一种城轨主辅变流器通用高压试验装置及试验方法与流程

本发明涉及城市轨道交通中变流器试验技术领域，尤其涉及一种城轨主辅变流器通用高压试验装置、系统及试验方法。

背景技术：

城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等多种优点。城市轨道交通系统主要由牵引变流器、辅助变流器和牵引蓄电池充电机等构成，其中辅助变流器的运行独立于牵引系统，为城市轨道车辆输出三相四线AC380V/50Hz的交流电源，并向主压缩机、空调、散热风机和牵引蓄电池充电机等交流负载供电，同时可以从U、V、W相中任意一相与中心线N之间取出AC220V交流电；牵引蓄电池充电机将滞留电压降压斩波后向牵引蓄电池充电，可以实现牵引蓄电池的恒流、恒压、浮充、均充过程，并能在再生制动工况下快速进入牵引蓄电池充电过程。

为了确保产品出厂后的质量和性能的稳定，产品出厂前都需要经过严格的功能试验、性能试验、功率考核试验等试验的筛选。变流器的出厂例行试验主要验证产品的硬件及软、硬件配合是否满足要求，包括启动输出试验、各项保护动作(如接触器故障、输入过流故障、散热风机故障等)、牵引蓄电池充电机试验及持续运行试验(即定工况持续运行指定时间)等。

目前针对城轨牵引变流器、辅助变流器，普遍都是分别搭建牵引变流试验系统、辅变变流试验系统以对该两种产品进行试验，即由两套独立的试验系统分别对牵引变流器、辅助变流器进行测试，分别为：①包含输出电源、控制系统、纯感负载系统及辅助供电系统的牵引变流器试验系统，用以对牵引变流系统进行试验；②包含输出电源、控制系统、阻感负载系统及辅助供电系统的辅助变流器试验系统，用以对辅助变流器系统进行试验，试验系统搭建方式如图1所示。牵引变流器及辅变电源变流器的试验需求类型是基本相同的，仅功率大小和负载类型有区别，供电需求通常均为直流DC50V～2000V，因而该类试验方式具有以下缺陷：

1)试验时搭建两套试验系统，需要使用到两套电源系统设备，所需的成本非常高、能源功耗大，造成试验资源以及能耗的浪费，且试验系统的占用面积大；

2)试验系统的通用性差，牵引变流试验系统仅能适用于牵引变流器试验、辅助变流器试验系统则仅能适用于辅助变流器试验，不能满足目前对于产品通用性的需求；

3)牵引变流器、辅助变流器的两套试验系统相互独立工作，试验时分别由独立的控制系统控制，试验过程中操作人员需要同时对两个试验系统进行操作，控制实现复杂，增加了试验执行复杂度以及试验操作的安全风险。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种通过一套装置可同时满足牵引变流器、辅助变流器的试验需求，且结构简单、所需成本以及能耗低、能够实现自动化试验，试验效率高且安全可靠的城轨主辅变流器通用高压试验装置，以及实现方法简单、所需成本以及能耗低、试验效率高且安全可靠的试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种城轨主辅变流器通用高压试验装置，包括分别与被试变流器连接的控制系统、用于提供包括牵引变流器、辅助变流器的试验所需直流电源的直流电源系统以及含有牵引变流器、辅助变流器所需负载的负载系统，所述控制系统与所述直流电源系统连接，所述控制系统接收控制指令，控制所述直流电源系统输出被试变流器试验所需直流电源，以及控制被试变流器执行所需试验。

作为本发明装置的进一步改进：所述直流电源系统包括依次连接的电源输入单元、调压单元、整流单元以及电源输出单元，所述电源输入单元接入三相交流电源，经过所述调压单元进行调压、所述整流单元进行整流后，输出所需的直流电源，并通过所述电源输出单元输出。

作为本发明装置的进一步改进：所述整流单元包括两组六脉波整流电路，两组所述六脉波整流电路之间按照试验所需电流、电压配置为串联或并联连接。

作为本发明装置的进一步改进：所述调压单元包括依次连接的调压器TM1以及整流变压器TM2，所述调压器TM1将所述三相交流电源进行降压，输出第一交流电压，所述整流变压器TM2的输入端接入所述第一交流电压，输出端输出第二交流电压。

作为本发明装置的进一步改进：所述负载系统包括用于提供牵引变流器所需负载的第一负载系统、用于提供辅助变流器所需负载的第二负载系统，当被试变流器为牵引变流器时，接入所述第一负载系统至被试变流器，当被试变流器为辅助变流器时，接入所述第二负载系统至被试变流器。

