可攜式高壓變頻器功率單元綜合檢測裝置的製作方法
2023-05-01 04:29:17
本發明涉及高壓變頻器功率單元綜合檢測，特別是針對級聯式高壓變頻器功率單元的整流二極體、直流支撐電容、IGBT（絕緣柵雙極型電晶體）等關鍵器件的耐壓性能及動態性能的考察等，也可實現對風電變流器進行相關試驗。
背景技術：
目前，基於節能減排及工藝的考慮，高壓變頻器廣泛應用電力、冶金、石化等行業。高壓變頻器的可靠性在電力等行業的生產過程中起著關鍵的作用，但是針對高壓變頻器缺乏行之有效的預防性試驗手段。經常的做法是常規的定期維護，這樣不能及時發現高壓變頻器的早期故障，往往是等變頻器故障停機後，再由廠家來進行維修。因此，其改進和創新勢在必行。
技術實現要素：
針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種可攜式高壓變頻器功率單元綜合檢測裝置，可有效解決級聯式高壓變頻器功率單元的整流二極體、直流支撐電容、IGBT等關鍵器件進行耐壓試驗；測試直流支撐電容的洩露電流；在線動態改變開關頻率考察IGBT器件的開通關斷動態特性，有效的發現高壓變頻器開關器件的早期問題以及功率單元的絕緣問題。
本發明解決的技術方案是，一種可攜式高壓變頻器功率單元綜合檢測裝置，該檢測裝置包括殼體和裝在殼體內的斷路器、電抗器和DSP主控板，殼體上分別設置有觸控螢幕HMI、控制按鈕、驅動脈衝輸出埠、待測功率單元直流側電壓輸入埠、待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號輸入端、儀器輸出接口和儀器電源輸入接口；
所述的觸控螢幕HMI與DSP主控板相連，用於人機互動設置耐壓電壓數值、顯示交流輸入電壓、交流輸入電流、直流洩露電流參數以及報警顯示；
所述的控制按鈕的輸出端與DSP主控板的輸入端相連，用於控制儀器的工作狀態；
所述的驅動脈衝輸出埠的輸入端與DSP主控板的輸出端相連，用於驅動待檢測的高壓變頻器功率單元輸出級IGBT；
所述的待測功率單元直流側電壓輸入埠的輸出端與DSP主控板的輸入端相連，用於輸入待檢測功率單元直流側電壓信號；
所述的待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號輸入端的輸出端與DSP主控板的輸入端相連，用於輸入待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號；
所述的儀器電源輸入接口的輸出端與DSP主控板的電源輸入端相連，用於連接220V交流電源；
所述的儀器輸出接口有2個，其中一個與斷路器的一端相連，另一個與儀器電源輸入接口的零線接口相連，斷路器的另一端與電抗器的一端相連，電抗器的另一端與儀器電源輸入接口的相線接口相連。
本發明結構新穎獨特，利用高壓變頻器功率單元輸出級自帶的H橋，將220V市電變換為1-5kV的直流電，簡單可靠，成本低、體積小。針對級聯式高壓變頻器功率單元的整流二極體、直流支撐電容、IGBT等關鍵器件的耐壓性能及動態性能的考察，可有效的發現高壓變頻器開關器件的早期問題以及功率單元的絕緣問題，使用方便，效果好，有良好的社會和經濟效益。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖（殼體局部剖開）。
圖2為本發明使用狀態的電路原理圖。
圖3為本發明控制原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。
由圖1-3給出，本發明包括殼體和裝在殼體內的斷路器1、電抗器4和DSP主控板5，殼體上分別設置有觸控螢幕HMI 3、控制按鈕6、驅動脈衝輸出埠7、待測功率單元直流側電壓輸入埠8、待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號輸入端9、儀器輸出接口10和儀器電源輸入接口11；
