專利名稱：一種大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于測量或測試領(lǐng)域，尤其涉及一種用于大功率電力電子器件的測量裝置。
背景技術(shù)：
隨著柔性交流輸電技術(shù)(Flexible AC Transmission System,簡稱FACTS)的提出 和發(fā)展，靜止無功發(fā)生器(Static Synchronous Compensator,簡稱STATCOM)已成為 近年來國內(nèi)外研究的熱點，STATCOM是柔性交流輸電技術(shù)的主要裝置之一，它代表 著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)新的發(fā)展方向。
在配電網(wǎng)中，將中小容量的STATCOM安裝在某些特殊負荷(如電弧爐、地鐵等沖 擊性和整流性負荷等)附近，可以顯著地改善負荷與公共電網(wǎng)連接點處的電能質(zhì)量，例 如提高功率因數(shù)，克服三相不平衡，消除電壓閃變和電壓波動，抑制諧波污染等等。
STATCOM應(yīng)用了新一代的電力電子器件(如IGBT、 IGCT和IEGT)和現(xiàn)代控制 技術(shù)(如逆系統(tǒng)、直接反饋線性化等)，是目前最有效的動態(tài)無功補償裝置。
由于上述技術(shù)的采用，對于大功率可控硅以及由各種大功率電力電子器件(諸如 絕緣柵雙極型晶體管IGBT—Insulated Gate Bipolar Transistor、集成門極換流晶閘管 IGCT—ntegrated Gate Commutated Thyristo或電子注入增強門極晶體管IEGT— Injection Enhanced Gate Transistor等)所構(gòu)成的功能電路的檢測和測試，就成為必不可 少的技術(shù)手段。
公告日2006年1月25日，公告號CN2754106Y的中國專利中公開了一種"簡易
大功率可控硅測試儀"，其采用普通照明燈與可控硅模塊串連在交流220V電壓上，示 波器與普通照明燈并聯(lián)，用二節(jié)電池串上一個小燈泡作為控制極限流電阻，電池的負 極與交流220V的零線并接，同時串上一個毫安表監(jiān)視控制極觸發(fā)電流，毫安表與可 控硅模塊之間設(shè)有單極開關(guān)，觀察回路上燈泡的亮度可以初步判斷可控硅的好壞。但 其存在只能初步判斷可控硅的好壞，無法具體測試元器件的全面性能的不足。
公告日2006年12月13日，公告號CN2847309Y的中國專利中公開了一種"平 板式半導體器件穩(wěn)態(tài)熱阻測試裝置"，其主要特征是包括可調(diào)整壓力的恒定壓力夾具，在該恒定壓力夾具的底部設(shè)有發(fā)熱底板，上部設(shè)有冷卻終端；并且在發(fā)熱底板、冷卻 終端上分別設(shè)有標準熱阻，建立一條包含熱源、標準熱阻、被測器件和冷卻終端的熱 流通道，通過測試標準熱阻和被測器件兩端的溫度值，可以準確計算出器件的熱阻。 特別適用于各類平板式功率半導體器件熱阻的測試。但是其主要是進行元器件熱阻項 目的測試，依然不能對元器件的全面電氣性能指標進行測試。

實用新型內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種大功率可控硅及電力電子器件試驗裝 置，其可以對各種大功率電力電子器件進行多科目的詳細測試，具有智能控制、數(shù)據(jù)
分析、圖形顯示、數(shù)據(jù)可讀、操作簡便等優(yōu)點，還能可靠保護被測元件的安全。
本實用新型的技術(shù)方案是提供一種可控硅及大功率電力電子器件試驗裝置，包 括試驗電源和待測器件，其特征是設(shè)置受控調(diào)壓電源、負載保護單元、采樣單元、
可控硅交流/IGCT直流切換單元、A/D轉(zhuǎn)換和控制單元、虛擬示波器單元、PLC前級處
理機和PC機；其受控調(diào)壓電源的輸出端與采樣單元連接，同時經(jīng)負載保護單元與待測 器件連接；采樣單元與虛擬示波器單元連接，同時經(jīng)可控硅交流/IGCT直流切換單元 及A/D轉(zhuǎn)換和控制單元與PLC前級處理機連接；PLC前級處理機與PC機連接，同時還 與受控調(diào)壓電源的調(diào)節(jié)電機控制電路和電源的過壓/過流保護電路連接；在采樣單元與 可控硅交流/IGCT直流切換單元之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在可控硅交流/IGCT直流切 換單元與A/D轉(zhuǎn)換和控制單元之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在A/D轉(zhuǎn)換和控制單元與PLC 前級處理機之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在可控硅交流/IGCT直流切換單元與PLC前級 處理機之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在虛擬示波器單元與PC機之間，設(shè)置USB通訊通道。 具體的，所述的受控調(diào)壓電源至少包括接觸式柱式調(diào)壓器、升壓試驗變壓器測量 采樣分壓器、高壓硅堆、限流電阻、負載電阻、高壓調(diào)節(jié)電路和調(diào)節(jié)電機及其控制電 路。
