交流电力测功机的方案研究_周腊吾

如果原动机还需测功机作电动状态运行，则 切断逆变模块，由整流模块和逆变器模块给测功 机提供频率可变的交流。
交流变频电力测功系统中变频器四象限运 行，三相笼型测功机的机械特性及各种运行状态 与三相异步电动机相似。但是，设计时必须充分 考虑被试机械的特点，使变频测功机的机械特性 符合被试机械的要求，达到稳定工作的目的。
变逆变器的 β 以改变 Ｕ２，其机械特性曲线如图 ２ （ｃ）所示。由此可见，用电动状态时，只要调整 β 值，就可调整测功机的工作点。
相同，由恒转矩和恒功率区组成，最高转速 ｎｍａｘ 仅受电机机械因素的限制。与直流测功机相比，
交流绕线式测功机有滑环，但没有换向火花问
题，最高转速可高一些。在发电状态的测功区内
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以及测量摩擦功率时，此时接触器 Ｄ 断 Ｃ 合，测 验数据和理论分析计算［６］，同步电力测功机的机
功机作电动机运行，定子接三相电网，转子绕组 械特性如图 ２ 所示。根据配机的试验情况和机械
产生转差频率的电势，通过整流逆变把转差功率 特性的分析，同步测功系统很适合为柴油机性能
４ 双馈电力测功机
５ 结论
上述两种方案，当测功机由柴油机拖动工作
（１）随着电力电子技术的发展，直流电力测
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功机逐渐被淘汰，交流电力测功机为发展方向。 （２）应用电力测功机的产品品种繁多，必须
有不同的方案，才能适应多种要求。作者研究的 交流电力测功机三种方案，能适应多种被试机械 的需要。
了由于过大的起动电流所造成电机磁通过饱和、 过热、过电流跳闸、绕组变形等故障；且由于泵 的平均转速降低了，从而可延长泵体、阀门电机 轴承等机械设备的冲击，大大延长了设备的电 气、机械使用寿命；并可消除起动和停机时的水 锤效应。 ４．３ 提高排水的质量
机组的负荷是经常变动的，因此进出水不平 衡的情况时有发生。而出水和进水之间的不平衡 集中地反映在＃ ２ 低加疏水罐的液位上，即出水 多而进水少，则液位下降；出水少而进水多，则 液位上升。通过变频改造后可以保持＃ ２ 低加疏 水罐的液位恒定，可使进水和出水之间平衡，即 进水多时，出水也多；进水少时，出水也少；从 而提高了排水的质量。 ４．４ 操作简单、运行可靠、自动化程度高
电网吸收无功。而且，经过专门设计的同步电力
测功机，其逆变器吸收的无功功率也明显地小于
异步方案。
测功机的机械特性对测功系统工作的稳定性
与测量准确度影响很大，也是系统调节控制的依
据。同步电力测功机作发电机运行时，根据同步
电机的原理，推演出机械特性。用一台特别设计
制造的１５ｋＷ、３０００ｒ／ｍｉｎ 交流绕线式测功机与一
工作，都能实现能量回收。
作电动状态运行时，测功区的最高转速受同
步转速的限制。只有当原动机的标定转速低于测功
机的同步转速时，才能完整地测出摩擦功率曲线。
同步转速以下的电动状态能满足柴油机的起动和冷
磨合的要求，解决大多数柴油机的试验需要。
另外，同步测功系统的功率因数明显高于异
步测功系统，因同步电机为直流励磁，不需要从
