能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統及其試驗方法
2024-04-01 00:14:05 3
專利名稱：能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及變頻器，特別是一種採用能量單向傳輸整流方式變頻器的功率考核系統及其試驗方法。
背景技術：
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的電能控制裝置。把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現對電機變速運行控制的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成頻率和電壓可調的交流電。隨著我國變流技術的飛速發展，變頻器在高壓輸電、工業變傳動、電力牽引等領域的應用普及率已經越來越廣；其功率也越來越大，目前兆瓦級的變頻器已經很常見。變頻器出廠電流功率考核主要是對變頻器的主電路通一定時間的大電流(一般是額定電流)，用以驗證變頻器(特別是大功率變頻器)在通以大電流工作情況下的電流輸出是否穩定以及溫升情況是否穩定。為了確保產品出廠後質量和性能的穩定，製造商一般都需要對變頻器進行一定時間的電流功率考核測試；而市場上針對變頻器出廠電流功率考核測試系統的搭建方式和考核方法卻不盡相同。究其根源，很大一部分原因是由於變頻器出廠電流功率考核測試耗電功率大(有的甚至與變頻器的額定功率等大)，如果採用阻感負載作為大功率考核負載(有的甚至是滿功率考核)，其發熱量和電能的浪費可想而知；如果採用背靠背電機對拖回饋負載考核系統，其搭建成本也相當昂貴。目前通用的背靠背對拖電機負載出廠功率考核系統及方法存在的主要問題是測試系統搭建成本昂貴，檢修和保養複雜、成本高以及通用性差。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種採用能量單向傳輸整流方式變頻器的功率考核系統及其試驗方法，保證測試質量、提升測試效率、提高設備利用率、節約設備投入成本，節能減排、簡化試驗員的操作入門門檻，降低安全隱患。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是一種能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統，包括交流電源、調壓器、變壓器、低壓大電流電源輸出接線櫃、交流電源輸出接線櫃，交流電源、調壓器串聯後分兩路一路經第一變壓器、低壓大電流電源輸出接線櫃接被試變頻器整流系統輸入端，整流系統直流電壓輸出端與分流器連接；另一路經第二變壓器、交流電源輸出接線櫃接被試變頻器輸入端，被試變頻器由整流系統和逆變系統組合構成，被試變頻器輸出端通過一個轉換開關連接電感負載或阻感負載，電感負載由三個電感星形連接組成，阻感負載由電阻和電感串聯組成的支路星形連接組成；被試變頻器的負載輸出端和電感負載串聯組成逆變系統的低壓大電流功率考核系統，被試變頻器的負載輸出端和阻感負載串聯組成輕載聯調功率考核系統。
作為優選方案，本發明的分流器和電感負載為微阻抗大電流負載，阻感負載為高阻抗小電流負載；第一變壓器為低壓大電流變壓器，第二變壓器為高壓交流變壓器。能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統的試驗方法包括整流系統低壓大電流功率考核、逆變系統低壓大電流功率考核和被試變頻器的系統輕載聯調功率考核三個部分(1)整流系統低壓大電流功率考核的步驟為第一步將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在變頻器中間直流端接分流器作為考核負載；第二步通過控制調壓器TMl輸出電壓的大小來調節低壓大電流變壓器TM2輸出電壓的大小，給被試變頻器整流系統供電，在試驗過程中使變頻器整流系統的電力電子變流器件處於滿開放導通狀態；第三步通過控制調壓器TMl輸出的電壓來調節第一變壓器TM2的輸出電壓，同時隨著第一變壓器TM2輸出電壓的增大，被試變頻器整流系統負載分流器的過電流也隨之增大，一直調節到試驗考核電流值大小為止，使負載大電流導通穩定；第四步負載大電流導通穩定後，使被試變頻器整流系統維持該工作狀態一段時間，將各部件及部件連接口溫升情況穩定作為被試變頻器整流系統達到出廠低壓大電流功率考核要求的判據；(2)逆變系統低壓大電流功率考核的步驟為第一步將