所述的負載保護單元包括常規(guī)的過壓、過流保護電路。 所述的采樣單元包括數(shù)據(jù)采集卡。 所述的可控硅交流/IGCT直流切換單元包括切換開關(guān)。
所述的是A/D轉(zhuǎn)換和控制單元包括PLC232串行通信模塊和PLC模擬量輸入模塊。
所述的虛擬示波器單元為帶有高速數(shù)據(jù)采集卡的LINK虛擬示波器。 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實用新型的優(yōu)點是1. 引入PLC工控機技術(shù)和虛擬示波器，使整個裝置智能化程度大大提高；
2. 采用圖形顯示或輸出測試結(jié)果，具有較強的數(shù)據(jù)分析功能；
3. 具有較高的可靠性，較強的抗干擾能力；
4. 整個裝置操作簡潔、方便，不會因為誤操作造成對待測元件的傷害或損壞。

圖l是本實用新型的系統(tǒng)構(gòu)成方框圖； 圖2是本實用新型受控調(diào)壓電源原理圖； 圖3是可控硅試驗測試電路圖4是IGCT逆變橋試驗測試電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。
圖l中，本裝置主要包括受控調(diào)壓電源、負載保護單元、采樣單元、可控硅交流
/IGCT直流切換單元、A/D轉(zhuǎn)換和控制單元、虛擬示波器單元、PLC前級處理機和PC機。
其受控調(diào)壓電源的輸出端與采樣單元連接，同時經(jīng)負載保護單元與待測器件連接。 采樣單元與虛擬示波器單元連接，同時經(jīng)可控硅交流/IGCT直流切換單元及A/D
轉(zhuǎn)換和控制單元與PLC前級處理機連接。
PLC前級處理機與PC機連接，同時還與受控調(diào)壓電源的調(diào)節(jié)電機控制電路和電源
的過壓/過流保護電路連接。
在采樣單元與可控硅交流/IGCT直流切換單元之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道。 在可控硅交流/IGCT直流切換單元與A/D轉(zhuǎn)換和控制單元之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道。
在A/D轉(zhuǎn)換和控制單元與PLC前級處理機之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道。 在可控硅交流/IGCT直流切換單元與PLC前級處理機之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道。 在虛擬示波器單元與PC機之間，設(shè)置USB通訊通道。 進一步的，其負載保護單元包括常規(guī)的過壓、過流保護電路。 其采樣單元包括數(shù)據(jù)采集卡。 其可控硅交流/IGCT直流切換單元包括切換開關(guān)。
其是A/D轉(zhuǎn)換和控制單元包括PLC232串行通信模塊和PLC模擬量輸入模塊。其虛擬示波器單元為帶有高速數(shù)據(jù)采集卡的LINK虛擬示波器。
工業(yè)控制計算機(PC機)通過與PLC控制器的通信發(fā)出讀寫命令、過流過壓二 級保護命令、試驗電壓升降控制命令，PLC控制器根據(jù)上位機命令直接對高壓試驗系 統(tǒng)電機上下限位開關(guān)、高壓升降、過流過壓保護進行控制，以達到電壓調(diào)節(jié)輸出被測 對象所需要的試驗電壓，并對被測對象的保護。
被測對象的測試數(shù)據(jù)(高壓試驗電壓、電流的采樣信號)曲線經(jīng)虛擬示波器和PLC 控制器A/D轉(zhuǎn)換，分別通過USB通信與232串行通信送入工業(yè)控制計算機。計算機 對電壓、電流的數(shù)據(jù)、曲線進行分析并記錄。
虛擬示波器對信號波形進行高速采樣，采樣值被數(shù)字化后存儲起來，當重建波形 時便從緩沖區(qū)取數(shù)，然后用清晰、均勻一致的軌跡映像在屏幕上。
虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集卡完成對輸入測量信號的調(diào)理采集和緩存，并通過計算機 存入內(nèi)存；計算機在應(yīng)用程序控制下對數(shù)據(jù)進行處理、運算，最后完成各種電量測試 并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。
本虛擬示波器采用的是高速數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集卡主要由前置濾波器、可程 控衰減器、可程控模擬放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、計數(shù)，定時電路、振 蕩電路、時序控制電路及PCI接口電路組成，其功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控 制。該卡是具有2個模擬量輸入通道，卡上集成的2個高速8位ADC的工作頻率高 250MHz,在單通道工作模式下，2個ADC同時工作，分別在脈沖的上升沿和下降沿 進行轉(zhuǎn)換，所以最高釆樣頻率可以達到500MHz。通過采集卡自帶的DLL可以在程序 中靈活地對硬件進行控制，比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、 每次采樣點數(shù)等。
采樣單元(信號采集模塊)主要完成數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集信號的不同選用不同 的采樣頻率。該模塊中的應(yīng)用程序通過采集卡的驅(qū)動程序和硬件進行通信，
電機驅(qū)動通過直流電壓大小改變直流電機轉(zhuǎn)速快慢，來控制試驗電壓的升降速度。
本裝置的軟件設(shè)計主要包括PLC梯形圖設(shè)計和計算機VB程序、數(shù)據(jù)庫設(shè)計。計 算機操作系統(tǒng)為Windows2000/XP,編程語言用Visual Basic 6.0，數(shù)據(jù)庫選用ACESS97， 梯形圖程序在三菱PLC編程軟件GPPWIN軟件環(huán)境設(shè)計。上位機軟件實現(xiàn)計算機對 PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)讀去、寫入?yún)?shù)和保存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。
本試驗裝置可以根據(jù)測試現(xiàn)場的需要進行手動控制測試。其測試的數(shù)據(jù)可以由計 算機進行記錄和保存。試驗裝置具有的手動測試功能，并增加了工業(yè)控制計算機的控 制，使得試驗裝置具有很強的可控性。本試驗裝置的測試采用了先進的虛擬測試技術(shù)，其測試數(shù)據(jù)通過計算可以將所測 試的各項數(shù)據(jù)同時進行顯示，操作的方便性和數(shù)據(jù)的可讀性都大為加強了。
本試驗裝置的控制中心是由工業(yè)級的計算機和工業(yè)級的電源及PLC控制器等工業(yè) 控制部件所組成，所以試驗裝置系統(tǒng)具有很強的抗干擾性。
圖2中，其受控調(diào)壓電源主要包括接觸式柱式調(diào)壓器、升壓試驗變壓器、測量采 樣分壓器、高壓硅堆、限流電阻、負載電阻、和調(diào)節(jié)電機及其控制電路。
受控調(diào)壓電源的低壓部分采用接觸式柱式調(diào)壓器，其高壓試驗部分有交流、直流 二組試驗變壓器，分別提供給不同被測對象工作電壓。
由0 380V調(diào)壓變壓器一升壓試驗變壓器一被測對象組成的一次回路，通過手自 動按鈕或計算機控制可以任意調(diào)節(jié)試驗電壓的大小。
由分壓器、流變、交流接觸器、中間繼電器、采樣板(KV、 KA2)組成二次控制 回路(可參見圖中功能框中注解文字)。測量采樣分壓器、流變、采樣板采集實時試驗 數(shù)據(jù)，提供給計算機分析、顯示及保護控制。
實際使用時，按下"合"按鈕時調(diào)壓器輸入電源接通，高壓輸出指示燈亮，當按 下"分"按鈕時調(diào)壓器輸入電源斷開，高壓輸出指示燈滅。
按下升壓按鈕調(diào)壓器輸出電壓上升(即變壓器輸出高壓上升)，當按下降壓按鈕時 調(diào)壓器輸出電壓下降(即變壓器輸出高壓下降)，本裝置對調(diào)壓器升壓與降壓速度采用 了無級調(diào)速(將旋鈕往右旋轉(zhuǎn)時調(diào)壓器的升壓與降壓速度加快，將旋鈕往左旋轉(zhuǎn)時調(diào) 壓器的升壓與降壓速度變慢)，試驗人員可根據(jù)試驗情況調(diào)節(jié)速度快慢。
當系統(tǒng)輸出電流超出系統(tǒng)預(yù)設(shè)定電流值時，則過流指示燈亮，系統(tǒng)立即切斷高壓 輸出電壓，調(diào)壓器自動回零，蜂鳴器報警，當按下復(fù)位按鈕時，指示燈滅，蜂鳴器停 止報警(但此時調(diào)壓器任在回零狀態(tài)，只有在到達調(diào)壓器下限位置時才停止回零，此 時回零燈滅，下限指示燈亮)。
