CN101118266A - 一种逆变器能流循环试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器能流循环试验装置，该装置由直流电源、被试逆变器、电感、电压传感器、电流传感器、PWM整流器和控制柜装配后实现逆变器检测功能。该装置的各柜均安装在地面上，被试逆变器安装在检测台上，电感安装在电感台上，PWM整流器部分的主电路通过铁架安装在变流柜内；被试逆变器的交流端与电感一端相连，变流器的直流端与输入直流电源的输出端相连；PWM整流器的交流端与电感另一端相连，PWM整流器的直流端与输入直流电源输出端相连；作为被测和负载的两个变流器直流侧彼此相连；输入直流电源的交流端接电源。该装置解决了变流器试验台负载耗电量大、噪音大、需要大功率直流电源等问题。

Description

一种逆变器能流循环试验装置

技术领域

本发明涉及一种逆变器能流循环试验装置，属于电力设备领域。

背景技术

逆变器通过电力电子器件的开关作用，可将直流电能转换为幅值、频率可控的交流电能。目前，逆变器已经成为电力电子技术的重要组成部分，其应用渗透到国民经济的各个领域。为了检修和测试逆变器的主电路及控制系统，需要有容量相当的试验装置。

现有的试验装置有两种类型，一种是逆变器外接电抗器、电阻箱等负载；另一种是逆变器外接电机等实际负载。前者无旋转部件，但通常外接负载恒定，无法方便的调节逆变器的输出功率。后者可改变逆变器的输出功率，但装置中部件较多，占地面积大，而且含旋转部件，运行时噪音大，更重要的是逆变器输出的有功功率都消耗在负载上，长时间进行全功率实验会造成电能的巨大浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：利用PWM整流器作为逆变器的负载，将逆变的交流电能整流成直流电能送回直流侧，组成能流循环试验装置，解决以往的逆变器试验台耗电量大、噪音大和功率调节困难等问题。本发明提供一种逆变器能流循环试验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种逆变器能流循环试验装置，包括：试验逆变器台(5)、电感(3)、电压传感器、电流传感器、PWM整流器(4)和控制柜，试验台部分由被试逆变器(2)、散热器、试验逆变器台(5)组成：电感部分由电感台(6)、电感(3)、防尘罩(13)安装成；

交流电压传感器测量电感左侧(10)A、B、C三相对地的相电压；交流电流传感器测量电感右侧(11)A、B、C三相电流；直流电压传感器测量直流侧(12)电压；传感器的输出均连接到DSP全数字控制柜；

所述的PWM整流器(4)部分，安装在能流循环试验装置变流柜中，由铁架支撑，变流柜下面有滑轮(8)；

被试逆变器(2)的交流端与电感一端(10)相连，变流器的直流端与输入直流电源(1)的输出端相连；PWM整流器(4)的交流端与电感另一端(11)相连，PWM整流器(4)的直流端与输入直流电源(1)输出端相连；作为被测和负载的俩变流器直流侧彼此相连。

DSP全数字控制柜包含了控制板及其供电电源和接口电路，控制板是系统的核心部分。控制板的DSP选择的是TMSLF2407A。控制板主要包括模拟量输入、开关量输入、脉冲控制输出和指示灯输出等几个部分。模拟量输入通过运放(如LF253芯片)将传感器输入调理为DSP单极性信号用于AD转换。PWM整流器采样的信号依次为交流电源电压，直流电压，交流电流。开关量输入来自控制面板上的旋转开关。“运行模式”开关用于在本机模式下的运行和停止控制。开关量是通过光耦隔离输入的。脉冲控制输出包括三个脉冲信号和三个脉冲使能信号。三个脉冲使能信号为高电平有效。指示灯可以通过闪烁比例显示故障类型。控制系统示意图如图2所示。

被试逆变器的直流输入和PWM整流器的直流输出彼此相连，通过接触器与直流电源接通。逆变器和整流器的交流侧之间通过电感连接。进行逆变器性能测试时，被试逆变器及其控制系统正常工作，输出交流电压。PWM整流器根据检测的逆变器电压和电感电流构成反馈控制系统，可在容量范围内任意调节电感电流的大小，从而可对逆变器进行不同负载条件下的测试。对于多相逆变器，各相电流可独立调节，因此还可模拟不平衡等故障情况。同时，PWM整流器将交流电能整流成直流电能，送回逆变器直流侧，从而实现能量的循环流动。该系统可进行逆变器的满容量测试，但由于实现了能流循环，消耗的能量仅为系统中的电阻损耗，大量节约了电能。

本发明的有益效果如下：

1、被试逆变器和PWM整流器的直流输出彼此相连，采用能量互馈的方式，使能量在两个变流机组内部流动，因此整个系统的能量消耗仅仅是两台变流器的开关线路等损耗，能量利用率得到大大提高；同时可以利用小功率等级的供电电源来试验大功率等级的逆变器系统，而不需要对电源进行扩容改造。

