能量双向传输整流方式变频器功率考核系统及其试验方法

摘要

本发明公开了一种能量双向传输整流方式变频器功率考核系统及其试验方法，该功率考核系统包括低压大电流功率考核系统和轻载联调功率考核系统，本发明的变频器出厂功率考核系统及试验方法适合于整流模块采用能量可双向传输的PWM整流方式变频器的出厂例行试验功率考核，本发明的考核系统及其试验方法设计简单、成本低、可靠性高、实际应用稳定性高、通用性强，同时还节约电能。

说明书

技术领域

本发明涉及变频器，具体是一种采用能量双向传输整流方式变频器功 率考核系统及其试验方法。

背景技术

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 电源的电能控制装置。把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电 源，以实现对电机变速运行控制的设备，其中控制电路完成对主电路的控 制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进 行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。

随着我国变流技术的飞速发展，变频器在高压输电、工业变传动、电 力牵引等领域的应用普及率已经越来越广；其功率也越来越大，目前兆瓦 级的变频器已经很常见。变频器出厂电流功率考核主要是对变频器的主电 路通一定时间的大电流(一般是额定电流)，用以验证变频器(特别是大功 率变频器)在通以大电流工作情况下的电流输出是否稳定以及温升情况是 否稳定。为了确保产品出厂后质量和性能的稳定，制造商一般都需要对变 频器进行一定时间的电流功率考核测试；而市场上针对变频器出厂电流功 率考核测试系统的搭建方式和考核方法却不尽相同。究其根源，很大一部 分原因是由于变频器出厂电流功率考核测试耗电功率大(有的甚至与变频 器的额定功率等大)，如果采用阻感负载作为大功率考核负载(有的甚至是 满功率考核)，其发热量和电能的浪费可想而知；如果采用背靠背电机对拖 回馈负载考核系统，其搭建成本也相当昂贵。

目前通用的背靠背对拖电机负载出厂功率考核系统及方法存在的主要 问题是：测试系统搭建成本昂贵，检修和保养复杂、成本高以及通用性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种采用能 量双向传输整流方式变频器功率考核系统及其试验方法，保证测试质量、 提升测试效率、提高设备利用率、节约设备投入成本，节能减排、简化试 验员的操作入门门槛，降低安全隐患。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种能量双向传 输整流方式变频器功率考核系统，包括交流电源、调压器、变压器、整流 电源柜、直流电源输出接线柜、交流电源输出接线柜、被试变频器整流系 统、被试变频器逆变系统，其特征在于，交流电源、调压器、变压器依次 连接之后分两路：一路经整流电源柜接直流电源输出接线柜，直流电源输 出接线柜并接到低压大电流功率考核系统的被试变频器整流系统和被试变 频器逆变系统之间的中间直流电压的正负端口，整流系统和逆变系统组成 被试变频器，低压大电流功率考核系统由两套电感负载、一套被试变频器 整流系统和一套被试变频器逆变系统组成，电感负载由三个电感星形连接 组成，整流系统和逆变系统串联，整流系统和逆变系统的输出端分别接一 套电感负载；另一路经交流电源输出接线柜接被试变频器输入端，轻载联 调功率考核系统由被试变频器整流系统、被试变频器逆变系统、阻感负载 依次连接构成，阻感负载由电阻和电感串联组成的支路星形连接组成。

作为优选方案，所述的变压器为高压交流变压器；所述的电感负载为 微阻抗大电流负载；所述的阻感负载为高阻抗小电流负载。

能量双向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法包括低压大 电流功率考核和轻载联调功率考核两部分：

(1)低压大电流功率考核步骤如下：

第一步：将被试变频器的相关主电路和控制线路接好，在交流负载输 出端接电感负载作为考核负载；

第二步：通过PWM或PAM方式控制变频器电力电子功率器件的开通和 关断，使逆变输出端产生可变频变压的交流电进行输出，以调节达到交流 输出端负载可以通过稳定的大电流为止，使负载大电流导通稳定；

第三步：负载大电流导通稳定后，使被试变频器维持该工作状态一段 时间，将部件及部件连接口温升情况稳定作为被试变频器达到出厂低压大 电流功率考核要求的判据；

(2)被试变频器的系统轻载联调功率考核步骤如下：

第一步：将被试变频器的相关主电路和控制线路接好，在负载输出端 接阻感负载作为考核负载；

第二步：通过PWM或PAM方式控制变频器电力电子功率器件的开通和 关断，使变频器输出端产生可变频变压的交流电进行输出，以调节达到交 流输出端负载可以维持输出稳定的额定交流电压为止，使负载端电压和电 流稳定；