流逆变系统相联。柴油机驱动电机，当转速超过 同步转速 ｎ１时为发电状态（负载）运行，电能馈 送电网，低于同步转速为电动状态（驱动），测 功机以串级调速方式工作，转差功率经整流逆变 系统馈送给电网。测功区以 ｎ１为界，高于ｎ１为发 电状态，低于 ｎ １ 为电动状态。这种测功区适合柴 油机的出厂试验。１９７４ 年，湖南大学在异步方案 的基础上研制了“同步方案”电力测功机［５］。近 年来湖南大学电力测功机研究所与湘潭电机厂合 作，研制了交流变频电力测功机和双馈电力测功 机。
电机试验
交流电力测功机的方案研究
湖南大学电气与信息工程学院（４１００８２）周腊吾 张桂香 曾利权 赖烈恩
摘要 介绍交流电力测功机的国内外状况，论述 了同步电力测功机、交流变频电力测功机和双馈 电力测功机的基本原理、机械特性及其特点，并 指出交流电力测功机的发展趋势。 叙词 测功机 异步电动机 转矩功率 测量
２ 同步电力测功机
由于异步电力测功系统的发电状态运行希望 把 ｎ１选得较低，使负载测功转速范围扩大；而电 动状态运行则希望把ｎ１选得较高，使转速范围扩 大。因此，异步电力测功机难以兼顾发电状态和 电动状态的要求，使电力测功机受到较大的限 制。同步电力测功系统能比较好地解决这一矛盾 ［５］。图１ 是同步电力测功系统的原理图，被试机 作为原动机（如内燃机、电动机等），原动机１ 驱 动测功机 ２，此时接触器 Ｃ 断 Ｄ 合，整流器 ５ 为 测功机提供直流励磁，测功机作同步发电机运 行，所发出的非固定频率交流经整流器３整流，及 经逆变器 ４ 成为与电网同频率同相位的交流，输 送给电网。当被试机为被动机械（如风机、水泵 和发电机等）时，或用于原动机的起动、冷磨合，
图３ 交流变频电力测功系统原理图
在检测原动机的转矩和功率时，由原动机 １ 驱动测功机 ２ 的转子，以所需的测试转速范围转 动。此时，整流模块 ４ 和逆变器模块 ３ 给测功机 提供任意频率的无功，使其频率对应的转速（同 步转速）低于测功机的转速，形成超同步转速运 行的发电状态。测功机所发任意频率ｆ的电功率， 经过变频器模块整流为直流，再经回馈逆变模块 ５ 逆变为与电网同频率同相位的交流，经隔离变 压器 ６ 送给电网。
ω１＝ωｍ ± ω２ 或 ｆ１＝ｐｆｍ ± ｆ２ 式中：ｆ１ —电网频率；
ｆ ２ —转子电源频率； ｆｍ —转子机械频率，由原动机转换决定； ｐ —电机极对数。 当时ｆ２＝ｆ１时，转子速度为零。ｆ２＝０ 时，转子 转速为同步转速。当１＞ｓ＞０ 时，电机为亚同步运 行，若此时电机处于发电状态，则原动机机械功 率输送给电机，滑差功率由变频器通过转子输送 给电机，而定子端则将电能直接回馈给电网。通 过调节转子侧的电流可控制定子侧的回馈功率。 在需要测功机作电动运行的场合，为了避免 转子侧向电网回馈电功率，以便用通用变频器供 电，可调节转子频率使之工作于超同步状态，这 样电磁功率由定子侧电源供给，滑差功率由转子 侧电源提供。由于原动机出厂试验时测功机主要 工作在发电状态，电动状态只在起动或冷磨合时 用，此时可将转子侧电源切除，测功机作异步电 动机串级调速运行。这样测功机既能工作于电动 状态作拖动用，又能工作于发电状态作负载用。 并且运行于发电工况时，电功率通过定子回馈电 网，波形较好，对电网干扰小。
馈送给电网。
的测试台架。
测功机作电动状态运行时，测功机实际上是
以异步电动机串级调速方式运行。定子端接电
网，Ｕ１ 为电网电压；转子端接有整流逆变装置， 其端电压 Ｕ２ 与逆变角 β 有关。当 Ｕ１ 一定时，改
图１ 同步电力测功机原理图
同步测功能量回收系统的测功区与直流系统 相似。按发电状态运行时，其测功区与直流系统