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在負載輸出端接電感負載作為考核負載；第二步通過PWM或PAM方式控制變頻器逆變系統電力電子功率器件的開通和關斷，使變頻器輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出，以調節達到交流輸出端負載通過穩定的大電流為止，使負載大電流導通穩定；第三步負載大電流導通穩定後，使被試變頻器維持該工作狀態一段時間，將各部件及部件連接口溫升情況穩定作為被試變頻器逆變系統達到出廠低壓大電流功率考核要求的判據；(3)被試變頻器的系統輕載聯調功率考核的步驟為第一步將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在負載輸出端接阻感負載作為考核負載；第二步通過PWM或PAM方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關斷，使變頻器輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出，以調節達到交流輸出端負載維持輸出穩定的額定交流電壓為止，使負載端電壓和電流穩定；第三步負載端電壓和電流穩定後，使被試變頻器維持該工作狀態一段時間將各部件絕緣性能穩定作為被試變頻器達到出廠輕載聯調功率考核要求的判據。作為優選方案，整流系統低壓大電流功率考核中，負載大電流導通穩定後，被試變頻器整流系統維持穩定的工作狀態的時間推薦為30分鐘；逆變系統低壓大電流功率考核中，負載大電流導通穩定後，被試變頻器維持穩定的工作狀態的時間推薦為40分鐘；被試變頻器的系統輕載聯調功率考核中，負載端電壓和電流穩定後，被試變頻器維持穩定的工作狀態的時間推薦為15分鐘。
作為優選方案，在所述的整流系統低壓大電流功率考核步驟中，調節試驗考核電流值到整流模塊額定電流的1. 2倍；在所述的逆變系統低壓大電流功率考核步驟中，調節交流輸出端負載通過額定電流大小1. 1倍的電流；在所述的被試變頻器的系統輕載聯調功率考核步驟中，調節交流輸出端負載維持輸出穩定的額定交流電壓，同時，電流大小推薦控制在40A為宜。以下對本發明做進一步說明。本發明的變頻器出廠功率考核系統及試驗方法適合於整流模塊採用能量只能單向傳輸整流方式變頻器(如變流器件採用晶間管或二極體的橋式整流模塊)的出廠例行試驗功率考核，本發明方法的試驗原理如下整流系統低壓大電流功率考核以試驗過程中被試變頻器整流系統的電力電子變流器件處於儘可能的滿開放導通狀態，負載分流器為75mV/4000A，考核電流為4000A為例。整流輸出DC 電壓UDC = IdcX 75mV/4000A被試整流器負載考核功率P= UdcX Idc = IDCXIDCX75mV/4000A= 4000 X 4000 X 0. 075/4000 = 300W其中IDe表示被試變頻器整流系統(DUT)功率考核輸出電流。因被試變頻器整流系統中的電力電子變流器件、感抗器件、阻抗器件等上面會產生一定的壓降；同時，由於負載直流壓降很小，所以被試大功率整流系統(DUT)上產生壓降的比例會比較高，故300W的負載考核功率肯定不是系統的整個消耗功率(不同的整流主電路拓撲結構，其壓降差別也會很大，因此也導致理論計算很難控制)。本發明變頻器的出廠功率考核系統選用分流器作為整流系統低壓大電流功率考核負載，雖然分流器也是一種阻抗器件，但是它的電壓和電流特性又不同於常規的大功率電阻；本發明充分利用了分流器穩流性能好，壓降低的特點(常規大功率電阻在電壓很低的情況下很難穩住電流)。逆變系統低壓大電流功率考核雖然我們低壓大電流功率考核過程中的有效電流很大(高達1800A)，但是由於採用了微阻抗大電流電感作為考核負載，有效壓降很低(一般只有70V左右)；所以消耗的有效功率相對就很低。以試驗過程中被試變頻器的負載導通線電流L = 1800A，負載有效線壓降隊= 70V,功率因數cos Φ = 0. 85為例被試變頻器負載端有功功率p= V^ Vi χ ( χ cos φ=1.732X 1800X70X0.85=185. 5OKW本發明變頻器的出廠功率考核系統選用電感(微阻抗大電流負載)作為低壓大電流考核負載，充分利用了電感負載的電壓、電流及頻率特性。輕載聯調功率考核雖然我們輕載聯調功率考核過程中的輸出電壓很高(高達 10KV)，但是由於採用了高阻抗小電流的阻感作為考核負載，有效電流不大(一般控制在 40Α左右)；所以消耗的有效功率相對就很低。以試驗過程中被試變頻器的負載有效線壓降Ul = 3300V，導通線電流負載^ = 40Α，功率因數cos Φ = 0. 85為例被試變頻器負載端有功功率W=^UlxIlx cos φ
