變頻電源在制動電阻風(fēng)機測試中的應(yīng)用

      關(guān)鍵字：制動電阻  正弦波輸出  變頻器  變頻電源  載波頻率  三相交流電源 

      1 引言
      由于世界各國電網(wǎng)指標(biāo)不統(tǒng)一，出口電器廠商需要電源模擬不同國家的電網(wǎng)狀況，為工程師在設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)線測試及品保的產(chǎn)品檢測、壽命、過高壓/低壓模擬測試等應(yīng)用中提供純凈可靠的、低諧波失真、高穩(wěn)定的頻率和穩(wěn)壓率的正弦波電力輸出。然而，在實驗室采用變頻器調(diào)節(jié)時，給測試帶來了極大的困難，振動增大、電磁噪音增大、溫升提高、測試儀表無法正常工作等問題凸顯，因此，能提供純凈正弦波輸出的變頻電源就成為實驗室不可缺少的設(shè)備。

      2 變頻器的應(yīng)用
      當(dāng)今變頻器產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，變頻器產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變頻器自20世紀(jì)60年代問世后，80年代就在工業(yè)化國家廣泛使用，進入90年代，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，變頻器的應(yīng)用越來越普及。

      變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在制動電阻風(fēng)機、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)常州博邦制動電阻與電抗器機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當(dāng)電機不能在滿負(fù)荷下運行時，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。

      同時，制動電阻風(fēng)機、泵在使用變頻調(diào)速后，可以控制電機的啟動電流，降低電力線路電壓波動，啟動時需要的功率更低，具有可控的加速功能、運行速度和轉(zhuǎn)矩極限，具備減速停車、自由停車、減速停車+直流制動等受控的停止方式，能大幅降低能耗，節(jié)約了齒輪箱等機械傳動部件。

      3 變頻器在實驗室應(yīng)用時帶來的問題
      隨著出口產(chǎn)品的增長，世界各地電壓等級、頻率各異，其它國家和地區(qū)的工頻以60hz居多，電壓又有400v、415v的區(qū)別，由于常州博邦制動電阻與電抗器對變頻器技術(shù)的相關(guān)知識掌握得較少，對變頻器電氣特性的測定方法掌握得不夠全面，開始我們采用變頻器提供所需的60hz電源，在測試過程中發(fā)現(xiàn)了諸多問題：

      （1）制動電阻風(fēng)機轉(zhuǎn)速和電壓變化。輸出60hz電源時，電機轉(zhuǎn)速并不是50hz時的1.2倍，將輸入側(cè)的電壓調(diào)整為380v時，輸出側(cè)的電壓和輸入測的電壓不同，差異較大。這是因為變頻器是采用逆變技術(shù)的，通用的變頻器都是變頻變壓（vvvf），頻率發(fā)生變化，電壓也會成正比發(fā)生變化，如圖1所示。

      （2）電機運行電磁噪音增加。變頻器輸出的是矩形波電壓，存在高頻分量，因此電機會產(chǎn)生刺耳的高頻噪音，該噪音明顯大于制動電阻風(fēng)機的噪音，給噪音測量帶來了難題。

      （3）電機溫升升高。變頻器輸出電壓波形不是正弦波，而是畸形波，在額定扭矩下的電機電流比工頻時要多出約10%左右，所以溫升比工頻時略有提高（低次電流諧波使銅損增大，高次諧波使鐵損增大），給常州博邦制動電阻與電抗器電機溫升試驗帶來不便，使得溫升試驗結(jié)果偏差較大。

      （4）普通電磁、數(shù)字測試儀表失靈。變頻器的輸入電流和輸出電流中都有頻率較高的高次諧波成分，高次諧波電流所產(chǎn)生的電磁場具有輻射能力，使其他設(shè)備（尤其是通信設(shè)備）因接收到電磁波信號而受到干擾，使得電磁式儀表、數(shù)字式儀表都不能用來直接測量交流電壓和電流，必須采用整流式儀表才能進行較為準(zhǔn)確的測量。

      針對出現(xiàn)的問題，我們和變頻器廠家的工程師進行了多次討論和分析，對變頻器的參數(shù)進行了合理地調(diào)整，常州博邦制動電阻與電抗器通過調(diào)整載波頻率來減小電磁噪音、降低電機溫升，然而，電磁噪音和電機溫升在載波頻率面前是一對矛盾體，無法達(dá)到全部減小甚至消失的效果。