所述的觸控螢幕HMI3與DSP主控板5相連，用於人機互動設置耐壓電壓數值、顯示交流輸入電壓、交流輸入電流、直流洩露電流參數以及報警顯示；
所述的控制按鈕6的輸出端與DSP主控板5的輸入端相連，用於控制儀器的工作狀態；
所述的驅動脈衝輸出埠7的輸入端與DSP主控板5的輸出端相連，用於驅動待檢測的高壓變頻器功率單元輸出級IGBT；
所述的待測功率單元直流側電壓輸入埠8的輸出端與DSP主控板5的輸入端相連，用於輸入待檢測功率單元直流側電壓信號；
所述的待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號輸入端9的輸出端與DSP主控板5的輸入端相連，用於輸入待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號；
所述的儀器電源輸入接口11的輸出端與DSP主控板5的電源輸入端相連，用於連接220V交流電源；
所述的儀器輸出接口10有2個，其中一個與斷路器1的一端相連，另一個與儀器電源輸入接口11的零線接口相連，斷路器1的另一端與電抗器4的一端相連，電抗器4的另一端與儀器電源輸入接口11的相線接口相連。
為保證使用效果，所述的殼體上設置有與DSP主控板5的輸入端相連的通信接口12，用於擴展功能；
所述的殼體為方形或圓形；
所述的DSP主控板包括電源模塊（將220V交流電變換為±15V、+5V控制電源供給整個DSP主控板用）、模數採樣模塊、驅動PWM信號生成模塊、通信模塊、霍爾電壓模塊、霍爾電流模塊等；該DSP主控板為市售產品（現有技術），如可以採用TI公司生產的型號為DSP28335的晶片等；
所述的檢測裝置與高壓變頻器功率單元相連，高壓變頻器功率單元包括整流二極體D1、D2、D3、D4、D5、D6，電容C1、C2和絕緣柵雙極型電晶體VT1、VT2、VT3、VT4；
整流二極體D1的負極分別接整流二極體D3的負極、整流二極體D5的負極、電容C1的一端和絕緣柵雙極型電晶體VT1的集電極，整流二極體D1的正極接整流二極體D4的負極，整流二極體D3的正極接整流二極體D6的負極，整流二極體D5的正極接整流二極體D2的負極，整流二極體D4的正極分別接整流二極體D6的正極、整流二極體D2的正極、電容C2的一端和絕緣柵雙極型電晶體VT2的發射極，電容C1的另一端接電容C2的另一端；整流二極體D1和整流二極體D4的共端A、整流二極體D3和整流二極體D6的共端B、整流二極體D5和整流二極體D2的共端C作為功率單元的三個輸入端；
絕緣柵雙極型電晶體VT1的集電極與絕緣柵雙極型電晶體VT3的集電極相連，發射極與絕緣柵雙極型電晶體VT2的集電極相連，絕緣柵雙極型電晶體VT2的發射極與絕緣柵雙極型電晶體VT4的發射極相連，絕緣柵雙極型電晶體VT4的集電極與絕緣柵雙極型電晶體VT3的發射極相連，構成高壓變頻器功率單元輸出級IGBT H橋；
絕緣柵雙極型電晶體VT1發射極和絕緣柵雙極型電晶體VT2集電極的共端作為高壓變頻器功率單元的一個輸出端，該輸出端通過電纜l9與斷路器KM（即斷路器1）的一端相連，斷路器KM的另一端與電抗器L（即電抗器4）的一端相連，電抗器L的另一端接220V交流電的相線L，絕緣柵雙極型電晶體VT3發射極和絕緣柵雙極型電晶體VT4集電極的共端作為高壓變頻器功率單元的另一個輸出端，該輸出端通過電纜l10接220V交流電的零線N；
DSP主控板5的脈衝輸出埠分別經信號線l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8與IGBT絕緣柵雙極型電晶體VT1、VT2、VT3和VT4的柵極、發射極相連；
