专利名称：一种用于叠频试验的叠频抑波装置及方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种交流异步电机进行叠频实验时采用 的叠频抑波装置及方法。
背景技术：
叠频试验是进行交流异步电机热试验的一种简单经济的方法。叠频试验的原理就 是使交流异步电机在空载的状态下不断地在加速和减速间转换。试验时设法使交流异步电 机的同步转速时快时慢，电机转子为了跟踪同步转速就需要更大的力矩去克服惯性。因此 大大增加了电机的空载电流，通过调整加减速的快慢和频率就可以使电机的空载电流达到 额定电流的大小，从而考核电机在额定电流时的温升状况完成电机的热试验。由于叠频试 验时，电机没有轴功率输出，所以试验需要的输入功率远小于电机的额定功率，十分适合大 功率交流异步电机的热试验，可以节约大量电能。
随着技术的进步，叠频试验现在大多通过变频电源完成。如图1所示，其中显示了 对异步电机进行叠频试验的系统。其中包括专用变频电源，该电源具有整流电路102，并联 于电网101上，用于将电网101上的交流电能转换为直流电能。在整流电路102的输出两 端，即直流电源的正负两极上并联有支撑电容C，其用于稳定直流母线上的波动。由于，在电 机叠频试验时，测试电机104频繁地在电动和发电的状态下转换，直流母线上的波动较普 通的变频电源上的波动大，因此叠频试验中的支撑电容C的容量要比普通的变频电源上电 容的容量大很多。
当交流异步电机104工作在电动工况时，向直流母线索取能量造成直流母线电压 下降；当交流异步电机104工作在发电工况时，向直流母线回馈能量造成直流母线电压上 升。叠频功率越大，母线波动就越大，母线波动过大会使得整流元件或逆变元件过压损坏， 并且影响叠频试验的输出精度和稳定。
目前，为了降低叠频试验时母线上的波动，常用的方法有以下三种
( I)增大直流母线支撑电容C的容量。使得直流母线存储和释放电荷的能力提高， 必然也就降低了直流母线电压波动的大小。但是由于叠频试验时电机在快速的吸收和回馈 能量，需要巨大容量的电容才能保证直流母线电压波动在正常范围，这样做的成本十分巨 大，一般无法承受。
(2)电阻耗能法。通过快速电子开关控制电阻在直流母线两端的投入，当直流母线 电压过高时，投入电阻消耗回馈能量降低母线电压，当直流母线下降到一定程度时切除电 阻。该方法可以降低直流母线支撑电容的容量，但是只能限制直流母线的最高值，无法降低 母线的波动，而且电阻需要耗能发热，会增大试验损耗。
(3)逆变回馈法。电阻耗能法是把回馈的能量白白消耗掉，我们也可以把它回馈到 电网就产生了逆变回馈法。在直流母线和输入电网直接连接一个逆变器，可以把直流母线 上的能量通过逆变回馈到输入电网上。这样减小了试验损耗提高了系统效率。但是逆变器 结构复杂、成本较高，关键是和电阻耗能法一样只能削峰而无法填谷，因此，也不能有效的减小直流母线波动。发明内容
本发明针对现有技术中进行叠频试验时，没有简单的可有效减小直流母线上的波 动的装置的缺点，提出了一种结构简单、无耗能器件的叠频抑波装置，所述叠频抑波装置包 括
支撑电容，其并联在直流母线两端，用于保证直流母线上的电压稳定；
升/降压斩波电路，其连接在所述支撑电容两端，用于当所述支撑电容上的电压 过低或过高时升高或降低所述支撑电容上的电压；
控制器，其输入连接在支撑电容上，以检测所述支撑电容上的电压，输出连接在所 述升/降压斩波电路的控制端上，当所述电压超过预设的第一阈值时，发出控制信号使得 所述升/降压斩波电路工作在降压斩波状态，当所述电压低于预设的第二阈值时，发出控 制信号使得所述升/降压斩波电路工作在升压斩波状态，
其中，所述升/降压斩波电路包括第一和第二开关元件以及电感元件，所述第一 开关元件与所述第二开关元件串联在直流母线两端，串联的节点与所述电感元件的一端相 连，所述电感元件的另一端与直流母线的负极之间并联储能电容。
根据本发明的一个实施例，所述控制器的输出端分别连接到所述第一开关元件与 所述第二开关元件的控制端以根据所检测的电压控制所述第一开关元件与所述第二开关 元件交替处于关断状态或者脉宽调制PWM状态。
根据本发明的一个实施例，通过控制脉宽调制PWM的占空比来控制对所述储能电 容的充放电时间。
根据本发明的一个实施例，所述第一开关元件和第二开关元件为绝缘栅双极型晶 体管IGBT元件。
根据本发明的一个实施例，所述第一开关元件的集电极连接到直流母线的正极， 其发射极连接到所述第二开关元件的集电极，所述第二开关元件的发射极连接到直流母线 的负极，所述电感元件的一端连接在所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接处，另 一端连接所述储能电容的一端，所述储能电容的另一端连接直流母线的负极。
