专利名称：能量单向传输整流方式变频器功率考核系统及其试验方法
技术领域：
本发明涉及变频器，特别是一种采用能量单向传输整流方式变频器的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频率和电压可调的交流电。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，提供一种采用能量单向传输整流方式变频器的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单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、低压大电流电源输出接线柜、交流电源输出接线柜，交流电源、调压器串联后分两路一路经第一变压器、低压大电流电源输出接线柜接被试变频器整流系统输入端，整流系统直流电压输出端与分流器连接；另一路经第二变压器、交流电源输出接线柜接被试变频器输入端，被试变频器由整流系统和逆变系统组合构成，被试变频器输出端通过一个转换开关连接电感负载或阻感负载，电感负载由三个电感星形连接组成，阻感负载由电阻和电感串联组成的支路星形连接组成；被试变频器的负载输出端和电感负载串联组成逆变系统的低压大电流功率考核系统，被试变频器的负载输出端和阻感负载串联组成轻载联调功率考核系统。
作为优选方案，本发明的分流器和电感负载为微阻抗大电流负载，阻感负载为高阻抗小电流负载；第一变压器为低压大电流变压器，第二变压器为高压交流变压器。能量单向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法包括整流系统低压大电流功率考核、逆变系统低压大电流功率考核和被试变频器的系统轻载联调功率考核三个部分(1)整流系统低压大电流功率考核的步骤为第一步将被试变频器的相关主电路和控制线路接好，在变频器中间直流端接分流器作为考核负载；第二步通过控制调压器TMl输出电压的大小来调节低压大电流变压器TM2输出电压的大小，给被试变频器整流系统供电，在试验过程中使变频器整流系统的电力电子变流器件处于满开放导通状态；第三步通过控制调压器TMl输出的电压来调节第一变压器TM2的输出电压，同时随着第一变压器TM2输出电压的增大，被试变频器整流系统负载分流器的过电流也随之增大，一直调节到试验考核电流值大小为止，使负载大电流导通稳定；第四步负载大电流导通稳定后，使被试变频器整流系统维持该工作状态一段时间，将各部件及部件连接口温升情况稳定作为被试变频器整流系统达到出厂低压大电流功率考核要求的判据；(2)逆变系统低压大电流功率考核的步骤为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方式控制变频器逆变系统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，将各部件及部件连接口温升情况稳定作为被试变频器逆变系统达到出厂低压大电流功率考核要求的判据；(3)被试变频器的系统轻载联调功率考核的步骤为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，整流系统低压大电流功率考核中，负载大电流导通稳定后，被试变频器整流系统维持稳定的工作状态的时间推荐为30分钟；逆变系统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，在所述的整流系统低压大电流功率考核步骤中，调节试验考核电流值到整流模块额定电流的1. 2倍；在所述的逆变系统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；在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输出稳定的额定交流电压，同时，电流大小推荐控制在40A为宜。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只能单向传输整流方式变频器(如变流器件采用晶间管或二极管的桥式整流模块)的出厂例行试验功率考核，本发明方法的试验原理如下整流系统低压大电流功率考核以试验过程中被试变频器整流系统的电力电子变流器件处于尽可能的满开放导通状态，负载分流器为75mV/4000A，考核电流为4000A为例。整流输出DC 电压UDC = IdcX 75mV/4000A被试整流器负载考核功率P= UdcX Idc = IDCXIDCX75mV/4000A= 4000 X 4000 X 0. 075/4000 = 300W其中IDe表示被试变频器整流系统(DUT)功率考核输出电流。因被试变频器整流系统中的电力电子变流器件、感抗器件、阻抗器件等上面会产生一定的压降；同时，由于负载直流压降很小，所以被试大功率整流系统(DUT)上产生压降的比例会比较高，故300W的负载考核功率肯定不是系统的整个消耗功率(不同的整流主电路拓扑结构，其压降差别也会很大，因此也导致理论计算很难控制)。本发明变频器的出厂功率考核系统选用分流器作为整流系统低压大电流功率考核负载，虽然分流器也是一种阻抗器件，但是它的电压和电流特性又不同于常规的大功率电阻；本发明充分利用了分流器稳流性能好，压降低的特点(常规大功率电阻在电压很低的情况下很难稳住电流)。逆变系统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L = 1800A，负载有效线压降队= 70V,功率因数cos Φ = 0. 85为例被试变频器负载端有功功率p= V^ Vi χ ( χ cos φ=1.732X 1800X70X0.85=185. 5OKW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 40Α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Ul = 3300V，导通线电流负载^ = 40Α，功率因数cos Φ = 0. 85为例被试变频器负载端有功功率W=^UlxIlx cos φ