2、被试逆变器与PWM整流器的硬件结构完全相同，仅需更换控制系统即可采用两个被试逆变器构成本试验装置，成本低，易实现。

3、与逆变器接旋转电机负载试验台相比，本套试验台无旋转部件，大大节省了占地面积，降低了噪音，改善了工作环境。

4、与逆变器外接电抗器、电阻箱等负载试验装置相比，克服了外接负载恒定，无法方便的调节逆变器的输出功率，无法模拟逆变器负载各类故障等问题。通过采用高性能的控制方式，能够真实准确地模拟系统实际负载时的各种动静态特征。

附图说明

图1是用于逆变器能流循环试验装置的示意图。

图2是PWM整流器控制系统示意图。

图3是PWM整流器的控制框图。

图1中：直流电源(1)、被测逆变器(2)、电感(3)、PWM整流器(4)、逆变器试验台(5)、电感台(6)、变流柜(7)、轮子(8)、地面(9)、电感左侧(10)、电感右侧(11)、直流侧(12)。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，

本发明是通过能流循环原理来建立一种检测逆变器性能的试验装置。

采用被试逆变器与PWM整流器直流侧直接连接，交流侧通过电感连接的方法：该装置由直流电源(1)、被试逆变器(2)、电感(3)、电压传感器、电流传感器、PWM整流器(4)和控制柜装配后实现逆变器检测功能。该装置的逆变器试验台(5)、电感台(6)、变流柜(7)均安装在地面(9)上，被试逆变器(2)安装在逆变器试验台(5)上，电感(3)安装在电感台(6)上，PWM整流器(4)的主电路通过铁架安装在变流柜(7)内，直流侧支撑电容和控制部分电路硬件也位于变流柜中。被试逆变器(2)的交流端与电感一端(10)相连，变流器的直流端与输入直流电源(1)的输出端相连；PWM整流器(4)的交流端与电感另一端(11)相连，PWM整流器(4)的直流端与输入直流电源(1)输出端相连；作为被测和负载的两个变流器直流侧彼此相连；输入直流电源(1)的交流端接电源。

PWM整流器(4)位于负载侧，容量与被试逆变器相同，DC输出回供给被试逆变器，构成能流循环系统。

变流柜(7)中安装了主电路电气开关、PWM整流器(4)主电路，IGBT驱动电路和直流侧支撑电容。其中PWM整流器IGBT驱动电路采用与被试逆变器IGBT驱动电路(如三菱M57962L模块)完全相同的电路，不需重新设计。

上文所述的主电路电气开关是指直流电源三相A、B、C输入、逆变器直流输入的断路器；如附图1所示，PWM整流器(4)主电路采用三相半桥结构主电路，IGBT反并联二极管；六路IGBT驱动电路脉冲输出连接IGBT门极；PWM整流器(4)直流输出连接直流侧支撑电容并连接到逆变器直流输入。

DSP芯片控制PWM整流器(4)，与被试逆变器工作特性相匹配。在控制系统中，通过检测逆变器输出电压和电感电流并进行适当控制来模拟IGBT逆变器的负载，并实现能量循环利用。系统控制软件基于DSP2407采用C语言编制。本装置因为有直流电源提供稳定直流电压，故PWM整流器控制主要包括交流电流和脉宽调制的控制两个部分。

控制板主要包括模拟量输入、开关量输入、脉冲控制输出和指示灯输出等几个部分。PWM整流器采样的信号依次为三相交流电源电压，直流电压，三相交流电流。开关量输入来自控制面板上的旋转开关，通过光耦隔离输入。脉冲控制输出包括三个脉冲信号和三个脉冲使能信号。三个脉冲使能信号为高电平有效。指示灯可以通过闪烁比例显示故障类型。

本装置控制系统检测逆变器输出的交流电压，测量其幅值和相位，给定的电感电流指令的相位滞后于逆变器输出电压1/4周期，即为感性无功电流。电流幅值可根据需要任意调节。

本装置PWM整流器使用电流闭环控制，使得实际电感电流跟踪指令值，控制原理框图见图3。

在这里对该PWM整流器采用的控制原理和控制方法作简要介绍。

下面列出PWM整流器在三相静止坐标系(a-b-c)下的数学模型表达式如下

$v_j=e_j-(L\frac{{\mathrm{di}}_j}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_j)(j=a,b,c)---\left(1\right)$

忽略R，对式(1)进行从t_k到t_k+1的一个控制周期平均，得到

$v_j^{\mathrm{AV}}=e_j^{\mathrm{AV}}-\frac{1}{T_s}{\∫}_{t_k}^{t_{k+1}}L\frac{{\mathrm{di}}_j}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=e_j^{\mathrm{AV}}-\frac{L}{T_s}[i_j\left(t_{k+1}\right)-i_j\left(t_k\right)](j=a,b,c)---\left(2\right)$