根据本发明的一个实施例，在所述储能电容上并联连接有能耗电路，其控制端与 所述控制器的输出端相连，当所述控制器检测到所述储能电容上的电压过高时启动所述能 耗电路工作。
根据本发明的一个实施例，所述能耗电路包括串联连接的开关元件和电阻元件。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还检测所述支撑电容上的充放电电流。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种叠频抑波的方法，所述方法包括以下步 骤
S401、检测直流母线上的电压值以及流过支撑电容的电流；
S402、与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，如果所述电压值高于所述第 一阈值，则发出控制信号使得电路工作在降压斩波状态，从而使直流母线对并联在其上的 电容进行充电，
S403如果所述电压值低于所述第二阈值时，则发出控制信号使得电路工作在升压斩波状态，从而使并联在直流母线上的电容将电能回馈给直流母线；
其中，通过周期性地设定控制信号的占空比，可以控制所述电路对所述电容充电 的时间或者将电能回馈给直流母线的时间。
本发明的应用可以很快地稳定直流母线上的波动，从而节约了用户的投资，减少 了能源损耗，提高了效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
图1显示了对电机进行叠频试验的系统的原理框图2是根据本发明的一个实施例所采用的具体的专用变频电源电路图3是根据本发明的一个实施例用于叠频试验的叠频抑波装置的电路原理图4是根据本发明的一个实施例在叠频试验下进行叠频抑波的方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系 统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处 的顺序执行所示出或描述的步骤。
在进行本发明的叠频试验时，所采用的变频电源如图2所示，其包括由6个二极管 构成的整流电路，6个晶体管构成的逆变电路。此外，为了减小谐波对于电机温升的影响，还 配置了正弦波滤波器。
以上变频电源仅是为了清楚地说明本发明的原理，事实上，本发明在进行叠频试 验时所采用的变频电源并不局限于此。
实施例一
为使交流异步电机叠频试验时的直流母线上的电压波动小，而且支撑电容C的容 量又不需要很大，本发明设计了一种叠频抑波装置，其电路原理如图3所示。它包括支撑电 容Cl、升/降压斩波电路201和控制器202。
其中，支撑电容Cl并联在直流母线两端，用于保证直流母线上的电压稳定。升/ 降压斩波电路201连接在支撑电容Cl两端，用于当支撑电容Cl上的电压过低或过高时升 高或降低支撑电容Cl上的电压，也就是直流母线上的电压，以减少直流母线上的波动，从 而保护变频电源的各个元器件。
控制器202的输入连接在支撑电容Cl上，以检测支撑电容Cl上的电压，输出连接 在升/降压斩波电路201的控制端1，2上，当所检测的Cl上的电压超过预设的第一阈值时， 发出控制信号使得升/降压斩波电路201工作在降压斩波状态，当电压低于预设的第二阈值时，发出控制信号使得升/降压斩波电路201工作在升压斩波状态。
第一和第二阈值由控制器202内部根据测试电机的容量来设定。
升/降压斩波电路201包括第一和第二开关元件Tl，T2以及电感元件L，第一开关 元件Tl与第二开关元件T2串联在直流母线两端，串联的节点与电感元件L的一端相连，电 感元件L的另一端与直流母线的负极DC-之间并联储能电容C2。
通过控制第一和第二开关元件的闭合和关断时间，就可以控制直流母线与储能电 容C2之间的充放电过程。在本发明的具体实施例中，控制器202的输出端分别连接到第一 开关元件Tl与第二开关元件T2的控制端以根据所检测的电压控制第一开关元件Tl与第 二开关元件T2交替处于关断状态或者脉宽调制PWM状态。控制器通过控制脉宽调制PWM 的占空比来控制对储能电容C2的充放电时间，从而实现直流母线上的电压在一定范围内 的稳定输出。
第一开关元件Tl和第二开关元件T2为绝缘栅双极型晶体管IGBT元件。通过控 制栅极与发射极之间的电压，就可以控制开关元件Tl和T2的闭合关断状态。也就是说，控 制器的输出端连接在绝缘栅双极型晶体管IGBT元件的栅极，栅极作为该开关元件的控制 端1，2。当然，本发明不限于此，只要这些开关元件具有可控的特点，就均可以实现本发明。
