专利名称：采用有源前端的大功率变频器负载试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于变频器领域，尤其是一种采用有源前端的大功率变频器负载试验装置。
背景技术：
变频调速技术已经成为工业领域节能降耗、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。近年来，随着大功率电力电子器件的不断涌现，变频器单机容量增长十分迅速，各类兆瓦级变频器已经广泛应用于大型工业生产设备。为了保证大功率变频器设备的可靠性，在其设计、研制和生产过程中需对其部件或整体进行试验测试，当变频器容量较大时，对大容量变频器的测试十分困难。常见的变频器负载测试方法包括单台滑差电机堵转法、异步电机滑差对拖法、交流机组对拖法和交直流机组对拖法等，采用这些方法需要提供功率与之匹配的电动机和相应的控制器构成负载机组，其安装、调试十分不便，而且对试验场地及电源容量的要求也很高。虽然上述方法均可实现待测变频器的电能回馈，但由于中间环节较多、连接复杂，因此机械部件的能量损耗也较大，再加上消耗在电机及其控制器上的电能，需要从电网取用较大功率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种试验方法简单、试验结果准确且仅需从电网取用较少能量的采用有源前端的大功率变频器负载试验装置。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的一种采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，包括变频器、电抗器和直流电源，该电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，该直流电源连接在变频器中间直流侧，使得整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成功率回路。而且，所述的变频器采用有源前端作为整流单元，其结构为两电平或多电平交-直-交结构，该变频器所使用的功率开关器件为IGBT或IGCT。而且，所述的电抗器容量小于变频器容量的20%。而且，所述的直流电源取自电网，其作用是为试验中的有功损耗提供能量，容量小于变频器容量的5%。本发明的优点和积极效果是1、本试验装置在整流单元和逆变单元之间接有电抗器作为负载，使得功率通过整流单元、中间直流侧、逆变单元及负载电抗构成回路，整个试验过程除在功率器件和线路上的损耗外，没有其他有功消耗，仅需从电网取用较少的能量即可使得变频器流过较大功率， 从而实现在小容量电网进行大功率变频器负载试验的功能。2、本试验装置通过调节负载电抗两端的电压差来调节负载电流，在保证电流连续的前提下，可选择的负载电抗容量较小，其容量、体积也都较小，解决了常规的试验方法为了让逆变单元输出大功率需要提供与之配套的电动机及机械负载，还要考虑电动机安装、同轴连接等问题。3、本试验装置除待试验的变频器外，只需一个小容量电抗器和一个外接小容量直流电源，因此，本试验装置所用辅助器材少、连接简单、容易实现。
图1是本发明的电气接线原理图；图2是本发明在测试过程的电压、电流相量图；图3是逆变单元输出电压调制波及输出电流在一个周期内的波形示意图；图4是一个周期内电流在逆变单元一个桥臂上的流通路径示意图；图5是以IGCT三电平中压变频器为例的试验装置功率接线图；图6是逆变单元侧的电压、电流及有功功率仿真结果示意图；图7是整流单元的电压、电流及有功功率仿真结果示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例做进一步详述一种采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，实现交-直-交结构大功率变频器的负载性能试验功能。变频器输出的电压、功率因数灵活可调，可以四象限模拟负载电动机工况。待测变频器的拓扑结构可以是两电平或多电平结构，变频器所使用的功率器件可以是IGCT或IGBTt^n图1所示，采用有源前端的大功率变频器负载试验装置包括变频器、 直流电源和电抗器，在本实施例中，变频器为三电平中点电压钳位结构，该变频器由整流单元、中间直流侧以及逆变单元组成，在整流单元和逆变单元之间接有一个容量较小电抗器作为负载，使得功率通过整流单元、中间直流侧、逆变单元及负载电抗构成回路，整流单元和逆变单元之间的电抗器容量根据试验需求而定，通常可以做到小于变频器容量的20% ； 变频器的中间直流侧外接一个容量较小直流电源，其容量通常小于变频器容量的5%，该直流电源自电网取电并为试验中的有功损耗提供能量，由于试验中除装置和线路的损耗外， 没有其他有功消耗，因此从电网取用的功率较少，对电网的冲击也较小。