供电，叠频试验最小基准频率f_min与最小差频频率f_cmin的频率差一般在16％～24％范围内。

4.根据权利要求1所述的用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法，其特征在于所述直流母线电容值C的计算公式根据：

$C=\frac{Q_{\max }\×{10}^3}{{U_{c\max }}^2-{U_c}^2}{\×10}^6$ 得到。

5.根据权利要求1所述的用于叠频试验连接在直流母线上的电容容量的计算方法，其特征在于该计算方法所用的叠频试验装置包括：主控单元、整流单元、电容、逆变单元和被试电机。

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