分別控制待測功率單元輸出級H橋的絕緣柵雙極型電晶體VT1、VT2、VT3、VT4的導通與關斷，從而將220V交流電變換為1-5kV的直流電，利用高壓變頻器功率單元輸出級的H橋即可將220V市電整流升至1kV-5kV的平穩直流電，從而考察高壓變頻器功率單元直流母線上的整流二極體、支撐電容以及IGBT絕緣柵雙極型電晶體的耐壓情況；通過檢測直流側的電容電流即可檢測支撐電容的性能；通過改變開關頻率即可考察IGBT絕緣柵雙極型電晶體開關器件的動態性能。
儀器輸出接口10通過電纜l9、l10連接至待檢測高壓變頻器功率單元的輸出端；利用兩根5kV耐壓電纜l13、l14連接至待測功率單元直流側電壓輸入埠8測量待測功率單元的直流側電壓UC；利用霍爾電流鉗接線l11、l12分別連接至待測功率單元直流側電流及洩漏電流信號輸入端9測量直流側電流id及電容的洩漏電流iC；儀器驅動脈衝輸出埠7通過由l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8信號線組成的信號排線分別連接至待檢測高壓變頻器功率單元輸出級IGBT H橋的4值IGBT柵極和發射極，用於驅動IGBT的導通與關斷；DSP主控板中的電壓電流測量模塊一共測量5路模擬量，包括所述的直流側電容電壓UC、直流側電流id、直流側電容洩漏電流iC，以及DSP主控板通過電纜l19、l20測得的交流220V電源電壓US（利用位於DSP主控板上的霍爾電壓模塊）、通過霍爾電流鉗接線l18測得的交流220V電源電流iS（利用位於DSP主控板上的霍爾電流模塊）；通過人機互動的觸控螢幕HMI可以設置高壓變頻器功率單元直流側電壓給定值UC*，通過DSP主控板生成電流給定信號i*,然後將i*與測得的交流220V電源電流iS作差後生成電壓調製信號，最後經過DSP主控板PWM載波調製生成高壓變頻器功率單元輸出級IGBT絕緣柵雙極型電晶體的驅動脈衝，控制IGBT絕緣柵雙極型電晶體的導通關斷從而將220V交流電變換為1-5kV的直流電，從而實現高壓變頻器功率單元直流母線上的整流二極體、直流支撐電容、IGBT絕緣柵雙極型電晶體的不同耐壓等級的考察；另外，通過人機互動的觸控螢幕HMI還可以改變載波頻率從而改變IGBT絕緣柵雙極型電晶體的開關頻率，進而考察IGBT絕緣柵雙極型電晶體的動態性能。
圖3為本發明的控制原理圖，如圖所示該裝置通過檢測交流220V電源電壓US，該裝置通過檢測高壓變頻器功率單元直流側電容電壓UC，然後將該測量值與由觸控螢幕HMI給定的直流側電壓UC*作差後送入DSP主控板上的電壓外環PI控制器。電壓外環PI控制的輸出乘以與交流220V電源同相位的正弦信號生成電流給定信號i*。然後將i*與測得的交流220V電源電流iS作差後送入DSP主控板上的電流內環PI控制器生成電壓調製信號。最後經過DSP主控板PWM載波調製生成高壓變頻器功率單元輸出級的IGBT的驅動脈衝，控制IGBT的導通關斷從而將220V交流電變換為1-5kV的直流電，進而考察高壓變頻器功率單元直流母線上的整流二極體、支撐電容以及IGBT的耐壓性能。
其中，通過人機互動觸控螢幕HMI可以設置高壓變頻器功率單元直流側電壓給定值UC*，從而實現高壓變頻器功率單元整流二極體、直流支撐電容、IGBT等關鍵器件的不同耐壓等級的考察；另外，通過人機互動觸控螢幕HMI還可以改變載波頻率從而改變IGBT的開關頻率，進而考察IGBT的動態性能。
綜上所述，本發明裝置可以利用高壓變頻器功率單元輸出級的H橋可以將220V市電整流升至1kV-5kV的平穩直流電，從而考察高壓變頻器功率單元直流母線上的整流二極體、支撐電容以及IGBT的耐壓情況及直流支撐電容的洩漏電流；通過改變載波頻率從而改變IGBT的開關頻率，進而考察IGBT的動態性能。體積小，重量輕，成本低，使用方便，有良好的社會和經濟效益。