高壓變頻器的低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】一種高壓變頻器的低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置，將配電網(wǎng)母線經(jīng)隔離變壓器連接到變頻器，變頻器輸出端串聯(lián)阻感負(fù)載后再與母線并接，在變頻器與阻感負(fù)載之間連接電壓互感器、電流互感器；調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值和相位，檢測(cè)阻感負(fù)載中電阻的電壓，找出其最小值，改變PLC輸出脈沖或調(diào)制信號(hào)，控制系統(tǒng)電流，完成不同電流工況單元的運(yùn)行狀況的測(cè)試，系統(tǒng)電流由電流互感器檢測(cè)送入PLC進(jìn)行監(jiān)控。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：1.在試驗(yàn)過程中無需電動(dòng)機(jī)，2.試驗(yàn)系統(tǒng)簡單，并且安全可靠，3.整個(gè)試驗(yàn)過程有功消耗只有變頻器的和負(fù)載限流電阻的功耗。
【專利說明】高壓變頻器的低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于交流傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及到一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，由于高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，因此，具有高效節(jié)能特點(diǎn)的高壓變頻器也越來越廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)中。在高壓變頻器生產(chǎn)過程中，為了考核各單元及各功率模塊的運(yùn)行狀況，必須進(jìn)行出廠前的整機(jī)試驗(yàn)，但因其功率太大，直接并入電網(wǎng)試驗(yàn)將會(huì)造成電能的大量浪費(fèi)，而且也增加了企業(yè)成本，如何進(jìn)行有效的、簡易的、能耗低的試驗(yàn)則顯得非常重要。
[0003]目前對(duì)于高壓變頻器的試驗(yàn)方法主要有兩種方式:一種是“交-直-交”交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，即由高壓變頻器供電給異步電機(jī)，異步電機(jī)同軸帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)再驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)再同軸帶動(dòng)三相交流同步發(fā)電機(jī)發(fā)出電能回饋至電網(wǎng)，其間通過調(diào)節(jié)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)高壓變頻器各種特性的試驗(yàn)；第二種方式是“雙逆變器——雙電動(dòng)機(jī)”互饋試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)其中某一異步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率的控制，使之工作在發(fā)電狀態(tài)并通過改變轉(zhuǎn)差率來改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，從而達(dá)到模擬負(fù)載變化的目的。雖然以上兩種方案均能滿足各種試驗(yàn)要求，但試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜，不易控制，可靠性和安全性較低,而且成本也較高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和存在的問題，提出一種能耗低且安全、簡易可靠的高壓變頻器對(duì)負(fù)載試驗(yàn)裝置，采用該裝置，試驗(yàn)過程中無需電動(dòng)機(jī)，這樣將使試驗(yàn)裝置大大簡化且成本也大大地降低了。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]一種高壓變頻器的低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括配電網(wǎng)母線(I)、隔離變壓器(2)、變頻器(3)、電流互感器(6)、阻感負(fù)載(4)、電壓互感器(5)，將配電網(wǎng)母線(I)經(jīng)隔離變壓器⑵連接到變頻器(3)，變頻器(3)的輸出端串聯(lián)阻感負(fù)載⑷，阻感負(fù)載(4)輸出端再與母線⑴連接；在變頻器⑶與阻感負(fù)載⑷之間連接電壓互感器(5)、電流互感器(6)。
