CN101071163B

CN101071163B - 一种变流器的试验电路

Info

Publication number: CN101071163B
Application number: CN 200710123594
Authority: CN
Inventors: 冯江华; 陈高华; 丁荣军; 杨文昭
Original assignee: Zhuzhou CSR Times Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: CN101071163A

Abstract

本发明公开一种变流器的试验电路，其被试变流器工作在“直流-单相交流或三相交流”的逆变方式，即将输入的直流电变换为单相或三相的交流电，被试变流器直流母线连接直流电源，并且在直流电源的正负极之间连接有储能电容器，被试变流器交流端连接高感性负载，该高感性负载的功率因数值不高于0.5，试验时，所述被试变流器在脉冲宽度调制下工作，加在直流母线上的电能通过所述被试变流器，流向所述高感性负载，使所述高感性负载与所述储能电容器通过无功功率实现受控的能量循环往复。采用该种试验电路，只要对所述变流器进行合适的控制，就可以使变流器工作在与实际工作时相同的电流和功率状况下，获得与现有技术同样有效的试验数据，而实际的损耗能量却很小。

Description

一种变流器的试验电路

技术领域

本发明涉及变流器技术，具体地说涉及一种变流器的试验电路。

背景技术

在各种电机驱动场合下，大功率变流器得到广泛使用。这些变流器用于向电机提供驱动电源，在变流过程中，将供电网络提供的供电电压转化为合适电压和频率的供电电压，向电机提供。

在上述应用场合的大功率变流器，需要通过试验方法测试变流器的工作状况。现有技术下，采用如图1a-1c或如图2a-2c所示的试验电路。

图1a-1c示出的三种试验电路分别针对不同形式的变流器采用的同样的试验方法，其共同特征都是在变流器的输出端连接异步电机作为负载，在异步电动机后，可以进一步连接发电机、飞轮等装置连接，将试验功率由发电机回馈到电网中、转化存储为飞轮的动能或由电阻发热消耗。由于上述负载状况与变流器真实工作状况相近，使被试验的变流器可以获得类似于实际工作状态的试验状态。其中，图1a所示的电路中，被试验变流器为“三相交流-直流-三相交流”的变流器；图1b所示的电路中，被试验变流器为“直流-三相交流”变流器；图1c所示的电路中，被试验变流器为“单相交流-直流-三相交流”的变流器。

图2示出的三种实验电路采用另外一种试验方法，其特征是，变流器的输出均连接接近实际电机功率因数(0.8左右)的电阻电感作为负载，使所述变流器在类似于实际工作状态的试验状态下工作。变流器在试验过程中输出的电能在上述电阻电感负载上消耗掉。其中图2a-2c所示的电路中的变流器形式分别与图1a-1c的变流器形式相同。

上述两种试验方法本质上都是在变流器的输出端连接替代负载，以便获得与真实使用条件相近的工作状态，从而可以试验出变流器的正常工作电压、电流、功率等参数。这种方式能够较好的对变流器的工作状态进行试验，但是也存在若干问题。

首先，两者的能量消耗都很高。图1所示的试验电路中，作为替代负载的电机可以通过连接法发电机将电能回馈电网，这样可以使一部分电能得到回收，但是，由于这种能量回馈方式的环节过多，造成电能在中间环节上已经消耗了大部分，能够回馈到电网的比例较小。图2所示的电路中，电能完全消耗在作为负载的电阻上，使电能白白损耗。

其次，对于图1b、图2b等，针对使用单相交流电的变流器进行试验的电路中，由于变流器需要单相供电，导致电源三相不平衡。

再次，上述电路对于具有不同供电要求的变流器，需要准备不同类型的供电电源，造成电源种类多而复杂。

除了上述问题外，上述两种方法各自还存在一些特定的问题。其中，图1所示的方法由于需要设置若干组电机，使其存在系统复杂，占地面积大，试验设备成本高等问题；同时，传动设备易磨损，维护成本高；试验时作为负载的异步电机不断旋转，机械噪声大。图2所示的方法由于全部试验功率都通过电阻消耗，使电能无法回收，能量损耗巨大；该方法由于需要为负载配置大功率散热装备，使成本增高，当使用风扇等散热装备时，还会产生噪声。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，为变流器提供一种试验电路，该电路能够降低试验过程中产生的能量损耗，并便于采用进一步优化方案，使需要对单相供电的逆变器进行试验时，不会由于单相供电而造成三相电的不平衡；该电路同时具有所需供电电源种类单一的优点。同样，该电路可以简化试验系统，降低系统的维护成本，以及由于无需考虑散热等，不会产生噪声。

