CN102393495B - 有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其主要技术特点是：包括变频器、变压器装置和电力电网，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器装置接入电力电网，通过调节AFER和INV相关给定灵活调节变频器功率和输出功率因数的大小，进行不同功率因数下额定容量的可逆运行试验，对整套变频器额定容量及功率器件温升进行测试。本发明设计合理，其通过调节有源前端整流器和逆变器输出给定，变频器输出功率的大小和功率因数，在不同功率因数下进行额定容量的可逆运行试验，对整套变频器额定容量及功率器件温升进行准确测试。

Description

有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置

技术领域

本发明属于变频器领域，尤其是一种有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置。

背景技术

变频调速技术已经成为工业领域节能降耗、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段，随着新型大功率电力电子器件的发展，各类大功率变频器已经广泛应用于大型工业生产设备。目前高性能大功率变频器采用有源前端交-直-交拓扑为主流结构。

额定容量试验是变频器最重要的试验内容之一，对于中小功率变频器，传统的额定容量试验方法主要有两种：一种是被试变频器输出带无源阻抗负载，另一种是被试变频器输出带变频器-电动机机组的有源负载。

被试变频器输出带变频器-电动机机组的有源负载时，用两台功率与被试变频器相当的电机，同轴或通过齿轮箱相连组成机组，用一套陪试变流器控制其中一台电机，被试变频器控制另一台电机。试验中通过控制陪试变流器及被试变频器，使一台电机运行于电动、另一台运行于发电状态，从而使得机组中两台电机之间形成所需的额定试验转矩，构成背靠背式的功率流动，机组的损耗及陪试变流器的损耗较之被试变频器输出带无源阻抗负载中的无源阻抗损耗大大减小。试验时陪试变流器一般以转矩闭环工作，被试变频器以速度闭环、或频率闭环、或开环工作，陪试变流器控制转矩方向，被试变频器控制速度方向，通过速度极性与转矩极性的组合实现四象限可逆运行试验。这种试验方法的优点是可进行可逆试验，可进行稳态、动态性能试验，试验过程功率损耗较小等；缺点是机组设备及陪试变流器系统复杂，设备投资大，试验室占地大，机械设备维护困难，不适合大功率或超大功率被试变频器的额定容量试验。

对于大功率或超大功率变频器，因受试验设备容量(如变频器-电动机机组)、场地、电源容量等的限制，很难进行稳定的额定容量试验，额定温升和损耗试验及测试通常只能按单元进行，然后对变频器的整体额定容量进行估算，或者在变频器运行现场进行实际测试，但现场测试一般很难有连续稳定的额定运行工况。已报导的测试装置大多针对功率器件或功率单元，很少有针对大功率变频器整机额定容量的试验方法。因此，研究交-直-交变频器的有效节能的额定容量测试方法和试验装置十分必要。

发明内容

本发明的目的在于在于克服现有技术的不足，提出一种针对有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，包括可逆运行、不同负载功率因数下额定容量的稳态运行试验等，对整套变频器额定出力、功率器件温升进行准确测试。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，包括变频器、变压器装置和电力电网，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器装置接入电力电网，通过调节AFER和INV相关给定灵活调节变频器功率和输出功率因数的大小，进行不同功率因数下额定容量的可逆运行试验，对整套变频器额定容量及功率器件温升进行测试。

而且，所述的有源前端电压型交-直-交变频器主要由有源前端整流器AFER、逆变器INV及直流滤波电容组成。

而且，所述的变压器装置为变压器T1和变压器T2，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器T1和变压器T2接入电力电网；或者所述的变压器装置为一台两裂解变压器T，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过两裂解变压器T接入电力电网；或者所述的变压器装置为变压器T1和电抗器TD，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器T1和电抗器TD接入电力电网。

而且，所述的有源前端整流器AFER和逆变器INV均采用有功功率和无功功率独立矢量控制。

而且，所述的相关给定包括AFER的无功电流给定、逆变器INV的有功电流给定和无功电流给定。

而且，所述的有源前端整流器AFER与逆变器INV是两个拓扑相同的电路结构，直流侧通过滤波电容背靠背相连构成有源前端电压型交-直-交变频器。

本发明的优点和积极效果是：

1、本试验装置线路简单，设备少。除被试变频器外，只需两台变压器(或一台两裂解变压器、或一台变压器和一台电抗器)及电路开关等。相对于变频器-电动机机组的有源负载试验装置，无需解决变频器-电动机机组安装、配套设备以及机械维护的问题。