[0007]所述的變頻器(3)與配電網(wǎng)母線⑴之間由變頻器至電網(wǎng)母線側(cè)依次接有開關(guān)K3、開關(guān)K2、變壓器(2.2)、開關(guān)K1、變壓器(2.1)、開關(guān)K6，所述的開關(guān)K2并聯(lián)有限流電阻
[7];所述的變頻器(3)另一端與空心電抗器(4.2)、阻感負(fù)載的限流電阻(4.1)、開關(guān)K5依次連接，開關(guān)K5的另一端與變壓器(2.2)的輸入側(cè)相連接，所述的阻感負(fù)載的限流電阻(4.1)與開關(guān)K4并聯(lián)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0009](I)借助無功電流發(fā)生方法，在試驗(yàn)過程中無需電動(dòng)機(jī)；
[0010](2)高壓變頻器試驗(yàn)，使控制更加簡單；
[0011](3)試驗(yàn)系統(tǒng)簡單，可靠、安全、實(shí)用性高；
[0012](4)整個(gè)試驗(yàn)過程有功消耗只有變頻器的損耗和負(fù)載限流電阻的消耗，故能耗非常低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型高壓變頻器低能耗負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)母線的連接關(guān)系的試驗(yàn)原理圖。
[0014]圖2為考慮單元試驗(yàn)時(shí)，本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案圖。
[0015]圖3為IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成原理框圖。
[0016]圖4為本實(shí)用新型試驗(yàn)原理圖的等效圖。
[0017]圖5為Ua超前Ub某一角度時(shí)，系統(tǒng)電壓電流的相量圖。
[0018]圖6為Ua滯后Ub某一角度時(shí)，且Ub cos α彡Ua時(shí)，系統(tǒng)電壓電流的相量圖。
[0019]圖7為Ua滯后Ub某一角度時(shí)，且Ub cos α彡Ua時(shí)，系統(tǒng)電壓電流的相量圖。
[0020]圖8為Ua超前"Ub某一角度時(shí)，忽略變頻器的損耗后，系統(tǒng)電壓電流的相量圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的工作原理作進(jìn)一步的說明。
[0022]如圖1所示。配電網(wǎng)母線I經(jīng)隔離變壓器2連接到變頻器3，變頻器3的輸出端串聯(lián)阻感負(fù)載4后再與配電網(wǎng)母線I連接，為了快速找到電網(wǎng)電壓與變頻器功率單元輸出電壓相位大小一致的控制信號(hào)，可以通過檢測(cè)阻感負(fù)載4中電阻的電壓降來確定，因?yàn)楫?dāng)變頻器功率單元單元輸出電壓大小和相位與輸入交流電壓大小相位一致時(shí)，系統(tǒng)的有功消耗理論上為0，則電阻壓降理論上也應(yīng)為0，但由于存在變頻器的損耗，電阻壓降應(yīng)是一個(gè)接近于O的值，實(shí)際上找出其最小值即說明變頻器輸出與電網(wǎng)輸入電流大小和相位一致。合閘后電壓互感器5將檢測(cè)到的電阻上的電壓降送入變頻器3中的PLC可編程控制器；同時(shí)改變PLC的輸出脈沖以調(diào)整輸出相位角，直到電壓互感器5檢測(cè)到的信號(hào)值最小，然后改變調(diào)制信號(hào)的幅值，同時(shí)不斷檢測(cè)電阻上的壓降值，直到再次找到電阻上的最小壓降值，此時(shí)單元的輸出電壓大小、相位與交流輸入基本一致，然后通過改變PLC輸出脈沖或調(diào)制信號(hào)即可控制系統(tǒng)電流，從而完成不同電流工況下，變頻器單元的運(yùn)行狀況的試驗(yàn)，系統(tǒng)電流由電流互感器6進(jìn)行檢測(cè)并送入變頻器3的PLC進(jìn)行監(jiān)控。
[0023]如圖1、圖4所示，將高壓變頻器單元交流輸出端經(jīng)阻感負(fù)載L串聯(lián)后與交流輸入端連接，此時(shí)變頻器單元輸出電壓可看作一可控電壓源(輸出電壓幅值與相位均可控)，試驗(yàn)系統(tǒng)即為這一電網(wǎng)電源Ua與可控電壓源Ub之間串聯(lián)阻感負(fù)載后聯(lián)接成回路，設(shè)AU=Ua-Ub，則系統(tǒng)電流I = AU/jcoL(電抗；式中j_虛數(shù)；ω角頻率；L為空心電抗器的電感。)(I)調(diào)節(jié)Ub，使Ua與Ub同相位時(shí)，若Ua大于Ub，.1滯后Ua 90° ;若Ua小于Ub時(shí)，I超前Ua 90度。