本发明提供变流器的试验电路，该实验电路中，被试变流器工作在“直流-单相交流或三相交流”的逆变方式，即将输入的直流电变换为单相或三相的交流电，被试变流器直流母线连接直流电源，并且在直流电源的正负极之间连接有储能电容器，被试变流器交流端连接高感性负载，在额定工况时，该高感性负载的功率因数值不高于0.5，试验时，所述被试变流器在脉冲宽度调制下工作，加在直流母线上的电能通过所述被试变流器，流向所述高感性负载，使所述高感性负载与所述储能电容器通过无功功率实现受控的能量循环往复。

优选地，所述被试验变流器包括整流器和逆变器，所述整流器为四象限整流器；所述被试变流器直流母线连接直流电源具体是，所述整流器和逆变器的直流母线连接所述直流电源；所述被试变流器交流端连接高感性负载，具体是所述整流器的输入端和所述逆变器的输出端分别连接高感性负载。

优选地，所述被试变流器仅包括逆变器；所述被试变流器直流母线连接直流电源具体是，所述逆变器的直流母线连接直流电源；所述被试变流器交流端连接高感性负载，具体是所述逆变器的交流端连接三相或者单相高感性负载。

优选地，所述被试变流器仅包括整流器，该整流器为四象限整流器；所述被试变流器直流母线连接直流电源具体是，所述该整流器的直流母线连接试验用的直流电源；所述被试变流器交流端连接高感性负载，具体是所述整流器的交流端连接相应的三相或者单相高感性负载。

优选地，所述直流电源为直流电网、相控整流器或者脉冲整流器。

优选地，当所述被试变流器的交流端为一组或多组三相交流端时，所述高感性负载为对应的一组或多组三相高感性负载；同一组三相负载的每一相上的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定的电阻的串联电路，并且同一组三相负载的三相具有相同的参数；不同组的三相负载的参数可以不同。

优选地，当所述被试变流器的交流端为一组或多组单相交流端时，每一路的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定电阻的串联电路，不同的单相负载的参数可以不同。

优选地，当所述被试变流器的交流端为一组或多组三相交流端以及一组或多组单相交流端集合体时，三相交流端的每一相上的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定的电阻的串联电路，并且同一组三相负载的三相具有相同的参数，不同组的三相负载的参数可以不同；当所述被试变流器的交流端为一组或多组单相交流端时，每一路的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定电阻的串联电路，不同的单相负载的参数可以不同。

优选地，当所述被试变流器的直流母线为一组或多组时，所述直流电源分别连接各个直流母线。

优选地，在额定工况时，所述高感性负载的功率因数取值在0.10左右。

本发明基本技术方案提供的试验电路，在被试验变流器的交流端连接高感性负载，该高感性负载作为实际负载的替代；同时，在变流器的直流端并联大容量的储能电容器。所述高感性负载的功率因数很低，所需的无功功率由储能电容器提供。逆变器通过受控的开关器件构建了直流电源、储能电容器和高感性负载的能量传递的桥梁，通过逆变器的电能是双向的。部分开关时间由直流电源和储能电容器向高感性负载侧传送能量，此时，高感性负载的电阻消耗极少部分能量，高感性负载的电感则存储绝大部分能量；另一部分的开关时间能量由高感性负载向直流电源和储能电容器回馈能量，此时，高感性负载的电阻依旧要消耗极少部分能量，高感性负载的电感将存储能量回馈到并联在直流电源的储能电容器中去。因为电阻始终在消耗能量，而且逆变器开关时也有部分能量的损耗，所以高感性负载回馈的能量总是小于获取的能量；因为有直流电源不断补充所损耗的能量，所以这种能量的循环变换传递可以持续地进行。能量的循环变换传递受变流器的开关器件控制，由于变流器的开关频率高，能量的循环变换传递的频率也很高。采用该种试验电路时，只要对所述变流器进行合适的控制，就可使变流器工作在与实际工作时相同的电流和功率状况下，获得与现有技术同样有效的试验数据，而实际的损耗能量却很小。相比之下，现有技术中采用的电动机或者电阻电感负载，其功率因数都比较高，因此需要消耗大量能量。