在如图3所示的升/降压斩波电路201中，第一开关元件Tl的集电极连接到直流 母线的正极DC+，其发射极连接到第二开关元件T2的集电极，第二开关元件T2的发射极连 接到直流母线的负极DC-，电感元件L的一端连接在第一开关元件Tl和第二开关元件T2的 连接处，另一端连接储能电容C2的一端，储能电容C2的另一端连接直流母线的负极DC-。
此外，还可以在储能电容C2上并联连接能耗电路203，其控制端3与控制器202的 输出端相连。储能电容C2上的电压作为控制器202的输入，当控制器202检测到储能电容 C2上的电压过高时，发出控制信号给控制端3，启动能耗电路203工作。
如图3所示，能耗电路203包括串联连接的开关元件T3和电阻元件R。同样，在本 发明的具体实施例中，选择绝缘栅双极型晶体管IGBT元件作为开关元件。而本发明不限于 此，本领域的技术人员显然根据本发明的教导可以想到还可以采用其他可控的开关元件。
在本发明的实施例中，控制器202还检测支撑电容Cl上的充放电电流。由于Cl 的充放电电流变化快于其两端电压即直流母线电压的变化，因此控制器检测Cl的充放电 电流可以对直流母线电压的变化做出更快的响应，可以更好的抑制直流母线的波动。
实施例二
下面介绍本发明的叠频抑波装置的工作原理。
如上所述，控制器202采集支撑电容Cl和储能电容C2两端的电压以及流过Cl的 电流，随后经过计算输出给开关元件Tf T3的控制信号。
当直流母线电压也就是支撑电容Cl两端电压升高时，流过支撑电容Cl的充放电 电流必然增大，此时控制器202输出控制信号到控制端2，以关断第二开关元件T2，使得第 一开关元件Tl在控制端I的作用下工作在PWM状态，这时控制器向控制端I发出PWM信号。 当PWM信号控制第一开关元件Tl闭合时，直流母线电压通过第一开关元件Tl、电感元件L 给储能电容C2充电；当PWM信号控制第一开关元件Tl关断时，通过C2、T2中的晶体二极管 给电感元件L续流。控制第一开关元件Tl工作时的PWM波形的占空比，即可以控制直流母 线给储能电容C2的充电大小。
如果储能电容C2充电过多，两端电压升高过大时，还可以通过控制闭合第三开关 元件T3，通过耗能电路203中的电阻R消耗储能电容C2的能量，从而降低储能电容C2两端 的电压。
当直流母线电压降低，流过支撑电容Cl的充放电电流必然减小，此时关断第一开 关元件Tl，使第二开关元件T2工作在PWM状态。当控制器202输出的PWM信号使第二开关 元件T2闭合时，储能电容C2通过第二开关元件T2放电为电感元件L充电；当控制器202 输出的PWM信号使第二开关元件T2关断时，电感元件L通过第一开关元件Tl的二极管续 流，储能电容C2存储的能量释放到了直流母线。通过控制第二开关元件T2工作PWM的占 空比，即可以控制储能电容C2向直流母线释放的能量大小。
这样叠频抑波装置就可以起到削峰填谷的作用，更好地平整了直流母线，保持了 直流母线的稳定。正常工作时，本发明的叠频抑波装置没有耗能元件工作，所以损耗很少， 系统效率很高。只有当回馈能量过大使得储能电容C2电压过高时，才启动第三开关元件T3 和电阻R组成的耗能电路203。当储能电容C2电压下降到安全值以下后耗能电路即停止工作。
实施例三
根据上述的实施例，本发明还提供了一种在叠频试验下进行叠频抑波的方法，该 方法如图4所示。
在步骤S401中，检测直流母线上的电压值和流过的电流值。在本发明公开的实施 例中，也就是通过控制器202检测或者采集支撑电容Cl两端的电压。此外，控制器202还 采集流过支撑电容Cl的电流，从而加快控制器对电路过压或者欠压状态的响应速度，尽可 能地实现直流母线上的稳定。
在步骤S402中，与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，如果电压值高于第 一阈值，则发出控制信号使得电路工作在降压斩波状态，从而使直流母线对并联在其上的 电容进行充电。
在步骤S403中，如果电压值低于第二阈值时，则发出控制信号使得电路工作在升 压斩波状态，从而使并联在直流母线上的电容将电能回馈给直流母线。
通过周期性地设定控制信号的占空比，可以控制对电容充电的时间或者将电能回 馈给直流母线的时间。