在合閘前預(yù)設(shè)好試驗所需耐壓時間，將開關(guān)至"關(guān)"位置，將試驗電壓升至試品 所需電壓時，將開關(guān)至"開"位置，時間時間繼電器開始計時。
計時時間到后，系統(tǒng)將調(diào)壓器輸出電壓回至零位，當調(diào)壓器到達零位后按下分閘 按鈕切斷調(diào)壓器輸出電壓。
如果是在自動升壓狀態(tài)時，則系統(tǒng)升至預(yù)設(shè)電壓時，時間繼電器進入計時狀態(tài)， 計時時間到系統(tǒng)將調(diào)壓器自動回至零位；當調(diào)壓器到達零位后按下分閘按鈕切斷調(diào)壓 器輸出電壓。
圖中，J2為升壓繼電器，J3為降壓繼電器，J4為過流保護動作繼電器，J5為自動升壓繼電器，J6為系統(tǒng)為自動狀態(tài)時計時繼電器開關(guān)繼電器。
由于圖1、圖2所涉及的裝置、部件或元器件均為現(xiàn)有市售產(chǎn)品，無特殊要求， 故其之間的詳細電連接關(guān)系、工作原理或具體操作步驟在此不再敘述，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員完全可以在上述各儀器、部件或裝置生產(chǎn)廠商處獲得相關(guān)的技術(shù)資料， 無需經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動，即可再現(xiàn)本技術(shù)方案。
圖3中，對可控硅導的通測試按如圖的連接方式和以下步驟進行
1) 每次試驗一個可控硅，采用配套或常規(guī)觸發(fā)電路使可控硅開通；
2) 調(diào)節(jié)試驗電壓，從0V AC連續(xù)上升至500V AC。
3) 采集電壓、電流信號，對數(shù)據(jù)圖形進行分析，動態(tài)顯示可控硅開斷波形。 圖4中，對IGCT逆變橋的試驗按如圖的連接方式和以下步驟進行
1、 試驗電路中，所需試驗設(shè)備為試驗電源(DCOV lkV)、 IGCT驅(qū)動信號控 制電路、電阻性負載、測試設(shè)備(高壓電壓、電流測試)等。
2、 試驗電源裝置要求
1) 直流輸出電壓范圍DCO lkV;
2) 輸出正極串聯(lián)一個電感。由于IGCT逆變橋正常工作時，輸入電流為方波， 對試驗電源沖擊較大，為了降低試驗電源的要求，需要增加一個適當值的電感；
3) 試驗電源具有軟啟動功能。由于直流側(cè)有一個8000uF的電容，為了減小啟 動沖擊電流值，需要此功能；
4) 具有電流限流或過流保護功能；
3、 IGCT的驅(qū)動控制
1) 可以通過自身的控制板發(fā)出相應(yīng)的控制信號，但該信號是固定的不能改動的， 每個IGCT的控制信號的開關(guān)頻率為150Hz，正方向有3個驅(qū)動信號；
2) 為了測試方便，可以單獨外加一個驅(qū)動控制電路，這樣可以根據(jù)測試要求設(shè) 定相應(yīng)的控制方式；
4、 測試時需要特別注意事項
1) 測試時，閥體與系統(tǒng)斷開(開關(guān)柜)，其余鏈節(jié)保持脈沖封鎖；
2) 測試時，必須保證所有IGCT驅(qū)動電路的48V供電電源正常；
3) 測試時，保證IGCT逆變橋直流側(cè)電容的前級能量交換電路停止工作；
4) 單獨測試每個IGCT逆變橋。 圖中US為實驗電壓，V和A為電壓、電流取樣信號。
結(jié)合上述內(nèi)容，圖3和圖4所述內(nèi)容對于本領(lǐng)域的實驗人員而言是完全可以理解和實施的，故不再做進一步的文字說明。
由于本實用新型采用了引入PLC工控機技術(shù)和虛擬示波器，采用圖形顯示或輸出 測試結(jié)果，具有較強的數(shù)據(jù)分析功能，具有較高的可靠性，較強的抗干擾能力，使整 個裝置智能化程度大大提高，整個裝置操作簡潔、方便，不會因為誤操作造成對待測 元件的傷害或損壞。
根據(jù)上述的實施例已對本技術(shù)方案進行了說明性而非限制性的描述，但應(yīng)理 解，在不脫離由權(quán)利要求所限定的相關(guān)保護范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可 以做出變更和/或修改。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在領(lǐng)會和掌握了本實用新型的創(chuàng)新意圖和設(shè)計思路 后，無需經(jīng)過創(chuàng)造性勞動，完全可以在本實用新型上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，派生 出各種等同的或具有相同功能的變形方案，而這些變形方案亦應(yīng)屬于本實用新型 請求保護的范圍。