(2)調(diào)節(jié)Ub使Ua超前Ub某一角度時(shí)，相量圖如圖5所示，將I分解為兩個(gè)垂直的分量Iax和lay，則Pua = -Ualax-jUalay，故系統(tǒng)A(圖4中的8)發(fā)出有功和感性無功，負(fù)載和系統(tǒng)B(圖4中的9)吸收有功和感性無功。(3)調(diào)節(jié)Ub使Ua滯后Ub某一角度時(shí)，向量圖分別如圖6和圖7所示。若Ub cosa彡Ua，如圖6所示，根據(jù)向量圖有:Pua=UaIax-jUalay = - (-UaIax+jUalay), Pub = -Ublbx+jUblby,所以此時(shí)系統(tǒng) A 吸收有功，發(fā)出感性無功，而系統(tǒng)B發(fā)出有功，吸收感性無功；若Ub cosa > Ua，如圖7所示，據(jù)相量圖有:PUa = Ualax+jUalay = - (-UaIax-jUalay) ,Pub = -Ublbx+jUblby,故系統(tǒng) A 吸收有功和感性無功，而系統(tǒng)B發(fā)出有功和感性無功。
[0024]從以上分析可知:只要適當(dāng)調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值和相位，即可以控制變頻器輸出電流的大小和方向。當(dāng)高壓變頻器吸收有功時(shí)，逆變器直流側(cè)電容電壓升高；當(dāng)高壓變頻器輸出有功時(shí)，逆變器直流側(cè)電容電壓下降；電容電壓的升高或降低將調(diào)節(jié)有功電流大小，直到電源輸出有功能補(bǔ)償負(fù)載等效電阻損耗，達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，電源輸出的有功部分只是補(bǔ)償試驗(yàn)系統(tǒng)的損耗，這樣即可達(dá)到降低能耗的試驗(yàn)?zāi)康摹?br> [0025]實(shí)際上Ua與Ub的相位差角α有其安全控制范圍:1)當(dāng)Ua超前Ub—個(gè)α角度時(shí)，忽略變頻器損耗，相量圖如圖8所示，I為負(fù)載電流，β為電流與系統(tǒng)電壓Ua之間的相位夾角，Y為變頻器輸出電壓與阻感負(fù)載電壓的夾角，Θ為負(fù)載的功率因數(shù)角，虛線部分表示某時(shí)刻系統(tǒng)功率平衡時(shí)的電壓電流相量關(guān)系。根據(jù)有功和無功平衡關(guān)系，可以得出 Ub = Ua cos ( θ - a ) cos θ = Ua (cos a (tan Θ -tan α))，對(duì)該式以 α 為變量求導(dǎo)得Ub (cos a (tan Θ-tan α ))，由于Ub不能過大，否則會(huì)引起直流側(cè)過壓,可得出α安全控制范圍為(O, aj，和[aMx，Ji/2}，式中 Ctniax= Θ -arccos a (Ub cos Θ )/Ua, α —=θ+arccosa (Ub cos0)/Ua，但當(dāng)α在(α min，ji/2)內(nèi)調(diào)整時(shí)，/ Λ U很大，正常工作電流較大，而電流的調(diào)節(jié)范圍較小，故實(shí)際試驗(yàn)時(shí)不可用；2)當(dāng)Ua滯后Ub—個(gè)α角度時(shí)，忽略變頻器損耗，根據(jù)有功和無功平衡關(guān)系及Ub不能太小(否則直流側(cè)電容電壓波動(dòng)很大)，同樣可以得出α的安全控制范圍很小，或α在180° - Θ左右變動(dòng)，后者同樣因?yàn)? Λ U很大，電流調(diào)節(jié)范圍太小，故不可應(yīng)用。綜上所述，不管Ua是滯后還是超前Ub，都應(yīng)控制α在零至幾度的范圍內(nèi)，方可保證試驗(yàn)安全的進(jìn)行，合閘后，由于限流電阻的作用，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)過流,通過PLC檢測(cè)輸入端交流電壓大小及頻率，并輸出脈沖調(diào)整輸出相位角使輸出電壓與輸入電壓大小相位一致，輸出電壓為50Hz, 650VAC。
[0026]如圖2所示，為考慮單元試驗(yàn)時(shí)的具體實(shí)施方案。負(fù)載合閘瞬間由于系統(tǒng)處于暫態(tài)過程，流過IGBT的沖擊電流可能很大，為了安全的進(jìn)行試驗(yàn)，合閘瞬間由負(fù)載限流電阻進(jìn)行限流，并且合閘啟動(dòng)過程為(合閘前狀態(tài)，K1、K2、K3、K4、KS、K6為斷開狀態(tài))合空氣開關(guān)——合K6——合Kl——合K3——合K2——合K5——合K4 (在正常運(yùn)行時(shí)是否需斷開K3在實(shí)際運(yùn)行過程中試驗(yàn)確定)。2.1和2.2為變壓器，7為限流電阻，4.1為負(fù)載限流電阻，4.2為空心電抗器。試驗(yàn)完成后，卸載過程為斷K6—斷Kl—斷K2—斷K4——斷K3-斷 K5。