作为本发明装置的进一步改进：所述控制系统包括分别与所述第一负载系统、第二负载系统连接的切换控制单元，通过所述切换控制单元控制接入所述第一负载系统或所述第二负载系统至被试变流器。

作为本发明装置的进一步改进：所述第二负载系统为纯电感负载系统；所述纯电感负载系统包括DC110V负载以及多套不同档位的三相逆变负载。

作为本发明装置的进一步改进：所述第一负载系统与所述第二负载系统之间为互锁控制。

作为本发明装置的进一步改进：还包括与所述控制系统连接的信号采集系统，所述信号采集系统采集试验时被试变流器的试验信号，并回馈至所述控制系统。

作为本发明装置的进一步改进：所述信号采集系统包括依次连接的传感器单元、信号调理电路以及PCI采集卡，所述传感器单元采集试验时被试变流器的包括电压、电流信号的试验信号，经过所述信号调理电路后，输出调理后试验信号，通过所述PCU采集卡采集所述调理后试验信号并发送给所述控制系统。

作为本发明装置的进一步改进：所述控制系统包括相互连接的交互控制单元、控制执行单元，所述控制执行单元包括主控制器以及分别与主控制器连接的多个从控制器，所述交互控制单元接收试验设置数据、所述信号采集系统回馈的所述试验信号，并输出控制指令给所述控制执行单元；所述控制执行单元中所述主控制器接收所述控制指令，通过各个所述从控制器控制被试变流器以执行所需试验。

本发明进一步公开利用上述试验装置的试验方法，步骤包括：

1)当需要执行牵引变流器试验时，接入所述负载系统中对应牵引变流器所需负载的第一负载系统至被试变流器；当需要执行辅助变流器试验时，接入所述负载系统中对应辅助变流器所需负载的第二负载系统至被试变流器；转入执行步骤2)；

2)启动试验，所述控制系统接收试验设置数据，并向所述直流电源系统发送控制指令，控制所述直流电源系统输出当前试验所需的直流电源给被试变流器，以及向所述被试变流器发送控制指令，控制被试变流器执行所需试验，所述试验包括牵引变流器试验、辅助变流器试验；

3)执行试验时，采集被试变流器试验时的试验信号进行处理，输出所需试验参数，并将采集到的所述试验信号回馈至所述控制系统，返回执行步骤2)，直至退出当前试验。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤3)中具体采集试验时被试变流器的输入电压和电流信号以及输出电压和电流信号，根据采集到的信号计算被试变流器的输入、输出功率，以及判定负载以及被试变流器的工作状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本通过复用一套控制结构及电源结构，由控制系统、直流电源系统以及负载系统构成一套通用高压试验装置，可同时满足牵引变流器及辅助变流器的试验需求，通用性强，大大减少了试验所需的成本、空间及能耗；同时基于一套试验装置，通过一套控制系统自动控制调节直流电源以及控制被试变流器执行试验，执行牵引变流器、辅助变流器试验，能够实现主辅变流器自动化试验，试验操作过程简单，有效提高了试验效率以及安全可靠性，特别适用于城轨牵引变流器、辅助变流器的多类型产品出厂例行试验；

2)本发明通过一套控制系统实现牵引变流器、辅助变流器试验，可以减少控制系统的重复设计，控制系统进一步采用分布式结构，易于实现及维护；

3)本发明直流电源系统进一步包括两组六脉波整流电路，通过两组六脉波整流电路不同连接方式的切换，可实现并联状态下的大电流输出、以及串联状态下的大电压输出，不受电源容量限制，可兼容不同电源模式的试验；

4)本发明针对辅助变流器试验采用基于纯电感负载系统的纯感考核，能够保证辅助变流器试验效果的同时，大大降低试验所需有功功率和试验能耗；

5)本发明通过测试系统控制按照要求测试被试变流器的参数，无需手动操作，大大降低了人工操作强度，数据的实时保存和打印功能还可以降低测试数据的失真可能性，提高数据获得的实时性以及事后追溯的有效性。

