淺談變頻電機試驗的功率測量

淺談變頻電機試驗的功率測量徐偉專1,2,董行健1,3，方宏1(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南長沙410073；湖南銀河電氣有限公司,湖南長沙410073；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川成都610031）摘要：本文首先對三表法和二表法在電機試驗中的測量方式進(jìn)行了比較，其次分析了電容電流存在時的電機功率測量方法及誤差，并對兩表法測量進(jìn)行了改進(jìn)，最后討論了電容電流對功率測量的影響以及消除方法。關(guān)鍵詞：電機試驗，功率測量，二表法，三表法，電容電流ABriefTalkonPowerMeasurementofVariableFrequencyElectricalMachineXuWei-zhuan2,DONGXing-jian1,2（1．HuNanYinheElectricCo..Ltd,ChangshaHunan410073,China2．DepartmentofElectricEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China；）Abstract:ThecomparisonbetweendoublemetermethodandthreemetermethodonElectricalMachinetestisfirstlyintroduced.Thenthepowermeasurementmethodanditserrorwithcapacitorcurrentexistingareanalyzed.Next,amethodtoimprovethedoublemetermethodisproposed.Finally,theinfluenceanditseliminationsarediscussed.Keywords:Electricalmachinetest,Powermeasurement,Doublemetermethod,Threemetermethod,Capacitorcurrent0 引言 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的高速發(fā)展。變頻電源作為電機試驗電源，存在諸多的優(yōu)勢，但是，與區(qū)別于機組電源相比，變頻電源存在一些機組電源所未遇到的問題。比如功率測試，《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法》[1]報批稿指出，“脈沖頻率高的場合不宜使用兩表法（Aron接法）。這是因有電容電流存在，輸入電流相量之和可能不為零。因此，應(yīng)采用每相用一個功率表的測量方法”。 本文首先分析了三表法和二表法的功率測量原理，隨后就電容電流存在時的功率測量方法和誤差，對三表法和二表法進(jìn)行了對比，最后討論了實際應(yīng)用中如何處理電容電流對功率測量的影響。1 三表法和兩表法功率測量原理 三相電路有功功率的測量方法有二種：三表法，兩表法[2,3,4]。圖1為Y型接法的三相電路。 三相瞬時功率： (1) 平均功率：(2)圖1Y型三相電路 式中，為三相瞬時電流，為三相瞬時電壓。 式(1),(2)即為三表法測量功率的原理，圖2為三表法的測量電路。圖2三表法測量電路 由圖（2）知，三表法測量功率的前提是三相四線制，只有三相繞組為Y型連接，才能接成三相四線制。對于Y連接的三相負(fù)載，若中線N未引出，則有 (3)另外 (4)將上述式(3),(4)代入式（1），有 (5) (6) 式中，為與的相位差，為與的相位差。式(5)、(6)即為兩表法的測量原理，圖3為兩表法的測量電路。圖3兩表法測量電路 △連接時，有同樣的結(jié)論。