[0027]如圖3所示，為IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成原理框圖。時(shí)鐘模塊3.1為FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)各個(gè)模塊提供所需時(shí)鐘信號(hào)。PLC模塊3.2功能:a)對(duì)相位、電壓增減脈沖和相位、電壓增減方向信號(hào)抽樣濾波；b)對(duì)相位、電壓脈沖計(jì)數(shù)，包括相位零點(diǎn)設(shè)置前的計(jì)數(shù)、相位零點(diǎn)設(shè)置后超前或滯后的計(jì)數(shù)；c)反饋當(dāng)前的相位和電壓值。移相模塊3.3根據(jù)電網(wǎng)取樣的基波信號(hào)和PLC指定移相大小，移動(dòng)基波信號(hào)然后去觸發(fā)帶載波形模塊。帶載波形模塊3.4根據(jù)移相基波信號(hào)生成周期和電網(wǎng)同步的脈沖波形。調(diào)試波形模塊3.5生成驅(qū)動(dòng)直流上電調(diào)試和調(diào)壓器上電所需波形。3.6為控制信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)單元主回路3.7中的IGBT，主回路3.7拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單相全橋電壓型逆變橋。
[0028]本實(shí)用新型的實(shí)施例，為功率為2000kW，電壓等級(jí)為6kV的高壓變頻器某一單元的低能耗負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0029]I為輸入配電網(wǎng)的母線，電壓為380VAC，50Hz，2.1為380/220降壓變壓器，2.2為220/380升壓變壓器，容量均為50KVA，7為采用200歐姆600W的單元限流電阻，4.1為采用50歐姆，2KW的負(fù)載限流電阻，4.2為空心電抗器，5mH,帶ImH，2mH, 3mH靜態(tài)抽頭。直流電壓霍爾傳感器檢測(cè)負(fù)載限流電阻壓降，輸入PLC，PLC通過不斷改變輸出脈沖和調(diào)制信號(hào)幅值調(diào)整單元輸出相位角和輸出電壓大小，直到找到負(fù)載限流電阻壓降的最小值，然后逐漸調(diào)整控制信號(hào)以改變單元輸出電壓與輸入交流電壓相位差從而實(shí)現(xiàn)不同電流工況的試驗(yàn)，電流經(jīng)電流霍爾傳感器檢測(cè)后送人PLC進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)時(shí)鐘輸入(CLK)為20MHZ ;TESTCLK(時(shí)鐘模塊管腳)分頻時(shí)鐘輸出，頻率480KHz，用于調(diào)試模塊波形生成；PHASECLK(時(shí)鐘模塊管腳)分頻時(shí)鐘輸出，頻率120KHZ，用于帶載模塊波形生成。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓變頻器的低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括配電網(wǎng)母線(I)、隔離變壓器(2)、變頻器(3)、電流互感器(6)、阻感負(fù)載(4)、電壓互感器(5)，將配電網(wǎng)母線(I)經(jīng)隔離變壓器(2)連接到變頻器(3)，變頻器(3)的輸出端串聯(lián)阻感負(fù)載(4)，阻感負(fù)載(4)輸出端再與母線⑴連接；在變頻器⑶與阻感負(fù)載⑷之間連接電壓互感器(5)、電流互感器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓變頻器的低能耗負(fù)載試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的變頻器(3)與配電網(wǎng)母線(I)之間由變頻器至電網(wǎng)母線側(cè)依次接有開關(guān)K3、開關(guān)K2、變壓器(2.2)、開關(guān)K1、變壓器(2.1)、開關(guān)K6，所述的開關(guān)K2并聯(lián)有限流電阻(7);所述的變頻器(3)另一端與空心電抗器(4.2)、阻感負(fù)載的限流電阻(4.1)、開關(guān)K5依次連接，開關(guān)K5的另一端與變壓器(2.2)的輸入側(cè)相連接，所述的阻感負(fù)載的限流電阻(4.1)與開關(guān)K4并聯(lián)。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK204241587SQ201420638796
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】王革, 田野, 劉鳳珍, 王軍 申請(qǐng)人:國網(wǎng)遼寧省電力有限公司朝陽供電公司, 朝陽電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司, 國家電網(wǎng)公司