2、本试验装置相对于变频器-电动机机组的有源负载试验装置，本发明的试验方法无电机损耗及机组机械损耗、机组冷却损耗等，所消耗的功率小，效率高。

3、本试验装置可以进行变频器所需的不同功率和不同功率因数试验，模拟试验各种功率因数条件下的运行工况，实现可逆运行试验。

4、本试验装置可以测试变频器在不同功率因数下各功率器件的温升和损耗，从而准确评估变频器在不同功率因数下的额定输出能力。

附图说明

图1是本发明采用两台变压器时的电路示意图；

图2是本发明采用两裂解变压器时的电路示意图；

图3是本发明采用一台变压器和一台电抗器时的电路示意图；

图4是本发明的试验原理框图；

图5是逆变器INV输出的一相电压基波u和该相电流基波i示意图；

图6是逆变器INV一个桥臂上的电流流通路径示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种有源前端电压型交-直-交变频器的试验装置，如图1所示，包括变频器、变压器T1、变压器T2和电力电网，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器T1、变压器T2接入电力电网，该有源前端电压型交-直-交变频器主要由有源前端整流器AFER、逆变器INV及直流滤波电容组成。本实验装置使得电力电网的能量可以从有源前端整流器AFER输入变频器，又可以通过逆变器INV从变频器回馈至电力电网，形成功率流的回路；同时，变压器的漏抗也可作为AFER的负载电抗，通过调节AFER和INV相关给定灵活调节变频器功率和输出功率因数的大小，进行不同功率因数下额定容量的可逆运行试验，对整套变频器额定容量及功率器件温升进行测试。本试验装置中的变压器T1、变压器T2可以用一台两裂解变压器替代，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过两裂解变压器T接入电力电网，如图2所示。本试验装置中变压器T2也可以用一台电抗器TD，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器T1和电抗器TD接入电力电网，如图3所示。以图1所示的结构为例，AFER和INV分别通过变压器T1、T2与电力电网相连接。试验时，功率通过T1→AFER→INV→T2→T1形成闭合回路，为方便后面叙述，这里规定由网侧流入AFER或INV的功率为正，反之从AFER或INV流入电力电网的功率为负。由于以电力电网电压矢量定向，所以这里规定的功率流极性实际就是有功电流与无功电流的极性。

将逆变器的控制软件按图4所示的控制框图进行修改，或者对逆变器采用与整流器相同的控制器。这是因为绝大多数变频器中的逆变器的控制系统是针对电机变频调速设计的，在采用本发明的试验装置时，要求控制系统均采用有功功率和无功功率独立矢量控制，因此要对逆变器的控制系统做适当修改。

通过调节AFER和INV相关给定，可灵活调节变频器功率和输出功率因数的大小，进行不同功率因数下额定容量的可逆运行试验，对整套变频器额定容量及功率器件温升进行测试。

如图4所示，所述AFER工作原理如下：取电力电网三相电压信号到锁相环PLL检测出电力电网电压矢量的相位θ及幅值U_d；设定直流电压额定值

与直流电压实际值U_dc比较后通过电压调节器AUR对直流电压进行闭环调节控制，其输出作为有功电流给定

无功电流给定

根据试验预定的功率因数计算得出；检测AFER三相交流电流信号，通过3/2变换及矢量回转VD1计算出有功电流实际值i_iP及无功电流实际值i_iQ；有功电流给定与有功电流实际值i_iP、无功电流给定

与无功电流实际值i_iQ分别比较后，通过各自电流调节器ACR1、ACR2进行闭环调节，输出作为有功矢量轴电压附加给定和无功矢量轴电压给定；有功矢量轴电压附加给定与PLL输出的电压前馈信号U_d叠加作为有功矢量轴电压给定；有功矢量轴电压给定和无功矢量轴电压给定经过矢量回转VD2和2/3变换得到三相交流电压给定；再经过脉宽调制PWM控制及脉冲隔离放大环节，控制AFER中的功率开关器件工作。