试验时，保持逆变单元输出电压不变，调节整流单元侧的输出电压即可调节负载电抗电流，由于电抗器感抗选得较小，其两端电压不需相差很多即可产生较大电流，使得逆变单元可运行在额定出力； 通过灵活调节逆变单元输出的功率因数，实现对不同工况的模拟，全面测试变频器在不同工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。在图1所示的接线方式下，设定PWM整流单元以逆变器方式运行，并给定其输出电压参考值为么，这里么表示整流单元a相电压(即a相端子相对直流侧中点0的电压)的相量形式；类似地，设定逆变单元的输出电压参考值为么。保持么不变，调节么即可调节流经负载电抗的电流，进而控制逆变单元输出功率的大小及功率因数。如果电抗器的感抗选得较小，则么和么只需较小的偏差就可使具有较大幅值，使得逆变单元可以在额定出力下运行。在测试过程中，其电压、电流相量关系如图2所示，通过图2中的相量关系可以算出/'L =I1^-Cp=H ；
jmL P2 = OJ2Il cos φ。应该指出，虽然图1的接线方式是针对三电平拓扑变频器，但本发明的方案也适用于两电平或其他结构的大功率变频器试验，这些变频器的功率开关器件可以是IGBT，也可以是IGCT。本发明装置一个重要特性是其逆变侧功率因数可以灵活调节。由于变频器功率器件的温升和功率因数密切相关，因此功率因数可调对变频器温升测试装置十分重要。为说明功率因数对器件温升的影响，下面对二极管钳位三电平逆变器工作时的电流流通路径作简要分析。图3给出了一个周期内逆变器一相电压调制波u和该相电流i的波形，图中识为功率因数角，图示情况表明此时逆变器接感性负载。1、区域0 炉电流路径如图4(a)所示。此时调制电压为正，负载电流为负，逆变单元该相桥臂状态在正、零之间切换；Vl和V3轮流导通，V2 一直处于导通状态；负载电流在正状态时通过D1、D2流入，在零状态时通过V3、D6流入。在上述过程中，Vl中几乎没有电流流过，损耗很小；V3既有导通损耗也有开关损耗；续流二极管Dl、D2在导通时流过电流，存在导通损耗；Dl在关断时承受反压，存在反向恢复损耗，而D2在关断时由于V2和V3开通，不承受反压，没有反向恢复损耗。2、区域识 兀在这一区域内的电流路径如图4(b)所示。此时调制电压为正，负载电流为正，逆变单元该相桥臂状态在正、零之间切换；Vl和V3轮流导通，V2 一直处于导通状态；负载电流在正状态时通过V1、V2流出，在零状态时通过V2、D5流出。和区域1)的分析类似，此时 Vl既有导通损耗也有开关损耗，V2存在导通损耗；D5在关断时承受反压，存在反向恢复损
^^ ο3、区域π~π + φ电流路径如图4(c)所示。此时调制电压为负，负载电流为正，桥臂在负状态和零状态间切换；V2和V4轮流导通，V3 —直处于导通状态；负载电流在负状态时通过D3、D4流出，在零状态时通过V2、D5流出。在这一区域，V2管存在导通损耗和开关损耗；D3管有导通损耗，D4管既有导通损耗又有反向恢复损耗。4、区域兀 + φ - 2π电流路径如图4(d)所示。此时调制电压为负，负载电流为负，逆变单元该相桥臂状态在负、零之间切换；V2和V4轮流导通，V3 一直处于导通状态；负载电流在负状态时通过V3、V4流入，在零状态时通过V3、D6流入。在这一区域，V3、V4在导通时流过电流，存在导通损耗；V4由于开关动作还存在开关损耗，D6存在反向恢复损耗。上述分析表明三电平逆变单元工作时，功率器件中流过电流的大小和时间与逆变单元输出的功率因数、电压幅值有关，故器件的温升也与功率因数有关，因此，采用本试验装置通过调节逆变单元输出的功率因数，可以全面试验变频器在各种工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。下面以IGCT三电平中压变频器为例，详细说明本发明装置的结构，如图5所示， 该图仅画出三电平变频器的整流单元、逆变单元的其中一相，其功率器件的下标分别用x、y 表示，这里χ、y表示R、S、T三相中任意一相。