此外，根据本发明的实施例，在检测升/降压斩波电路两端的电压过高时还可以 切入能耗电路从而使得叠频抑波装置进入能耗状态，使直流母线上过多的电能通过能耗电 路进行消耗。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本 发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种用于叠频试验的叠频抑波装置，包括支撑电容(Cl)，其并联在直流母线两端，用于保证直流母线上的电压稳定；升/降压斩波电路(201)，其连接在所述支撑电容(Cl)两端，用于当所述支撑电容(Cl) 上的电压过低或过高时升高或降低所述支撑电容(Cl)上的电压；控制器(202)，其输入连接在支撑电容(Cl)上，以检测所述支撑电容(Cl)上的电压，输出连接在所述升/降压斩波电路(201)的控制端(1，2)上，当所述电压超过预设的第一阈值时，发出控制信号使得所述升/降压斩波电路(201)工作在降压斩波状态，当所述电压低于预设的第二阈值时，发出控制信号使得所述升/降压斩波电路(201)工作在升压斩波状态，其特征在于，所述升/降压斩波电路(201)包括第一和第二开关元件(Tl，T2)以及电感元件(L)，所述第一开关元件(Tl)与所述第二开关元件(T2)串联在直流母线两端，串联的节点与所述电感元件(L)的一端相连，所述电感元件(L)的另一端与直流母线的负极(DC-) 之间并联储能电容(C2)。
2.如权利要求1所述的叠频抑波装置，其特征在于，所述控制器(202)的输出端分别连接到所述第一开关元件(Tl)与所述第二开关元件(T2)的控制端以根据所检测的电压控制所述第一开关元件(Tl)与所述第二开关元件(T2)交替处于关断状态或者脉宽调制PWM状态。
3.如权利要求2所述的叠频抑波装置，其特征在于，通过控制脉宽调制PWM的占空比来控制对所述储能电容(C2)的充放电时间。
4.如权利要求1-3中任一项所述的叠频抑波装置，其特征在于，所述第一开关元件 (Tl)和第二开关元件(T2)为绝缘栅双极型晶体管IGBT元件。
5.如权利要求4所述的叠频抑波装置，其特征在于，所述第一开关元件(Tl)的集电极连接到直流母线的正极(DC+)，其发射极连接到所述第二开关元件(T2)的集电极，所述第二开关元件(T2)的发射极连接到直流母线的负极(DC-)，所述电感元件(L)的一端连接在所述第一开关元件(Tl)和所述第二开关元件(T2)的连接处，另一端连接所述储能电容 (C2)的一端，所述储能电容(C2)的另一端连接直流母线的负极(DC-)。
6.如权利要求5所述的叠频抑波装置，其特征在于，在所述储能电容(C2)上并联连接有能耗电路(203)，其控制端(3)与所述控制器(202)的输出端相连，当所述控制器(202)检测到所述储能电容(C2)上的电压过高时启动所述能耗电路(203)工作。
7.如权利要求6所述的叠频抑波装置，其特征在于，所述能耗电路(203)包括串联连接的开关元件(T3)和电阻元件(R)。
8.如权利要求1-7中任一项所述的叠频抑波装置，其特征在于，所述控制器(202)还检测所述支撑电容(Cl)上的充放电电流。
9.一种用于叠频试验的叠频抑波方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤.5401、检测直流母线上的电压值以及流过支撑电容(Cl)的电流；.5402、与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，如果所述电压值高于所述第一阈值，则发出控制信号使得电路工作在降压斩波状态，从而使直流母线对并联在其上的电容进行充电，S403如果所述电压值低于所述第二阈值时，则发出控制信号使得电路工作在升压斩波状态，从而使并联在直流母线上的电容将电能回馈给直流母线；其·中，通过周期性地设定控制信号的占空比，可以控制所述电路对所述电容充电的时间或者将电能回馈给直流母线的时间。
全文摘要
本发明公开了一种用于叠频试验的叠频抑波装置，包括支撑电容，其并联在直流母线两端，用于保证直流母线上的电压稳定；升/降压斩波电路，其连接在支撑电容两端，用于当支撑电容上的电压过低或过高时升高或降低支撑电容上的电压；控制器，其输入连接在支撑电容上，以检测支撑电容上的电压，输出连接在升/降压斩波电路的控制端上，当电压超过预设的第一阈值时，发出控制信号使升/降压斩波电路工作在降压斩波状态，当电压低于预设的第二阈值时，发出控制信号使得升/降压斩波电路工作在升压斩波状态。采用本发明的叠频抑波装置可以很快地稳定直流母线上的波动，从而节约了用户的投资，减少了能源损耗，提高了效率。
文档编号H02M1/14GK103066818SQ20131002727
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者廖仲篪 申请人:湖南银河电气有限公司