圖3中，兩個功率表的公共端接在B相，顯然，兩表法的接線方式共有3種，分別以A、B、C相為公共點。由兩表法的推導(dǎo)過程可知，兩表法的應(yīng)用前提是，故兩表法適用于中線未引出的Y連接或△連接的三相電路，即適用三相三線制的三相電路功率測量，與負(fù)載是否對稱無關(guān)。相反，三表法由于需要將中性點作為電壓的參考點，只能用于三相四線制電路的功率測量，不能用于三相三線制電路的功率測量?？梢?，兩表法和三表法的用途不同，一般而言，兩者不能兼容，對于確定的電路，能采用兩表法測量的，就不能采用三表法測量，反之，能用三表法測量的，就不能用兩表法測量。有一種特殊情況，在三相四線制電路中，若中線無電流（例如，電源對稱，負(fù)載對稱的情況下）既可用三表法，也可用兩表法。這也許就是部分人認(rèn)為兩表法只適合三相對稱電路測量的原因。顯然，這種認(rèn)識是錯誤的。首先，對稱電路，只在電路分析時有意義，對于測量來講，并無實際意義。因為測量是人類認(rèn)知或檢驗的一個過程，而對稱與否，是測量的結(jié)果，測量之前，我們并不知道其是否對稱。其次，對于對稱電路來說，只需用一個功率表，讀數(shù)乘以三即可，無需采用兩表法或三表法。2存在電容電流時的電機功率測量2.1測量方法 對于變頻器供電的三相系統(tǒng)中，當(dāng)載波頻率較高時，這些高頻電壓信號經(jīng)過傳輸電纜時，會通過周圍的雜散電容形成電容電流，在電機內(nèi)部，包括軸承電容在內(nèi)的各種分布電容也會形成電容電流，造成三相電流和不等于零，按照兩表法的原理，此時采用兩表法測量會造成誤差。為此，國家標(biāo)準(zhǔn)《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法》報批稿指出，“脈沖頻率高的場合不宜使用兩表法（Aron接法）。這是因有電容電流存在，輸入電流相量之和可能不為零。因此，應(yīng)采用每相用一個功率表的測量方法”，標(biāo)準(zhǔn)中，未明確實際應(yīng)用中面臨的下述問題：多高的脈沖頻率下，不宜使用兩表法？ 2．用一個功率表測量每一相是否就是三表法？ 3．采用三表法，對于中線未引出的電機，如何測量？ 4．采用三表法，是否可以忽略電容電流的影響？ 雜散電容根據(jù)對功率測量的影響，可以分為兩種，第一種，其電流最終回到電源，無中線系統(tǒng)，仍然有；第二種，其電流通過地回路等泄漏，不再回到電源，可能導(dǎo)致無中線系統(tǒng)。本文主要考慮第二種雜散電容的影響，并以電容的對地電流影響為例，圖4為存在對地電容電流的三相電路。圖4存在對地電容電流的三相電路 圖4中。為雜散電容引起的泄漏電流。為電機繞組實際相電流，為總電流，有： (6)(7) 由于電容不消耗功率，式（7）的第二項為零，即： (8) 式(8)說明了兩個問題，首先，功率與電容電流無關(guān)，其次，從測量角度看，除非電機三相繞組的始端和末端均引出，否則，不易直接通過測量獲得。為了方便測量，我們對P進(jìn)行下述變換:(9) 電機試驗中，對于較大功率的電機，往往只引出三根線，式（9）中，第一項可直接測量，第二項不易測量，其值取決于電容電流和負(fù)載中性點電位。在電容電流不能忽略的情況下，如何準(zhǔn)確測量三相電機的功率，尤其是如何采用兩表法準(zhǔn)確測量功率，對電機試驗功率測量具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。2.2存在電容電流時的三表法測量誤差 采用三表法測量的功率為： (10)可見，三表法測量功率，并不能完全消除電容電流的影響，假設(shè)電容電流帶來的附加誤差為，則有： (11)當(dāng)中性點接地時，，。2.3存在電容電流時的兩表法測量誤差 以B相為公共端，采用兩表法測量的功率為：(12)(13)由于，所以。 (14)同理，有： (15) (16) 對于電機試驗，一般而言，電機的三相繞組基本對稱，分布電容也存在一定的對稱性。