在本发明的基本试验电路基础上，本发明更提供了采用逆向拓扑电路进行试验的电路形式。这种方式在变流器的逆变器直流输入端上直接提供直流电源，同时，在变流器的整流器输入端连接高感性负载；同时，与上述基本试验电路一样，在变流器的逆变器输出端连接高感性负载，以及在变流器的逆变器直流输入端并联大容量的储能电容。试验时，在变流器的整流器两侧同样形成和上述基本方案中逆变器两端相同的能量转换过程，其耗能较少。

除了上述主要的技术效果，由于本发明提供的试验电路的替代负载为简单的高感性负载，与使用电机的现有技术相比，本发明可以减少试验装置的复杂性和占地面积，降低试验成本以及试验设备成本。同时，不存在传动设备磨损的问题，维护成本较低；试验时没有电机运转，避免了机械噪声。与使用接近实际电机功率因数的电阻电感作为替代负载的技术相比，本发明提供的技术方案由于负载基本不消耗能量，因此，不需要为替代负载配置大功率散热装备，也无需使用风扇等散热装备，成本得以降低，同时不会产生噪声。

附图说明

图1a是现有技术的变流器第一种试验电路，其中被试验变流器为三相交流-直流-三相交流的变流器；

图1b是现有技术的变流器第一种试验电路，其中被试验变流器为直流-三相交流的变流器；

图1c是现有技术的变流器第一种试验电路，其中被试验变流器为单相交流-直流-三相交流的变流器；

图2a是现有技术的变流器第二种试验电路，其中被试验变流器为三相交-直-交型的变流器；

图2b是现有技术的变流器第二种试验电路，其中被试验变流器为直-交变流器；

图2c是现有技术的变流器第二种试验电路，其中被试验变流器为单向交流-直流-三相交流的变流器；

图3是本发明第一实施例提供的变流器试验电路的电路原理图；

图4是本发明第一和第二实施例提供的变流器试验电路的能量循环示意图；

图5是本发明第二实施例提供的变流器试验电路的电路原理图；

图6是本发明第三实施例提供的变流器试验电路的电路原理图；

图7是本发明第四实施例提供的变流器试验电路的电路原理图。

具体实施方式

请参看图3，该图示出本发明第一实施例提供的变流器试验电路的电路原理。

该实施例提供的实验电路中，被试验变流器31包括整流器311和逆变器312。所述整流器311为三相四象限脉冲整流器；所述逆变器312为三相逆变器，并且可以提供多个输出端。

所述整流器311的输出端和所述逆变器312的输入端通过直流母线连接。在所述直流母线正负极之间并联储能电容35。所述整流器311输入端连接高感性负载32，所述逆变器312的输出端连接高感性负载33。该高感性负载32和33可以为一组或多组三相负载，每一相均为可调或固定的电感和可调或固定的电阻的串联电路，并且同一组的每一相负载具有相同的参数，以实现三相负载的平衡，但不同组的三相负载的参数可以不同。该高感性负载32和33也可以直接使用合适的电抗器。试验时，所述整流器311和逆变器312可以同时并行工作，也可以分别单独工作。上述高感性负载均具有较低的功率因数，典型的功率因数值为0.10左右。由于功率因数和工作的电源频率相关，因此，上述典型功率因数是指变流器在通常工作频率下的功率因数，例如对高感性负载32为工频条件下，对高感性负载33为逆变器通常的工作频率下。上述高感性负载功率因数值不高于0.5。