= 1. 732X3300X40X0. 85-194.33KW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及逆变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。
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为整流系统低压大电流功率考核系统拓扑结构简图；图4为逆变系统低压大电流功率考核系统拓扑结构简图；图5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 低压大电流变压器；3 低压大电流电源输出接线柜；4 交流电源输出接线柜；5 整流系统；6 分流器；7 逆变系统；8 电感负载；9 阻感负载；10 高压交流变压器。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
做详细说明。参见图2，能量单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、低压大电流电源输出接线柜3、交流电源输出接线柜4 ；交流电源、调压器1串联后分两路一路经第一变压器2、低压大电流电源输出接线柜3接整流系统5和分流器6连接构成的整流系统；另一路经第二变压器10、交流电源输出接线柜4接整流模系统5和逆变系统7组合而成的被试变频器，被试变频器输出端通过一个转换开关可选择连接电感负载8或阻感负载9，电感负载由三个电感星形连接组成，阻感负载由电阻和电感串联组成的支路星形连接组成；被试变频器的负载输出端选择和电感负载串联组成逆变系统的低压大电流功率考核系统，被试变频器的负载输出端选择和阻感负载串联组成轻载联调功率考核系统。通过调节调压器TMl改变调压器次边输出电压的大小，以达到调整低压大电流电源交流电压(AC)输出和高压电源交流电压(AC)输出大小的目的，满足被试品(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只能单向传输整流方式变频器(如变流器件采用晶间管或二极管的桥式整流模块)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整流系统低压大电流功率考核、逆变系统低压大电流功率考核和被试变频器的系统轻载联调功率考核(高压小电流功率考核)三个部分。
整流系统低压大电流功率考核以分流器作为变频器整流系统的直流端负载，给大功率变频器输入端输入一个较小的输入电压，并使电力电子变流器件处于尽可能的满开放导通状态，以确保中间直流端负载可以大电流通过；以考核变频器整流系统电力电子变流器件、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。第一步将被试变频器(DUT)的相关主电路和控制线路接好，在变频器中间直流端连接合适的分流器(微阻抗大电流负载)作为考核负载(如图3所示)。第二步通过控制调压器TMl输出电压的大小来调节低压大电流变压器TM2输出电压的大小来给被试变频器整流系统供电；同时，试验过程中应使变频器整流系统的电力电子变流器件处于尽可能的满开放导通状态。第三步通过控制调压器TMl输出的电压来调节低压大电流变压器TM2的输出电压，同时随着TM2输出电压的增大，被试变频器整流系统的负载RD的过电流也随之增大，一直调节到试验考核电流值大小为止(一般控制在额定电流大小的1. 2倍；当然，只要被试整流器性能允许，也可以将电流做的更大一些)。第四步负载大电流导通稳定后，使被试变频器整流系统维持该工作状态一段时间(推荐为30分钟左右)。同时，考核过程中应注意监测被试变频器整流系统的输入电压、 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大功率整流器达到出厂低压大电流功率考核要求的判据。逆变系统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，从变频器输入端输入额定交流电压(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4所示)。第二步通过PWM (或PAM)方式控制变频器逆变系统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5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寸。
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5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，推荐过电流控制在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。
权利要求