附图说明

图1是现有技术中变流器的测试原理示意图。

图2是本发明实施例1城轨主辅变流器通用高压试验装置的结构示意图。

图3是本发明实施例1直流电源系统的结构示意图。

图4是本发明实施例1整流单元的具体电路结构示意图。

图5是本发明实施例1第一负载系统的结构示意图。

图6是本发明实施例1第二负载系统的结构示意图。

图7是本发明实施例1信号采集系统的结构原理示意图。

图8是本发明实施例1控制系统的结构原理示意图。

图9是本发明实施例2城轨主辅变流器通用高压试验装置的结构示意图。

图例说明：1、被试变流器；2、控制系统；3、直流电源系统；31、电源输入单元；32、调压单元；33、整流单元；34、电源输出单元；4、第一负载系统；5、第二负载系统。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图2所示，本实施例城轨主辅变流器通用高压试验装置分别与被试变流器1连接的控制系统2、用于提供包括牵引变流器、辅助变流器的试验所需直流电源的直流电源系统3以及含有牵引变流器、辅助变流器所需负载的负载系统，控制系统2与直流电源系统3连接，控制系统2接收控制指令，控制直流电源系统3输出被试变流器1试验所需直流电源，以及控制被试变流器1执行所需试验。

本实施例通过复用一套控制结构及电源结构，由控制系统2、直流电源系统3以及负载系统构成一套通用高压试验装置，该一套试验装置可同时满足牵引变流器及辅助变流器产品所有试验需求，大大减少了试验所需的成本及能耗，同时可以大大节约试验场地，相比于传统的试验过程中需要在不同场地间往返执行试验，能够有效减少试验时间，提高试验效率。

本实施例基于一套试验装置，通过一套控制系统2自动控制调节直流电源以及控制被试变流器1执行牵引变流器、辅助变流器试验，能够实现主辅变流器自动化试验，试验操作过程简单，有效提高了试验效率以及安全可靠性。

如图3所示，本实施例中直流电源系统3具体包括依次连接的电源输入单元31、调压单元32、整流单元33以及电源输出单元34，电源输入单元31接入三相交流电源，经过调压单元32进行调压、整流单元33进行整流后，输出所需的直流电源，并通过电源输出单元34输出。本实施例具体由电源输入单元31接入电网三相10kV工频交流电，经过调压单元32、整流单元33后转换为DC60～2200V直流电，通过电源输出单元34输出给被试变流器，能够满足牵引变流器、辅助变流器的各项试验需求。直流电源系统3的电源输出范围具体可根据实际试验所需设定。

本实施例中，调压单元32包括依次连接的调压器TM1以及整流变压器TM2，调压器TM1将三相交流电源进行降压，输出第一交流电压，整流变压器TM2的输入端接入第一交流电压，输出端输出第二交流电压。本实施例城轨变流器的试验电源要求DC2200V、额定电流为100A，以及要求容量为250kVA，则调压器TM1具体将进线10kV三相工频电源降压成30～650V三相连续可调交流工频电源输出给整流变压器TM2，调压器TM1的各项参数具体为：额定容量为250kVA，频率为50Hz，相数为三相，输出电压为30V～650V。调压器TM1具体可采用油浸式调压器。整流变压器TM2具体采用额定容量为315kVA、频率为50Hz，以及一次对二次额定电压比为1.5854(允差为±0.5％)的变压器。调压器TM1以及整流变压器TM2的具体类型均可以根据实际需求选取。

本实施中，整流单元33具体包括两组六脉波整流电路，两组六脉波整流电路之间按照试验所需电流、电压配置为串联或并联连接。通过两组六脉波整流电路不同连接方式的切换，可实现并联状态下的大电流输出、以及串联状态下的大电压输出，不受电源容量限制。传统的试验系统中直流电源采用六脉波整流技术，电源的容量容易受到器件和成本的限制，不具备电源模式的兼容性。

如图4所示为本实施例所采用的两组六脉波整流电路结构，将两组六脉波整流电路并联连接时，输出DC20～1100V的12脉波2电平可调直流电源，实现并联状态下的大电流输出；将两组六脉波整流电路串联连接时，输出DC40V～2200V的6脉波2电平可调直流电，实现串联状态下的大电压输出，可兼容输入DC1500和DC750V两种电源模式的变流器产品试验。本实施例整流单元33具体采用额定电压为DC2000V、额定电流为DC300A以及功率为400kVA的整流屏柜。

如图3所示，本实施例电源输入单元31具体为包含输入开关G1的第一电源输入开关柜、包含输入开关G2的第二电源输入开关柜，用于控制接入三相交流电源，其中输入开关G2具体为高速断路器，通过输入开关G1可以确认通电前状态，结合输入开关G2可以保证试验过程中出现意外情况时，能够快速断开电源，从而保证安全。三相交流电源经过调压器TM1输出30～650V三相交流电；整流变压器TM2通过整流变压器输入柜AR1连接调压器TM1、通过整流变压器串并联输出柜AR2连接整流单元33，经过整流单元33输出DC60V～2200V；整流单元33通过直流高速开关柜AR4、直流电源接电柜连接被试变流器1。