该实施例的变流器试验电路还包括直流电源34，该直流电源可以是直流电网、相控整流器或者脉冲整流器，其输出端正、负极分别连接所述逆变器31的直流母线正负极。

为了说明该实施例的工作原理，请同时参看图4。该图标出试验过程中，该试验电路的能量交换关系。

以下结合以上图3、图4说明本实施例的工作原理。

当开始进行试验时，首先通过所述直流电源34输出直流电，该直流电加在所述变流器31的直流母线上，同时向所述储能电容器35充电储能(直流电源34内也可以设有储能电容器)。当所述变流器31在脉冲宽度调制下开始工作时，加在直流母线上的电能通过反向工作的整流器311流向所述高感性负载32，由于该高感性负载32具有极低的功率因数，因此，在所述高感性负载32上只消耗极少量的有功功率，高感性负载32的无功功率由储能电容器35提供。整流器311通过受控的开关器件构建了直流电源34、储能电容器35和高感性负载32的能量传递的桥梁，通过整流器311的电能是双向的。部分开关时间由直流电源34和储能电容器35向高感性负载32传送能量，此时，高感性负载32的电阻消耗极少部分能量，高感性负载32的电感则存储绝大部分能量；另一部分的开关时间能量由高感性负载32向直流电源34和储能电容器35回馈能量，此时，高感性负载32的电阻依旧要消耗极少部分能量，高感性负载32的电感将存储能量回馈到并联在直流电源的储能电容器35中去。因为电阻始终在消耗能量，而且整流器311开关时也有部分能量的损耗，所以高感性负载32回馈的能量总是小于获取的能量；因为有直流电源34不断补充所损耗的能量，所以这种能量的循环变换传递可以持续地进行。同样，所述变流器31的逆变器312输出端的高感性负载33和所述储能电容器35之间也存在同样的能量循环。这样，在上述试验过程中，试验能量可以循环往复，消耗很少。图4还示出试验中能量的损耗点，在直流电源34的整流器上存在损耗1，在所述逆变器312上存在损耗2，所述逆变器312输出端连接的高感性负载33上存在损耗3，在所述整流器311上存在损耗4，在所述连接整流器311输入端的高感性负载32上具有损耗5。上述损耗均可以通过所述直流电源34从外接电源获得补充。

在上述电路中，所述的高感性负载32、高感性负载33的参数均可以调节，这样可以适用于不同的被试验变流器。

需要说明的是，所述整流器311工作在逆向工作状态，这种连接方式称为反向拓扑结构。可以这样试验的前提是，整流器311为四象限工作的整流器，这样才可以逆向工作。

由于试验中，只需要检测流过变流器的电流、电压、功率等参数，无论流过逆变器的是实际起作用的有功功率还是不起实际作用的无功功率，对于逆变器的工作而言，并无实质区别，因此，在上述工作方式下，仍然可以获得与现有技术相同的试验结果。

上述第一实施例作为本发明技术方案的典型应用，可以从中看出，本发明的技术方案将现有技术中需要消耗功率的过程变化为无功功率的反复循环，节省了能量。同时，由于能量消耗很少，所以高感性负载32或者高感性负载33都不会产生大量的热量，不需要复杂的冷却系统。

请参看图5，该图为本发明第二实施例的电路图。

该实施例中采用的工作原理和第一实施例相同，该实施例中，变流器51同样包括整流器511和逆变器512，其中所述整流器511为单相四象限整流器。因此，该实施例中，所述整流器的两个输入端分别连接一组高感性负载。该电路的其它部分以及工作原理和第一实施例相同，在此不再赘述。

请参看图6，该图示出本发明的第三实施例的电路图。

该实施例所试验的变流器61只包含逆变器。该电路图示出，只要将直流电源62直接连接所述变流器61的直流输入端即可，电路的其余部分以及工作原理和第一实施例相同。

与上述第三实施例相近，同样可以对只包含整流器的变流器使用相同的原理进行试验，此时，所述整流器必须为四象限整流器，并且采用逆向拓扑结构连接。试验时，所述整流器处于反向工作状态。

本发明第四实施例包含了本发明的典型实用试验系统原理图。

请参看图7，该图为本发明第四实施例提供的试验系统的电气原理图。

如图7所示，该试验系统的主电路如下。10kV/50Hz的三相交流电网接入试验室，经接触器DS1、真空断路器VCB1连接到调压器IVR，调压器IVR根据控制指令调整输出电压，其输出经接触器DS2给变压器Tr1供电，Tr1输出后经整流器REC将三相交流电整流成直流电，然后经过直流高速断路器HB1和滤波电抗器L，给被试变流器73供电。