      4 變頻器和變頻電源的區(qū)別
      為了解決使用變頻器時的噪聲、溫升、測試等問題，就必須仔細(xì)分析變頻器的工作原理，盡量將影響降到最低。在學(xué)習(xí)、分析的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了更為理想的實驗室電源設(shè)備-變頻電源。下面對常州博邦制動電阻與電抗器比變頻器和變頻電源的原理及區(qū)別，以方便工程技術(shù)人員進行合理的選擇，在選擇變頻設(shè)備時少走彎路。

      變頻器是可以改變頻率和電壓的電源。變頻器是由交流-直流-交流（調(diào)制波）等電路構(gòu)成的，將電網(wǎng)三相交流電經(jīng)過三相橋式整流成脈動直流，再通過電解電容和電感濾波成平滑直流，最后通過逆變器，逆變成電壓和頻率可調(diào)的三相交流電。變頻器標(biāo)準(zhǔn)叫法為變頻調(diào)速器。

      變頻器的輸入電路是三相交流電源經(jīng)全波整流后向濾波電容器充電的電路，輸入電流總是出現(xiàn)在電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式，常州博邦制動電阻與電抗器如圖2所示，變頻器的輸出電路是把直流變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相調(diào)制交流電壓的逆變橋電路，其輸出電壓波形是正弦調(diào)制spwm波，如圖3所示。

      高次諧波電流在線路上所造成諧波壓降，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，這個畸變影響到其它負(fù)載，導(dǎo)致用電設(shè)備效率降低，噪音增大，甚至在一些設(shè)備里發(fā)生共振，導(dǎo)致設(shè)備過熱，還會給儀表裝置和電訊設(shè)備帶來嚴(yán)重的電磁干擾，給測試裝置的精度及數(shù)據(jù)的可靠性帶來了嚴(yán)重的后果。因此，常州博邦制動電阻與電抗器需要尋找替代變頻器的更為精密的電源裝置，變頻電源就是十分合適的選擇。

      變頻電源是將工業(yè)電網(wǎng)中的交流電經(jīng)過ac-dc-ac變換，輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓一定范圍內(nèi)可調(diào)。它有別于用于電機調(diào)速用的變頻器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。理想的交流電源的特點是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。常州博邦制動電阻與電抗器變頻電源十分接近于理想交流電源，輸出相位偏差在±2°內(nèi)，頻率穩(wěn)定率≤0.01%，負(fù)載穩(wěn)壓率在±0.5%范圍內(nèi)，波形失真度≤2%（阻性負(fù)載），反應(yīng)時間最大值為2ms，效率≥85%，帶有輸入、輸出無熔絲開關(guān)，電子電路快速偵測過電壓、過電流、過載、過高溫＆短路并自動跳脫保護及告警等保護裝置。因此，先進發(fā)達(dá)國家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。

      變頻電源可以帶載各種阻抗特性的負(fù)載，包括電感類、電阻類、整流類常見負(fù)載，需引起重視的是負(fù)載類型不同，所需變頻電源的功率容量有很大不同。
電源容量選擇方法：
阻性：電源容量 = 1.1×負(fù)載功率
感性：電源容量 =負(fù)載啟動電流/負(fù)載額定電流×負(fù)載功率
整流：電源容量 = 負(fù)載電流波峰系數(shù)/1.5×負(fù)載功率
混合型：請按照不同負(fù)載所占比例適當(dāng)選取
注：對于冰箱、空調(diào)之類的感性負(fù)載，應(yīng)按照啟動功率來選擇電源容量。啟動功率一般為額定功率的5-7倍。

      通過選擇合理的變頻電源，就能模擬世界各地的電壓、頻率，獲得可靠的實驗室數(shù)據(jù)，對于使用最為普遍的電機而言，要按照常州博邦制動電阻與電抗器感性負(fù)載進行選擇。我廠使用的電機最大功率為3kw，啟動電流約為額定電流的3倍，因此選擇15kva的電源容量已經(jīng)足夠。當(dāng)然，變頻器和變頻電源的價格也不在一個數(shù)量級，變頻電源的價格約為變頻器的10倍。

      5 結(jié)束語
      通過對變頻器和變頻電源原理的研究和分析，掌握了變頻器和變頻電源的輸出電源特性，了解了常州博邦制動電阻與電抗器實驗室使用變頻器所帶來的諸多問題，為實驗室選擇合理的變頻電源裝置提供了依據(jù)，特別是對電氣知識掌握較少的機械類工程技術(shù)人員來說，合理選擇實驗室電源裝置，才能對產(chǎn)品性能檢測、型式試驗提供保證，才能使產(chǎn)品在世界各地暢通無阻。