即：。故三表法測量結(jié)果較為準(zhǔn)確。3 兩表法測量的改進(jìn) 電機試驗中，中線通常沒有引出，導(dǎo)致無法采用三表法進(jìn)行測量。如何提高兩表法的測量精度，具有積極的現(xiàn)實意義。將分別以A、B、C為同名端的三次兩表法測量結(jié)果進(jìn)行平均 (17) 由于電機試驗時，試驗電源一般具有較好的對稱性，當(dāng)電源完全對稱時，有，即 (18) 此時，測量結(jié)果與三表法測量結(jié)果相等，圖5為測量原理圖，圖中采用能測量瞬時值的兩個電壓表和三個電流表，由于，功率可按照式（17）求取。改進(jìn)后的兩表法的優(yōu)點是適合三相三線制的功率測量。圖5：改進(jìn)后兩表法測量原理圖4分析與探討4.1電容電流對功率測量的影響 不論是三表法、兩表法還是改進(jìn)后的兩表法，功率測量結(jié)果均受漏電流大小的影響。且其附加的絕對誤差均與成正比，與電源電壓有關(guān)，電壓越高，尤其是高次諧波電壓越高，越大。其相對誤差與功率P有關(guān)，當(dāng)P越小，相對誤差越大。即：電源電壓固定時，負(fù)載電流越小，相對誤差越大；功率因素越低，相對誤差越大。就電機試驗而言，同樣的變頻器，對于同一臺電機而言，負(fù)載試驗時，誤差較?。豢蛰d試驗時，誤差較大。4.2分離負(fù)載電流與電容電流 不論是三表法、兩表法還是改進(jìn)后的三表法，功率測量結(jié)果均受電容電流大小的影響。在了解測量方法和誤差后，更重要的是如何分離負(fù)載電流和電容電流，實現(xiàn)用兩表法或三表法準(zhǔn)確測量功率。 不論是三表法還是兩表法，測量到的線電流為負(fù)載電流與電容電流之和，我們稱為總電流。電容電流的大小與載波頻率有關(guān)，載波頻率越高，電容電流越大，由于分布電容的容量較小，電容電流主要由高次諧波構(gòu)成。由于電機負(fù)載呈感性，負(fù)載電流主要由基波和低次諧波構(gòu)成。 理論上，我們可以通過對總電流的諧波成分進(jìn)行分析估計電容電流的大小，較高次的諧波電流，主要是電容電流，基波電流及較低次的諧波電流，主要是負(fù)載電流。而實際上，不同特性的電機，對諧波的截止頻率不同，我們很難用一個通用的，確切的頻率值來衡量這個界限，從而不能有效地指導(dǎo)實際測量。實際測量時，更有效的辦法應(yīng)該是盡量減小電容電流。首先，對于線路電容電流，其大小與載波頻率，脈沖上升時間，電纜長度有關(guān)，實際測量時，只要將測試設(shè)備盡可能靠近電機端，完全可以忽略電容電流的影響，還可減小線路電壓降對功率測試的影響。其次，電容電流由高次電壓諧波造成，而高次電壓諧波除了增加功率測量誤差外，還有諸多的危害，如：1.在電纜傳輸環(huán)節(jié)，高次諧波會造成過沖電壓，損壞電機絕緣。2.在電機內(nèi)部，高次諧波導(dǎo)致的軸承電流會損害電機軸承。3.高次諧波產(chǎn)生很強的電磁干擾，影響其它設(shè)備運行。 因此，不論是電機試驗還是工業(yè)運行的變頻電源，都應(yīng)該盡可能減小這種高次諧波。對于變頻電機試驗而言，若要求試驗電源是正諧波電源，需要在變頻器的輸出加裝正諧波濾波器。若要求模擬用戶運行環(huán)境，可采用諸如dv/dt濾波器等低通濾波器以保護(hù)電機。只要采取了上述兩種方式中的任意一種，均可大大減小電容電流，提高功率測試精度。對于載波頻率較高，而輸出又未加裝任何濾波器的變頻器，可通過下述方法判斷電容電流的大小。不引出中線或?qū)⒅芯€懸空，采用三個寬頻帶的電流傳感器，由于，通過對三相電流的高速采樣，運算其向量和，該向量和即為電容電流的向量和。5 結(jié)論 電容電流存在，輸入電流向量和可能不為零，對兩表法或三表法測量均會造成附加誤差。改進(jìn)后的兩表法測試誤差與三表法基本相當(dāng)。就電機試驗而言