式中“AV”表示从t_k到t_k+1一个控制周期的平均值，T_s为控制周期，(T_s＝t_k+1-t_k。根据电流控制的要求，交流电流应在一个PWM控制周期内跟踪上指令电流，即在每个控制周期(t_k，t_k+1)内，电流控制满足i_j $i_j\left(t_{k+1}\right)=i_j^{*}\left(t_k\right),$ 则式(2)可写成

$v_j^{\mathrm{AV}}=e_j^{\mathrm{AV}}-\frac{L}{T_s}[i_j^{*}\left(t_k\right)-i_j\left(t_k\right)](j=a,b,c)---\left(3\right)$

在三相静止坐标系下，将v_j ^AV作为整流器桥臂中点电压指令信号v_j ^*，从而达到对交流电流量i_sj的控制。电流控制的控制方程如下

$v_j^{*}=e_j^{\mathrm{AV}}-\frac{L}{T_s}[i_j^{*}\left(t_k\right)-i_j\left(t_k\right)(j=a,b,c)---\left(4\right)$

指令电流i_j ^*(t_k)的幅值由旋钮通过I/O输入给定；相位通过检测电网电压的相位得到；实际交流电流值i_j(t_k)可以通过电流传感器检测得到；电网电压在开关周期内的平均值e_j ^AV可以通过电压传感器检测并计算得到。将这些值代入式(4)计算得到整流器桥臂中点电压的指令信号v_j ^*，通过正弦脉宽调制调制(SPWM)方式生成实际v_j来跟踪v_j ^*，就能使交流电流跟踪指令电流。

本装置PWM整流器采用的是正弦脉宽调制技术(SPWM)。载波采用频率为f_c的三角波；三相电压信号，频率为f，对同一个三角载波进行调制。用三角波与正弦参考波的交点控制开关管的通断，就可以得到一组脉冲宽度随正弦方式变化的矩形脉冲波，其基波频率与f一致，而基波幅值正比于给定调制电压信号幅值。

控制系统首先进行AD采样；接着完成对模拟采集量的计算、定标等处理；状态检测中设置了过电流保护、过压/欠压保护、功率驱动保护和温度过热保护，保证PWM整流器的正常工作，避免器件损坏。同步检测部分完成与电网或与外部信号的同步；启动时，程序首先检查电网电压过零标志，当电网电压过零标志置位且当前无故障状态，则整流器启动，开放PWM脉冲输出，执行预测电流控制算法。停止时，程序闭锁PWM脉冲输出并清除电网电压过零标志。中断程序最后完成采样数据保存、开关去抖和看门狗复位。

能流循环试验装置可满足针对被测逆变器的各种工作状态试验，可有效判断各种故障状态。通过控制PWM整流器可制造逆变器各类故障，系统保护产生及时，控制台故障指示灯明确，操作者极易观察并可迅速采取相应措施。

Claims (3)

1.一种用于变流器检测的能流循环试验装置，其特征是：有直流电源(1)、被试逆变器(2)、电感(3)、电压传感器、电流传感器、PWM整流器(4)和控制柜，被试逆变器(2)安装在逆变器试验台(5)上，电感(3)安装在电感台(6)上，PWM整流器(4)的主电路通过铁架安装在变流柜(7)内，直流侧支撑电容和控制部分电路硬件也安装在变流柜中，被试逆变器(2)的交流端与电感一端(10)相连，变流器的直流端与输入直流电源(1)的输出端相连；PWM整流器(4)的交流端与电感另一端(11)相连，PWM整流器(4)的直流端与输入直流电源(1)输出端相连；作为被测和负载的两个变流器直流侧彼此相连；输入直流电源(1)的交流端接电源，

PWM整流器(4)位于负载侧，DC输出回供给被试逆变器，构成能流循环系统，采用三相半桥结构主电路，IGBT反并联二极管，

变流柜(7)中安装了主电路电气开关、PWM整流器(4)主电路，IGBT驱动电路和直流侧支撑电容，主电路电气开关是指直流电源三相A、B、C输入、逆变器直流输入的断路器；PWM整流器(4)主电路采用三相半桥结构主电路，IGBT反并联二极管；六路IGBT驱动电路脉冲输出连接IGBT门极；PWM整流器(4)直流输出连接直流侧支撑电容并连接到逆变器直流输入。

2.根据权利要求1所述的一种用于变流器检测的能流循环试验装置，其特征是：逆变器试验台(5)、电感台(6)、变流柜(7)均安装在地面(9)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于变流器检测的能流循环试验装置，其特征是：所述的PWM整流器(4)，安装在能流循环试验装置变流柜(7)中，由铁架支撑，变流柜下面有滑轮(8)。

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