= 1. 732X3300X40X0. 85-194.33KW本發明變頻器的出廠功率考核系統選用阻感(高阻抗小電流負載)作為輕載聯調功率考核負載，充分利用了電阻和電感組合負載的電壓、電流及頻率特性。本發明的考核系統及其試驗方法適用於兩電平和多電平(3電平及3電以上)變頻器的出廠功率考核測試及逆變器的出廠功率考核測試，本發明的考核系統設計簡單、成本低、可靠性高，實際應用穩定性高，其試驗方法通用性強。
圖1為背靠背電機對拖負載試驗考核系統拓撲結構示意圖；(a)背靠背電機對拖負載試驗考核系統拓撲結構示意圖一；(b)背靠背電機對拖負載試驗考核系統拓撲結構示意圖二；圖2為本發明功率考核系統結構圖；圖3為整流系統低壓大電流功率考核系統拓撲結構簡圖；圖4為逆變系統低壓大電流功率考核系統拓撲結構簡圖；圖5為輕載聯調功率考核(高壓小電流功率考核)系統拓撲結構簡圖。其中1 調壓器；2 低壓大電流變壓器；3 低壓大電流電源輸出接線櫃；4 交流電源輸出接線櫃；5 整流系統；6 分流器；7 逆變系統；8 電感負載；9 阻感負載；10 高壓交流變壓器。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細說明。參見圖2，能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統包括交流電源、調壓器1、 變壓器2、低壓大電流電源輸出接線櫃3、交流電源輸出接線櫃4 ；交流電源、調壓器1串聯後分兩路一路經第一變壓器2、低壓大電流電源輸出接線櫃3接整流系統5和分流器6連接構成的整流系統；另一路經第二變壓器10、交流電源輸出接線櫃4接整流模系統5和逆變系統7組合而成的被試變頻器，被試變頻器輸出端通過一個轉換開關可選擇連接電感負載8或阻感負載9，電感負載由三個電感星形連接組成，阻感負載由電阻和電感串聯組成的支路星形連接組成；被試變頻器的負載輸出端選擇和電感負載串聯組成逆變系統的低壓大電流功率考核系統，被試變頻器的負載輸出端選擇和阻感負載串聯組成輕載聯調功率考核系統。通過調節調壓器TMl改變調壓器次邊輸出電壓的大小，以達到調整低壓大電流電源交流電壓(AC)輸出和高壓電源交流電壓(AC)輸出大小的目的，滿足被試品(DUT)的不同供電需求。本發明的變頻器出廠功率考核系統及試驗方法適合於整流模塊採用能量只能單向傳輸整流方式變頻器(如變流器件採用晶間管或二極體的橋式整流模塊)的出廠例行試驗功率考核；根據變頻器的工作特性和出廠功率考核要求，將出廠功率考核分為整流系統低壓大電流功率考核、逆變系統低壓大電流功率考核和被試變頻器的系統輕載聯調功率考核(高壓小電流功率考核)三個部分。
整流系統低壓大電流功率考核以分流器作為變頻器整流系統的直流端負載，給大功率變頻器輸入端輸入一個較小的輸入電壓，並使電力電子變流器件處於儘可能的滿開放導通狀態，以確保中間直流端負載可以大電流通過；以考核變頻器整流系統電力電子變流器件、感抗器件、部件連接口等的電流特性，以及考核過程中溫升情況的穩定性等。第一步將被試變頻器(DUT)的相關主電路和控制線路接好，在變頻器中間直流端連接合適的分流器(微阻抗大電流負載)作為考核負載(如圖3所示)。第二步通過控制調壓器TMl輸出電壓的大小來調節低壓大電流變壓器TM2輸出電壓的大小來給被試變頻器整流系統供電；同時，試驗過程中應使變頻器整流系統的電力電子變流器件處於儘可能的滿開放導通狀態。第三步通過控制調壓器TMl輸出的電壓來調節低壓大電流變壓器TM2的輸出電壓，同時隨著TM2輸出電壓的增大，被試變頻器整流系統的負載RD的過電流也隨之增大，一直調節到試驗考核電流值大小為止(一般控制在額定電流大小的1. 2倍；當然，只要被試整流器性能允許，也可以將電流做的更大一些)。第四步負載大電流導通穩定後，使被試變頻器整流系統維持該工作狀態一段時間(推薦為30分鐘左右)。同時，考核過程中應注意監測被試變頻器整流系統的輸入電壓、 輸出電流參數穩定無明顯波動，各部件及部件連接口溫升情況穩定等作為被試大功率整流器達到出廠低壓大電流功率考核要求的判據。逆變系統低壓大電流功率考核以純電感(微阻抗大電流負載)作為變頻器的交流輸出端負載，從變頻器輸入端輸入額定交流電壓(如圖4所示)；通過PWM(或PAM)方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關斷(使逆變輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出)，調節達到交流輸出端負載可以通過穩定的大電流；以考核變頻器電力電子變流器件、感抗器件、部件連接口等的電流特性，以及考核過程中溫升情況的穩定性等。