1.一种能量单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、 低压大电流电源输出接线柜、交流电源输出接线柜；其特征在于，交流电源、调压器串联后分两路一路经第一变压器、低压大电流电源输出接线柜接被试变频器整流系统输入端，整流系统直流电压输出端与分流器连接；另一路经第二变压器、交流电源输出接线柜接被试变频器输入端，被试变频器由整流系统和逆变系统组合构成，被试变频器输出端通过一个转换开关连接电感负载或阻感负载，电感负载由三个电感星形连接组成，阻感负载由电阻和电感串联组成的支路星形连接组成；被试变频器的负载输出端和电感负载串联组成逆变系统的低压大电流功率考核系统，被试变频器的负载输出端和阻感负载串联组成轻载联调功率考核系统。
2.根据权利要求1所述的能量单向传输整流方式变频器功率考核系统，其特征在于， 所述的分流器和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。
3.根据权利要求1所述的能量单向传输整流方式变频器功率考核系统，其特征在于， 所述的第一变压器为低压大电流变压器，所述的第二变压器为高压交流变压器。
4.一种能量单向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法，其特征在于，该方法包括整流系统低压大电流功率考核、逆变系统低压大电流功率考核和被试变频器的系统轻载联调功率考核三个部分(1)整流系统低压大电流功率考核的步骤为第一步将被试变频器的相关主电路和控制线路接好，在变频器中间直流端接分流器作为考核负载；第二步通过控制调压器输出电压的大小来调节第一变压器输出电压的大小，给被试变频器整流系统供电，在试验过程中使变频器整流系统的电力电子变流器件处于满开放导通状态；第三步通过控制调压器次边输出电压来调节第一变压器的次边输出电压的大小，同时随着第一变压器输出电压的增大，被试变频器整流系统分流器负载上的过电流也随之增大，一直调节到试验考核电流值大小为止，使负载大电流导通稳定；第四步负载大电流导通稳定后，使被试变频器整流系统维持稳定的工作状态一段时间，将各关键部件及部件连接口温升情况稳定作为被试变频器整流系统达到出厂低压大电流功率考核要求的判据；(2)逆变系统低压大电流功率考核的步骤为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方式控制变频器逆变系统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，使被试变频器维持稳定的工作状态一段时间，将各关键部件及部件连接口温升情况稳定作为被试变频器逆变系统达到出厂低压大电流功率考核要求的判据；(3)被试变频器的系统轻载联调功率考核的步骤为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，使被试变频器维持稳定的工作状态一段时间，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。
5.根据权利要求4所述的能量单向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法，其特征在于，整流系统低压大电流功率考核步骤中，负载大电流导通稳定后，被试变频器整流系统维持稳定的工作状态的时间为30分钟。
6.根据权利要求4所述的能量单向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法，其特征在于，逆变系统低压大电流功率考核步骤中，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为40分钟。
7.根据权利要求4所述的能量单向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法，其特征在于，被试变频器的系统轻载联调功率考核步骤中，负载端电压和电流稳定后，被试变频器维持稳定工作状态的时间为15分钟。
8.根据权利要求4所述的能量单向传输整流方式变频器功率考核系统的试验方法，其特征在于，在所述的整流系统低压大电流功率考核步骤中，调节试验考核电流值到整流模块额定电流的1. 2倍；在所述的逆变系统低压大电流功率考核步骤中，调节被试变频器交流电压输出，使电感负载通过额定电流大小1. 1倍的电流；在所述的被试变频器的系统轻载联调功率考核步骤中，调节被试变频器交流电压输出，使阻感负载维持输出稳定的额定交流电压。
全文摘要
本发明公开了一种能量单向传输整流方式变频器功率考核系统及其试验方法，系统包括交流电源、调压器、变压器、低压大电流电源输出接线柜、交流电源输出接线柜。交流电源、调压器串联后分两路一路经第一变压器、低压大电流电源输出接线柜接被试变频器整流系统输入端，整流系统输出端与分流器连接；另一路经第二变压器、交流电源输出接线柜接被试变频器输入端，被试变频器由整流系统和逆变系统组合构成，被试变频器输出端通过一个转换开关可选择连接电感负载或阻感负载。本发明充分利用了电感负载的电压、电流和频率特性，以及电阻和电感组合负载的电压、电流和频率特性，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。
文档编号G01R31/00GK102331538SQ20111023748
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者余志涛, 彭淼淼, 武松剑, 耶小方, 高峰 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司