本实施例中，负载系统包括用于提供牵引变流器所需负载的第一负载系统4、用于提供辅助变流器所需负载的第二负载系统5，当被试变流器1为牵引变流器时，接入第一负载系统4至被试变流器1，当被试变流器1为辅助变流器时，接入第二负载系统5至被试变流器1。通过第一负载系统4、第二负载系统5的切换，即可切换牵引变流器、辅助变流器试验。

如图5所示，本实施例第一负载系统4具体包括三相负载电感以及斩波电阻柜，三相负载电感通过三相负载接线测量柜与被试牵引变流器连接，斩波电阻柜通过斩波电阻接线测量柜与被试牵引变流器连接，以提供牵引变流器负载。

如图6所示，本实施例中第二负载系统5具体为纯电感负载系统，电感负载通过负载输出柜、变流器接线柜连接被试辅助变流器。传统的辅助电源系统采用阻感考核系统，功率因数高(约0.7～0.9)，能耗大大高于纯感考核系统(约为6倍)。本实施例基于上述一套试验装置，针对辅助变流器试验采用基于纯电感负载系统的纯感考核，能够保证辅助变流器试验效果的同时，大大降低试验所需有功功率和试验能耗。如表1所示，本实施例纯电感负载系统具体包括一套DC110V负载以及多套不同档位的三相逆变负载(15、20、30、50及100kVA档位)，其中DC110V负载中有一路电流连续可调范围为1A～10A，380V逆变负载总功率为235kVA(输出电压按380V计算，频率50Hz)，负载型式为阻抗负载，功率因数可控制在0.15以下，具体可达0.02～0.15，与传统的阻感考核相比能耗可降低至约6倍。纯电感负载系统中负载具体还可根据需求设置。

表1：辅助变流器试验负载。

本实施例中，第一负载系统4与第二负载系统5之间为互锁控制，即对第一负载系统4与第二负载系统5的开关柜互锁控制。牵引变流器和辅变电源无功功率存在巨大差异，通过将两套负载进行互锁控制，能够起到防错的作用，避免由一套装置执行牵引变流器、辅助变流器试验时的操作安全风险。本实施例进一步对直流电源系统3及设备房的门栏采用了互锁控制，保证试验安全性能。

本实施例中，还包括与控制系统2连接的信号采集系统，信号采集系统采集试验时被试变流器1的试验信号，并回馈至控制系统2，控制系统2接收试验信号进行处理，输出所需试验参数。

如图7所示，本实施例中信号采集系统包括依次连接的传感器单元、信号调理电路以及PCI采集卡，传感器单元采集试验时被试变流器1的包括电压、电流信号的试验信号，经过信号调理电路后，输出调理后试验信号，通过PCU采集卡采集所述调理后试验信号并发送给控制系统2。基于PCI数据采集卡可自动采集试验信号，无需人工测量及记录，因而试验操作简单且试验效率高。

本实施例中，控制系统2包括相互连接的交互控制单元、控制执行单元，控制执行单元包括主控制器以及分别与主控制器连接的多个从控制器，构成分布式结构，交互控制单元接收试验设置数据、信号采集系统回馈的试验信号，并输出控制指令给控制执行单元；控制执行单元中主控制器接收控制指令，通过各个从控制器控制被试变流器1以执行所需试验。本实施例上述分布式结构的控制系统2，易于实现及维护，大大降低了控制系统2搭建及维护的难度。

本实施例中，交互控制单元具体为基于LabView的控制器，控制执行单元为PLC控制器，结合LabView以及PLC的程序控制执行试验，相比传统的往机械按钮式的控制，操作过程简单，试验控制效率以及自动化程度高，可以有效减少人为操作风险。如图8所述，本实施例具体实施例中控制系统2由工控机、PLC控制器(包括主控PLC200以及IM151PLC)组成，工控机安装在控制操作台，作为控制系统2的上位机并提供人机交互界面，由上位机传送设备控制信号至主控PLC，包括与控制相关的检测数据传送(包括风压信号、温度信号等相关信息)；主控PLC向各接触器、断路器、开关等设备发送控制命令，以及采集各接触器、断路器、开关等设备的状态信号，用于线路状态切换及参数回馈，以监控接触器、断路器的开合状态，控制接触器、断路器、开关的开合，实现人员手动控制及异常情况的自动跳闸保护；IM151PLC执行主控PLC发出的指令，并接收和控制对应的接触器、断路器及报警装置工作。