具體試驗步驟描述如下第一步將被試變頻器(DUT)的相關主電路和控制線路接好，在負載輸出端連接合適的電感(微阻抗大電流負載)作為考核負載(具體如圖4所示)。第二步通過PWM (或PAM)方式控制變頻器逆變系統電力電子功率器件的開通和關斷(使逆變輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出)，以調節達到交流輸出端負載可以通過穩定的大電流為止(一般控制在額定電流大小的1.1倍；當然，只要被試變頻器性能允許，也可以將電流做的更大一些)。第三步負載大電流導通穩定後，使被試變頻器維持該工作狀態一段時間(推薦為40分鐘左右)。同時，考核過程中應注意監測被試變頻器的輸入電壓、輸出電流參數穩定無明顯波動，各部件及部件連接口溫升情況穩定等作為被試變頻器達到出廠低壓大電流功率考核要求的判據。輕載聯調功率考核以阻感負載(高阻抗小電流負載)作為變頻器的交流輸出負載，給變頻器輸入端輸入額定電壓(如圖5所示)，通過PWM(或PAM)方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關斷(使逆變輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出)，調節達到交流輸出端負載可以維持輸出穩定的額定交流電壓，以考核變頻器電力電子變流器件、 容性器件、感抗器件、阻抗器件等的耐受電壓能力，以及產品內部各器件間的電氣絕緣性能寸。
具體試驗步驟描述如下第一步將被試變頻器(DUT)的相關主電路和控制線路接好，在負載輸出端接合適的阻感負載(高阻抗小電流負載)作為考核負載(具體如圖5所示)。第二步通過PWM(或PAM)方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關斷，(使變頻器輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出)以調節達到交流輸出端負載可以維持輸出穩定的額定交流電壓為止(一般控制在最高額定輸出電壓值大小；當然，只要被試變頻器性能允許，也可以將電壓做的更高一些；同時，推薦過電流控制在40A左右為宜)。第三步負載端電壓和電流穩定後，使被試變頻器維持該工作狀態一段時間(推薦為15分鐘左右)。同時，考核過程中應注意監測被試變頻器的輸出電壓、輸出電流參數穩定無明顯波動，各部件絕緣性能穩定等作為被試變頻器達到出廠輕載聯調功率考核要求的判據。
權利要求
1.一種能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統，包括交流電源、調壓器、變壓器、 低壓大電流電源輸出接線櫃、交流電源輸出接線櫃；其特徵在於，交流電源、調壓器串聯後分兩路一路經第一變壓器、低壓大電流電源輸出接線櫃接被試變頻器整流系統輸入端，整流系統直流電壓輸出端與分流器連接；另一路經第二變壓器、交流電源輸出接線櫃接被試變頻器輸入端，被試變頻器由整流系統和逆變系統組合構成，被試變頻器輸出端通過一個轉換開關連接電感負載或阻感負載，電感負載由三個電感星形連接組成，阻感負載由電阻和電感串聯組成的支路星形連接組成；被試變頻器的負載輸出端和電感負載串聯組成逆變系統的低壓大電流功率考核系統，被試變頻器的負載輸出端和阻感負載串聯組成輕載聯調功率考核系統。
2.根據權利要求1所述的能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統，其特徵在於， 所述的分流器和電感負載為微阻抗大電流負載，所述的阻感負載為高阻抗小電流負載。
3.根據權利要求1所述的能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統，其特徵在於， 所述的第一變壓器為低壓大電流變壓器，所述的第二變壓器為高壓交流變壓器。