本實用新型可廣泛用于各種大功率電力電子器件的測試領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，包括試驗電源和待測器件，其特征是設(shè)置受控調(diào)壓電源、負載保護單元、采樣單元、可控硅交流/IGCT直流切換單元、A/D轉(zhuǎn)換和控制單元、虛擬示波器單元、PLC前級處理機和PC機；其受控調(diào)壓電源的輸出端與采樣單元連接，同時經(jīng)負載保護單元與待測器件連接；采樣單元與虛擬示波器單元連接，同時經(jīng)可控硅交流/IGCT直流切換單元及A/D轉(zhuǎn)換和控制單元與PLC前級處理機連接；PLC前級處理機與PC機連接，同時還與受控調(diào)壓電源的調(diào)節(jié)電機控制電路和電源的過壓/過流保護電路連接；在采樣單元與可控硅交流/IGCT直流切換單元之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在可控硅交流/IGCT直流切換單元與A/D轉(zhuǎn)換和控制單元之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在A/D轉(zhuǎn)換和控制單元與PLC前級處理機之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在可控硅交流/IGCT直流切換單元與PLC前級處理機之間，設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在虛擬示波器單元與PC機之間，設(shè)置USB通訊通道。
2. 按照權(quán)利要求1所述的大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，其特征是所述 的受控調(diào)壓電源至少包括接觸式柱式調(diào)壓器、升壓試驗變壓器測量采樣分壓器、高壓 硅堆、限流電阻、負載電阻、高壓調(diào)節(jié)電路和調(diào)節(jié)電機及其控制電路。
3. 按照權(quán)利要求1所述的大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，其特征是所述 的負載保護單元包括常規(guī)的過壓、過流保護電路。
4. 按照權(quán)利要求1所述的大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，其特征是所述 的采樣單元包括數(shù)據(jù)采集卡。
5. 按照權(quán)利要求1所述的大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，其特征是所述 的可控硅交流/IGCT直流切換單元包括切換開關(guān)。
6. 按照權(quán)利要求1所述的大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，其特征是所述 的是A/D轉(zhuǎn)換和控制單元包括PLC232串行通信模塊和PLC模擬量輸入模塊。
7. 按照權(quán)利要求1所述的大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，其特征是所述 的虛擬示波器單元為帶有高速數(shù)據(jù)采集卡的LINK虛擬示波器。
專利摘要一種大功率可控硅及電力電子器件試驗裝置，屬測試領(lǐng)域。其設(shè)置了受控調(diào)壓電源、負載保護單元、采樣單元、可控硅交流/IGCT直流切換單元、A/D轉(zhuǎn)換控制單元、虛擬示波器單元、PLC機和PC機；其電源的輸出端與采樣單元連接并經(jīng)負載保護單元與待測器件連接；采樣單元與虛擬示波器連接并經(jīng)可控硅交流/IGCT直流切換單元及A/D轉(zhuǎn)換控制單元與PLC機連接；PLC機與PC機連接并與電源的調(diào)節(jié)電機控制電路和電源的過壓/過流保護電路連接；在采樣單元與可控硅交流/IGCT直流切換單元之間、可控硅交流/IGCT直流切換單元與A/D轉(zhuǎn)換控制單元之間、A/D轉(zhuǎn)換控制單元與PLC機之間和可控硅交流/IGCT直流切換單元與PLC機之間設(shè)置數(shù)據(jù)交換通道；在虛擬示波器單元與PC機之間設(shè)置USB通訊通道。
文檔編號G01R31/26GK201130231SQ200720198840
公開日2008年10月8日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者倪?？? 鄭斌毅 申請人:上海市電力公司超高壓輸變電公司