２ 李家仓，可控硅交流电力测功机［Ｊ］． 西北电力传动 ．１９９７（１） ３ 天水电气传动研究所．关于交流测功机及其若干问题的探讨［Ｃ］．
电气传动技术资料，１９７８ ４ 上海农业药械厂 ． 一机部洛阳设计院 ．可控硅电力测功机［Ｒ］．
１９７６．７８￣１２２ ５ 曾利权等，内燃机试验能量回收问题的探讨［Ｊ］．现代节能．１９８９．
转速的限制，但绕线式测功机的转子结构仍是制 约转速的因素，电动状态运行仍受同步转速限 制。为了解决高速性和全功能的问题，唯有交流 变频电力测功机能满足这种要求。它转子轻、结 构简单，能四象限运行。
当用原动机拖动测功机，其转速超过同步转 速，这时，作用在转子上的电磁转矩为制动转矩， 由原动机供给机械功率，测功机通过电磁感应由定 子向电网输送功率，测功机进入发电状态运行［７］。 图 ３ 是交流变频电力测功系统原理图。
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稳，起动电流可限制在额定电流之内，从而避免
４ 改造后的效果
４．１ 节电效果明显 用变频器调速来实现液位闭环控制，与用调
节阀门来实现排水量调节相比较，节能效果是十 分明显的。当水泵的转速从 ｎ１ 变为 ｎ２ 时、功率 Ｐ 大致变化关系为：
Ｐ２＝Ｐ（１ ｎ２／ｎ１）３ 可知，水泵电机的功率同电机转速的立方成 正比，所以当电机的转速变化时，电机的功率会 有较大的变化。对于传统用手动调节阀门来实 现调节液位的方式，阀门的开度根据机组负荷 多少变化很大，相当一部分电能消耗在阀门的 阻力降上，造成电能的浪费。采用变频调速技 术，可将阀门开至最大，应用液位闭环控制，通 过调节水泵电机的转速直接调节液位来满足生 产要求。改造前，中继泵每天用电量约为 ６２５ｋＷｈ，改造后，每天用电量为 ４１０ ｋＷｈ，节 电率为 ３４．４％。 ４．２ 改善水泵的运行性能，延长设备使用寿命 由于实施了软起动和软停车，电机起动平
两种运行方式互为备用，提高了系统的可行 性。自动系统的设置可以方便的修改，能够适应 各种工况的要求，不用人为干预便可实现自动控 制，大大减轻了工作人员的劳动强度。
（收稿日期：２００３－１１－２７）
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１ 前言
电力测功机是对各种动力机械进行性能测试 的综合试验设备，主要用于风机、水泵、液力或 齿轮变速器等输入功率的测试，亦可作为发动机 等输出功率的测试，是一种全功能（有电动工况， 又有发电工况）、高性能的重要检测设备。国外 交流电力测功机 ＡＰＡ 系列有一定的代表性，它由 ＡＶＬ 和 ＥＬＩＮ 公司联合生产［１］。ＡＰＡ 系列测功电 机采用摇篮式笼形异步电机结构，主电路为交直 交变频系统，数据采集、处理与工况自控的微机 测试。
２０ 世纪 ７０ 年代，我国开始研究交流电力测 功机。１９７２ 年，天水电气传动研究所与天水柴油 机厂合作，研制 ＤＣ－１、ＤＣ－２ 和 ＫＪ－３ 型交流测功 机［２］［３］。１９７３ 年，上海农业药械厂（现名上海内 燃机总厂）和原一机部洛阳设计院合作，研制一 批交流测功机，装备了 １５ 台的柴油机出厂试验 车间，实现了出厂试验车间能量回收［４］。这些研 究工作的特点都是采用“异步方案”，测功机采 用绕线式异步电机，柴油机直接与电机转子连 接，定子绕组与 ３８０Ｖ 电网相联，转子绕组与整