第三步：负载端电压和电流稳定后，使被试变频器维持该工作状态一 段时间，将各部件绝缘性能稳定作为被试变频器达到出厂轻载联调功率考 核要求的判据。

作为优选方案，低压大电流功率考核中，负载大电流导通稳定后，被 试变频器维持稳定的工作状态的时间推荐为40分钟；被试变频器的系统轻 载联调功率考核中，负载端电压和电流稳定后，被试变频器维持稳定的工 作状态的时间推荐为15分钟。

作为优选方案，所述的低压大电流功率考核步骤中，调节交流输出端 负载通过额定电流大小1.1倍的电流；所述的被试变频器的系统轻载联调 功率考核步骤中，调节交流输出端负载维持稳定的额定电压。

以下对本发明做进一步说明。

本发明的变频器出厂功率考核系统及试验方法适合于整流模块采用能 量可双向传输的PWM整流方式变频器(如变流器件采用IGBT或IGCT的四 象限桥式整流方式)的出厂例行试验功率考核。本发明方法的试验原理如 下：

低压大电流功率考核：虽然我们低压大电流功率考核过程中的有效电 流很大(高达1800A)，但是由于采用了微阻抗大电流电感作为考核负载， 有效压降很低(一般只有70V左右)；所以消耗的有效功率相对就很低。

以试验过程中被试变频器的负载导通线电流I_L＝1800A，负载有效线压 降U_L＝70V，功率因数cosφ＝0.85为例：

被试变频器负载端有功功率：$P=\sqrt{3}{U}_L\times I_L\times \cos \phi$

$=1.732\times 1800\times 70\times 0.85$

$=185.50\mathrm{KW}$

本发明变频器的出厂功率考核系统选用电感(微阻抗大电流负载)作 为低压大电流考核负载，充分利用了电感负载的电压、电流及频率特性。

轻载联调功率考核：虽然我们轻载联调功率考核过程中的输出电压很 高(高达10KV)，但是由于采用了高阻抗小电流的阻感作为考核负载，有效 电流不大(一般控制在40A左右)，所以消耗的有效功率相对就很低。

以试验过程中被试变频器的负载有效线压降U_L＝3300V，负载导通线电 流I_L＝40A，功率因数cosφ＝0.85为例：

被试变频器负载端有功功率：$P=\sqrt{3}{U}_L\times I_L\times \cos \phi$

$=1.732\times 3300\times 40\times 0.85$

$=194.33\mathrm{KW}$

本发明变频器的出厂功率考核系统选用阻感(高阻抗小电流负载)作 为轻载联调功率考核负载，充分利用了电阻和电感组合负载的电压、电流 及频率特性。

本发明的考核系统及其试验方法也适用于两电平和多电平(3电平及3 电以上)变频器的出厂功率考核测试，本发明的考核系统设计简单、成本 低、可靠性高，实际应用稳定性高，其试验方法通用性强。

将出厂功率考核分为低压大电流功率考核和轻载联调功率考核(高压 小电流功率考核)两个部分，从功率考核特性和细节来分析，其优点非常 的明显：首先，低压大电流功率考核虽然导通电流很大，但压降低；因为 低压大电流功率考核的有效电压很低，所以考核功率也很小，故在变频器 性能允许的情况下将电流适当的做大(常规试验方法由于压降大，受制于 试验电源容量有限的影响，一般电流都不会做的很大)，这样也就在同样的 考核时间内还提高了考核等级，这也就可以做到同等考核要求的情况下节 约出一部分的考核时间，提高了试验效率；其次，由于轻载联调功率考核 (高压小电流功率考核)虽然电压等级很高，但是电流小，所以可以选用 线径比较小的导线进行主电路的连接，这样也就可以简化和方便接线操作， 减少接线时间，同时还可以适当降低操作过程中的安全隐患，本发明功能 结构设计简单、成本低、可靠性高，实际应用稳定性高；节能减排，降低 了安全隐患，减少了生产成本的投入；系统考核覆盖率较高；通用性强。

附图说明

图1为背靠背电机对拖负载试验考核系统拓扑结构示意图；(a)背靠 背电机对拖负载试验考核系统拓扑结构示意图一；(b)背靠背电机对拖负 载试验考核系统拓扑结构示意图二；

图2为本发明功率考核系统结构图；

图3为低压大电流功率考核系统拓扑结构简图(额定中间直流输入)；

图4为轻载联调功率考核(高压小电流功率考核)系统拓扑结构简图。

其中：

1：调压器；2：变压器；3：整流电源柜；4：直流电源输出接线柜；5： 交流电源输出接线柜；6：整流系统；7：逆变系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