4.一種能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統的試驗方法，其特徵在於，該方法包括整流系統低壓大電流功率考核、逆變系統低壓大電流功率考核和被試變頻器的系統輕載聯調功率考核三個部分(1)整流系統低壓大電流功率考核的步驟為第一步將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在變頻器中間直流端接分流器作為考核負載；第二步通過控制調壓器輸出電壓的大小來調節第一變壓器輸出電壓的大小，給被試變頻器整流系統供電，在試驗過程中使變頻器整流系統的電力電子變流器件處於滿開放導通狀態；第三步通過控制調壓器次邊輸出電壓來調節第一變壓器的次邊輸出電壓的大小，同時隨著第一變壓器輸出電壓的增大，被試變頻器整流系統分流器負載上的過電流也隨之增大，一直調節到試驗考核電流值大小為止，使負載大電流導通穩定；第四步負載大電流導通穩定後，使被試變頻器整流系統維持穩定的工作狀態一段時間，將各關鍵部件及部件連接口溫升情況穩定作為被試變頻器整流系統達到出廠低壓大電流功率考核要求的判據；(2)逆變系統低壓大電流功率考核的步驟為第一步將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在負載輸出端接電感負載作為考核負載；第二步通過PWM或PAM方式控制變頻器逆變系統電力電子功率器件的開通和關斷，使變頻器輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出，以調節達到交流輸出端負載通過穩定的大電流為止，使負載大電流導通穩定；第三步負載大電流導通穩定後，使被試變頻器維持穩定的工作狀態一段時間，將各關鍵部件及部件連接口溫升情況穩定作為被試變頻器逆變系統達到出廠低壓大電流功率考核要求的判據；(3)被試變頻器的系統輕載聯調功率考核的步驟為第一步將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在負載輸出端接阻感負載作為考核負載；第二步通過PWM或PAM方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關斷，使變頻器輸出端產生可變頻變壓的交流電進行輸出，以調節達到交流輸出端負載維持輸出穩定的額定交流電壓為止，使負載端電壓和電流穩定；第三步負載端電壓和電流穩定後，使被試變頻器維持穩定的工作狀態一段時間，將各部件絕緣性能穩定作為被試變頻器達到出廠輕載聯調功率考核要求的判據。
5.根據權利要求4所述的能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統的試驗方法，其特徵在於，整流系統低壓大電流功率考核步驟中，負載大電流導通穩定後，被試變頻器整流系統維持穩定的工作狀態的時間為30分鐘。
6.根據權利要求4所述的能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統的試驗方法，其特徵在於，逆變系統低壓大電流功率考核步驟中，負載大電流導通穩定後，被試變頻器維持穩定的工作狀態的時間為40分鐘。
7.根據權利要求4所述的能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統的試驗方法，其特徵在於，被試變頻器的系統輕載聯調功率考核步驟中，負載端電壓和電流穩定後，被試變頻器維持穩定工作狀態的時間為15分鐘。
8.根據權利要求4所述的能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統的試驗方法，其特徵在於，在所述的整流系統低壓大電流功率考核步驟中，調節試驗考核電流值到整流模塊額定電流的1. 2倍；在所述的逆變系統低壓大電流功率考核步驟中，調節被試變頻器交流電壓輸出，使電感負載通過額定電流大小1. 1倍的電流；在所述的被試變頻器的系統輕載聯調功率考核步驟中，調節被試變頻器交流電壓輸出，使阻感負載維持輸出穩定的額定交流電壓。
全文摘要
本發明公開了一種能量單向傳輸整流方式變頻器功率考核系統及其試驗方法，系統包括交流電源、調壓器、變壓器、低壓大電流電源輸出接線櫃、交流電源輸出接線櫃。交流電源、調壓器串聯後分兩路一路經第一變壓器、低壓大電流電源輸出接線櫃接被試變頻器整流系統輸入端，整流系統輸出端與分流器連接；另一路經第二變壓器、交流電源輸出接線櫃接被試變頻器輸入端，被試變頻器由整流系統和逆變系統組合構成，被試變頻器輸出端通過一個轉換開關可選擇連接電感負載或阻感負載。本發明充分利用了電感負載的電壓、電流和頻率特性，以及電阻和電感組合負載的電壓、電流和頻率特性，設計簡單、成本低、可靠性高、實際應用穩定性高、通用性強，同時還節約電能。
文檔編號G01R31/00GK102331538SQ20111023748
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者餘志濤, 彭淼淼, 武松劍, 耶小方, 高峰 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司