试验人员通过电力监视盘71进行试验系统的继电控制(即控制接触器、开关、断路器)、电网功率和试验功率检测、辅助冷却系统控制等。微机控制系统72根据给定的指令，通过控制被试变流器中功率器件的触发脉冲，调节变流器输出电压和输出频率，并通过检测电源电路和负载电路中各支路电流传感器CT1～CT14、电压传感器PT1～PT3的电流信号和电压信号，计算试验功率并与给定值进行比较和闭环控制，同时监测系统工作情况，随时准备进行保护。

在该电路中，还从所述10kV/50Hz的三相交流电网通过辅助电源负载断路器LBS连接变压器Tr2，变压器Tr2将10KV的输入电源转变为380V交流电，供低压配电盘MCCB使用。

本试验电源的特点在于，电网三相交流电经调压器、隔离变压器、三相整流器后，最终输出直流电源，统一供给被试变流器，简化了试验电路，节省了设备成本。

被试变流器交流输出端(包括逆向拓扑电路结构)接负载电抗器LOAD1～LOAD5。

从上述各个实施例可以看出，不论针对何种形式的变流器，本发明提供的方法都可以采用相同的直流电源进行试验，因此，本发明提供的试验电路可以简化试验电源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种变流器的试验电路，其特征在于，被试变流器工作在“直流-单相交流或三相交流”的逆变方式，即将输入的直流电变换为单相或三相的交流电，被试变流器直流母线连接直流电源，并且在直流电源的正负极之间连接有储能电容器，被试变流器交流端连接高感性负载，在额定工况时，该高感性负载的功率因数值不高于0.5，试验时，所述被试变流器在脉冲宽度调制下工作，加在直流母线上的电能通过所述被试变流器，流向所述高感性负载，使所述高感性负载与所述储能电容器通过无功功率实现受控的能量循环往复。

2.根据权利要求1所述的变流器试验电路，其特征在于，所述被试变流器包括整流器和逆变器，所述整流器为四象限整流器；所述被试变流器直流母线连接直流电源具体是，所述整流器和逆变器的直流母线连接所述直流电源；所述被试变流器交流端连接高感性负载，具体是所述整流器的输入端和所述逆变器的输出端分别连接高感性负载。

3.根据权利要求1所述的变流器试验电路，其特征在于，所述被试变流器仅包括逆变器；所述被试变流器直流母线连接直流电源具体是，所述逆变器的直流母线连接直流电源；所述被试变流器交流端连接高感性负载，具体是所述逆变器的交流端连接三相或者单相高感性负载。

4.根据权利要求1所述的变流器试验电路，其特征在于，所述被试变流器仅包括整流器，该整流器为四象限整流器；所述被试变流器直流母线连接直流电源具体是，所述该整流器的直流母线连接试验用的直流电源；所述被试变流器交流端连接高感性负载，具体是所述整流器的交流端连接相应的三相或者单相高感性负载。

5.根据权利要求1-4任一项所述的变流器试验电路，其特征在于，所述直流电源为直流电网、相控整流器或者脉冲整流器。

6.根据权利要求1-4任一项所述的变流器试验电路，其特征在于，当所述被试变流器的交流端为一组或多组三相交流端时，所述高感性负载为对应的一组或多组三相高感性负载；同一组三相负载的每一相上的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定的电阻的串联电路，并且同一组三相负载的三相具有相同的参数；不同组的三相负载的参数不同。

7.根据权利要求1-4任一项所述的变流器试验电路，其特征在于，当所述被试变流器的交流端为一组或多组单相交流端时，每一路的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定电阻的串联电路，不同的单相负载的参数不同。

8.根据权利要求1-4任一项所述的变流器试验电路，其特征在于，当所述被试变流器的交流端为一组或多组三相交流端以及一组或多组单相交流端集合体时，三相交流端的每一相上的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定的电阻的串联电路，并且同一组三相负载的三相具有相同的参数，不同组的三相负载的参数不同；当所述被试变流器的交流端为一组或多组单相交流端时，每一路的高感性负载具体是可调或固定的电感和可调或固定电阻的串联电路，不同的单相负载的参数不同。

9.根据权利要求1-4任一项所述的变流器试验电路，其特征在于，当所述被试变流器的直流母线为一组或多组时，所述直流电源分别连接各个直流母线。

10.根据权利要求1-4任一项所述的变流器试验电路，其特征在于，在额定工况时，所述高感性负载的功率因数取值在0.10左右。