本实施例交互控制单元集成有控制主辅变流器试验的测试系统，通过测试系统控制按照产品要求测试被试变流器1的输入电压电流、输出电压电流等参数，并计算出被试变流器1的输入功率、输出功率及效率，估算出负载及产品的工作状态，具体还可以配置为实时保存和打印测试结果、试验数据及波形，测试过程简单，无需手动操作，大大降低了人工操作强度，数据的实时保存和打印功能还可以降低测试数据的失真可能性，提高数据获得的实时性以及事后追溯的有效性。为提高测试系统抗干扰能力，还可以在测试系统中增加隔离变压器，或采用屏蔽接地、信号电缆单独占用一个线槽等方法。

本实施例中，还包括用于提供辅助电源、保护的辅助电路系统，使得试验装置功能全面以及提高装置的安全性能。本实施例辅助电路系统具体为被试变流器1、负载电阻及风机和调压电机提供动力电源和保护，并为控制系统2提供控制电源，以保证试验系统的正常运行。辅助电路系统包括直流辅助电源、UPS控制电源系统、保护系统、报警系统以及监控系统，可根据具体需求选择设定。辅助电路系统中各系统具体为：

①直流电源

本实施例具体设置DC110V、DC24V、DC±15V三种等级的直流电源，容量为2kw，使得具备小功率的直流电源输出能力，可直接为控制系统2提供控制电源，无需额外增加电源，从而满足城轨变流器的各种电源需求。

②UPS控制电源系统

本实施例具体配置容量1kVA的不间断电源，以满足控制系统2的控制电源需要，确保控制电源不间断工作(具体设置为不间断工作至少3分钟)，避免了测试系统故障时产品控制电源立刻间断的风险，提高了对产品的保护能力。

③双冗余防凝露保护系统

本实施例配置有双冗余防凝露保护系统，可以避免对器件金属部件的损害及部件绝缘能力的损害等，提高对自然环境的适应能力。

④烟雾报警及视频监控系统

直流电源系统3和负载系统运行过程都会产生很大的热量，本实施例进一步配置有烟雾报警及视频监控系统，提高了系统的风险预警能力和事后追溯能力。

本实施例通过上述高压试验装置，能够同时满足城轨主辅变流器试验需求，通用性、可靠性、安全性和可操作性强，保证测试质量的同时，能够提升测试效率及安全性能，且节约设备投入成本、降低能耗，特别适用于城轨牵引变流器、辅助变流器的多类型产品出厂例行试验。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同在于本实施例控制系统2还进一步包括分别与第一负载系统4、第二负载系统5连接的切换控制单元，即通过切换控制单元控制接入第一负载系统4或第二负载系统5至被试变流器1，实现负载的自动切换控制，从而可方便的实现牵引变流器、辅助变流器试验自动切换控制，提高试验自动化程度，减少人为操作风险。切换控制单元具体通过分别控制第一负载系统4、第二负载系统5的开关柜，控制进行负载切换。

本实施例中，负载系统中各负载具体通过切换控制单元控制投切，由切换控制单元根据试验所需控制切换对应负载。

实施例3：

本实施例为采用实施例1城轨主辅变流器通用高压试验装置的试验方法，步骤具体包括：

1)当需要执行牵引变流器试验时，接入负载系统中对应牵引变流器所需负载的第一负载系统4至被试变流器1；当需要执行辅助变流器试验时，接入负载系统中对应辅助变流器所需负载的第二负载系统5至被试变流器1；转入执行步骤2)；

2)启动试验，控制系统2接收试验设置数据，并向直流电源系统3发送控制指令，控制直流电源系统3输出当前试验所需的直流电源给被试变流器1，以及向被试变流器1发送控制指令，控制被试变流器1执行所需试验，试验包括牵引变流器试验、辅助变流器试验；

3)执行试验时，采集被试变流器1试验时的试验信号进行处理，输出所需试验参数，并将采集到的试验信号回馈至控制系统2，返回执行步骤2)，直至退出当前试验。

本实施例上述试验方法，通过接入不同负载系统以及控制调节直流电源系统3输出所需直流电源，即可自动实现牵引变流器及辅助变流器试验以及试验切换，试验过程简单，大大减少了试验所需的成本、空间及能耗，同时有效提高了试验效率以及安全可靠性。

本实施例中，步骤3)中具体采集试验时被试变流器1的输入电压和电流信号以及输出电压和电流信号，根据采集到的信号计算被试变流器的输入、输出功率，以及判定负载以及被试变流器1的工作状态。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。