能量双向传输整流方式变频器功率考核系统包括交流电源、调压器1、 变压器2、整流电源柜3、直流电源输出接线柜4、交流电源输出接线柜5、 整流系统6、逆变系统7，交流电源、调压器1、变压器2依次连接之后分 两路：一路经整流电源柜3接直流电源输出接线柜4，直流电源输出接线柜 4并接到低压大电流功率考核系统的整流系统6和逆变系统7之间的中间直 流电压的正负端口，低压大电流功率考核系统由两套电感负载、一套整流 系统和一套逆变系统组成，电感负载由三个电感星形连接组成，整流系统 和逆变系统串联，整流系统和逆变系统的输出端分别接一套电感负载；另 一路经交流电源输出接线柜5接轻载联调功率考核系统，轻载联调功率考 核系统由整流系统6、逆变系统7、阻感负载依次连接构成，阻感负载由电 阻和电感串联组成的支路星形连接组成，整流系统6和逆变系统7组成被 试变频器。整流电源柜的整流方式采用不可控整流(二极管桥式整流)；调 节调压器TM1可以改变调压器次边输出电压的大小，以达到调节直流电源 直流电压(DC)输出和交流电源交流电压(AC)输出大小的目的，来满足 被试变频器(DUT)的不同供电需求。

本发明的变频器出厂功率考核系统及试验方法适合于整流模块采用能 量可双向传输的PWM整流方式变频器(如变流器件采用IGBT或IGCT的四 象限桥式整流方式)的出厂例行试验功率考核。根据变频器的工作特性和 出厂功率考核要求，将出厂功率考核分为低压大电流功率考核和轻载联调 功率考核(高压小电流功率考核)两个部分。

低压大电流功率考核：以纯电感(微阻抗大电流负载)作为变频器的 交流输出端负载，给变频器中间直流输入端输入额定直流电压，同时将整 流模块当逆变模块控制进行低压大电流功率考核；通过PWM(或PAM)方式控 制变频器电力电子功率器件的开通和关断(使逆变输出端产生可变频变压 的交流电进行输出)，调节达到交流输出端负载可以通过稳定的大电流；以 考核变频器电力电子变流器件、感抗器件、部件连接口等的电流特性，以 及考核过程中温升情况的稳定性等。

具体试验步骤描述如下：

第一步：将被试变频器(DUT)的相关主电路和控制线路接好，在交流 负载输出端连接合适的电感(微阻抗大电流负载)作为考核负载(具体如 图3所示)。

第二步：通过PWM(或PAM)方式控制变频器电力电子功率器件的开通和 关断(使逆变输出端产生可变频变压的交流电进行输出)，以调节达到交流 输出端负载可以通过稳定的大电流为止(一般控制在额定电流大小的1.1 倍；当然，只要被试变频器性能允许，也可以将电流做的更大一些)。

第三步：负载大电流导通稳定后，使被试变频器维持该工作状态一段 时间(推荐为40分钟左右)。同时，考核过程中应注意监测被试变频器的 输入电压、输出电流参数稳定无明显波动，各部件及部件连接口温升情况 稳定等作为被试变频器达到出厂低压大电流功率考核要求的判据。

轻载联调功率考核：以阻感负载(高阻抗小电流负载)作为变频器的 交流输出负载，给变频器输入端输入额定电压(如图4所示)，通过PWM(或 PAM)方式控制变频器电力电子功率器件的开通和关断(使变频器输出端产 生可变频变压的交流电进行输出)，调节达到交流输出端负载可以维持输出 稳定的额定交流电压；以考核变频器电力电子变流器件、容性器件、感抗 器件、阻抗器件等的耐受电压能力，以及产品内部各器件间的电气绝缘性 能等。

具体试验步骤描述如下：

第一步：将被试变频器(DUT)的相关主电路和控制线路接好，在负载 输出端接合适的阻感负载(高阻抗小电流负载)作为考核负载(具体如图4 所示)。

第二步：通过PWM(或PAM)方式控制变频器电力电子功率器件的开通和 关断，(使变频器输出端产生可变频变压的交流电进行输出)以调节达到交 流输出端负载可以维持输出稳定的额定交流电压为止(一般控制在最高额 定输出电压值大小；当然，只要被试变频器性能允许，也可以将电压做的 更高一些；同时，推荐导通电流控制在40A左右为宜)。

第三步：负载端电压和电流稳定后，使被试变频器维持该工作状态一 段时间(推荐为15分钟左右)。同时，考核过程中应注意监测被试变频器 的输出电压、输出电流参数稳定无明显波动，各部件绝缘性能稳定等作为 被试变频器达到出厂轻载联调功率考核要求的判据。