试验装置由开关Q1、调压器Tl、开关Qll和 Q12、变压器Tll和T12、A和B两组二极管电源、滤波电容CA和CB、放电电路、接地电路、负载和控制设备等组成。利用调压器可以调整中间直流回路的电压，实现对低压、中压甚至高压等不同电压等级变频器的测量。若直流电压不需调节，则Tl可省去。A、B两组整流电源可以用开关Qll和Q12选通A组、B组或A和B两组同时工作，以满足试验要求。放电和接地是为试验安全考虑的设备。试验时，按图5接线，根据设计的变频器输出电流选择负载电感值；Q1、Q11、Q12合闸；调压器从零位升压，A、B组电容充电至期望值时停止升压；根据希望模拟的负载电动机运行工况，分别设置变频器整流单元和逆变单元电压给定值，使得变频器稳定工作，观测逆变单元输出电压、电流波形，记录功率器件的管壳温度，以其中温升最高者作为变频器最大输出能力的依据。由于采用电感作为温升试验负载，其有功功率消耗很小，试验过程中，装置只需从电网取用很少的功率来补偿自身的有功消耗，因此图5中变压器Tl的容量可以很小，通常小于装置额定容量的5%，因而是一种节能有效的试验方法，且对电网和其他设备的影响也很小。为了验证该发明的可行性，对图5所示的系统做了仿真验证，仿真结果如下图6及图7所示。图6给出了逆变单元侧的电压、电流及有功功率仿真结果，其中，U2为逆变单元输出的相电压波形，u2f为U2基波波形，iL为负载电抗器上的电流，P2为逆变单元输出的有功功率瞬时值；图7给出了整流单元的电压、电流及有功功率仿真结果，其中，U1为整流单元a相对直流侧中点0的电压波形，即整流单元a相电压调制波形；Ulf为U1的基波波形； I为a相电感电流波形；Pl为整流单元a输出的瞬时有功功率，是在每个基波周期计算的结果。将仿真时功率因数设定为0.85，电抗器选为lmH。从图6及图7给出的仿真波形可以看出，变频器在试验装置下能够正常运行，其波形与驱动电机时的波形完全一致。逆变单元输出的瞬时有功功率为2丽，整流单元吸收的有功功率为1.98丽，可见逆变单元输出的有功绝大部分被整流单元吸收，仅有小部分转化为线路损耗，实现了用小容量电网测试大功率装置的目的。需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，其特征在于包括变频器、电抗器和直流电源，该电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，该直流电源连接在变频器中间直流侧，使得整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成功率回路。
2.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，其特征在于 所述的变频器采用有源前端作为整流单元，其结构为两电平或多电平交-直-交结构，该变频器所使用的功率开关器件为IGBT或IGCT。
3.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，其特征在于 所述的电抗器容量小于变频器容量的20%。
4.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，其特征在于 所述的直流电源取自电网，其作用是为试验中的有功损耗提供能量，容量小于变频器容量的5%。
全文摘要
本发明涉及一种采用有源前端的大功率变频器负载试验装置，其主要技术特点是包括变频器、电抗器和直流电源，该电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，整流单元采用有源前端，该直流电源连接在变频器中间直流侧，使得整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成功率回路。本发明设计合理，只需一个小容量的电抗器和一个外接小容量直流电源即可实现，整个试验过程除在功率器件和线路上的损耗外，没有其他有功消耗，仅需从电网取用较少的能量即可使得变频器流过较大功率，从而实现在小容量电网进行大功率变频器负载试验的功能，具有结构简单、试验结果准确、所用辅助器材少、容易实现等特点。
文档编号G01R31/00GK102508073SQ20111034336
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者伍丰林, 宋鹏, 楚子林, 许希, 金雪峰 申请人:天津天传电气有限公司, 天津电气传动设计研究所