如图4所示，所述INV工作原理如下：根据试验需要计算并设定有功电流给定

和无功电流给定

检测INV三相交流电流信号，通过3/2变换及矢量回转VD3计算出有功电流实际值i_oP及无功电流实际值i_oQ；有功电流给定

与有功电流实际值i_oP、无功电流给定

与无功电流实际值i_oQ分别比较后，通过各自电流调节器ACR3、ACR4分别进行闭环调节，输出作为有功矢量轴电压附加给定和无功矢量轴电压给定；有功矢量轴电压附加给定与PLL输出的电压前馈信号U_d叠加作为有功矢量轴电压给定；有功矢量轴电压给定和无功矢量轴电压给定经过矢量回转VD4和2/3变换得到INV三相交流电压给定；再经脉宽调制PWM控制及脉冲隔离放大环节，控制INV中的功率开关器件工作。

在变频器拓扑中，AFER采用直流电压外环和电流内环的双闭环控制，而INV采用电流闭环控制，可实现直流母线电压的无静差控制、有功和无功功率的无静差控制。当INV有功电流给定(或无功电流给定

)按试验需要设置，动态时使直流电压发生变化，经AFER直流电压外环和电流内环的双闭环调节控制，保持直流母线电压稳定，使稳态时AFER流过的有功电流i_iP(或无功电流i_iQ)与INV有功电流i_oP(或无功电流i_oQ)相等相反，经过T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路形成有功(或无功)功率流。

所述的灵活调节变频器功率和输出功率因数大小的方法为：根据试验需要的有功功率、无功功率计算出各种运行条件下的有功电流

和无功电流

令

当时，有功功率和无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路正向流动；当

时，有功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路正向流动，无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路反向流动；当

时，有功功率和无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路反向流动；当

时，有功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路反向流动，无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路正向流动。因此，通过本发明的方法，可实现有源前端电压型交-直-交变频器的可逆运行试验。

功率器件的温升与变频器的运行工况、功率因数密切相关，本发明的试验装置可根据试验需要灵活调节功率和功率因数，准确模拟和测试在不同功率因数下额定工况下的功率器件的温升。为了说明变频器功率因数对功率器件温升的影响，下面以二极管钳位三电平逆变器为例分析变频器工作时的电流流通路径及各个功率器件上的损耗情况。图5给出了逆变器输出的一相电压基波u和该相电流基波i在一个周期内的变化情况，

为功率因数角。根据图中电压、电流过零点的情况，可将整个周期分为四个区间分别进行分析：

1、区间

电流路径如图6a)所示。此区间u为正，i为负。由于脉宽调制，实际交流侧电压在正、零之间切换。V1和V3交替导通，V2一直处于导通状态。在交流侧电压正状态时，电流通过D1、D2流入直流正母线；在交流侧电压零状态时，电流通过V3、D6流入零直流母线。在上述过程中，V1中几乎没有电流流过，损耗很小；V3既有导通损耗也有开关损耗；续流二极管D1、D2在导通时流过电流，存在导通损耗；D1在关断时承受反压，存在反向恢复损耗，而D2在关断时由于V2和V3开通，不承受反压，没有反向恢复损耗。

2、区间

电流路径如图6b)所示。此区间u为正，i为正。由于脉宽调制，实际交流侧电压在正、零之间切换。V1和V3交替导通，V2一直处于导通状态。在交流侧电压正状态时，电流通过V1、V2流出；在交流侧电压零状态时，电流通过V2、D5流出。和区间1)的分析类似，此时V1既有导通损耗也有开关损耗，V2存在导通损耗；D5在关断时承受反压，存在反向恢复损耗。

3、区间

电流路径如图6c)所示。此区间u为负，i为正。由于脉宽调制，实际交流侧电压在负、零之间切换。V2和V4轮流导通，V3一直处于导通状态。在交流侧电压负状态时，电流通过D3、D4流出；在交流侧电压零状态时，电流通过V2、D5流出。这一区间，V2管存在导通损耗和开关损耗；D3管有导通损耗；D4管既有导通损耗又有反向恢复损耗。

4、区间

电流路径如图6d)所示。此区间u为负，i为负。由于脉宽调制，实际交流侧电压在负、零之间切换。V2和V4轮流导通，V3一直处于导通状态。在交流侧电压负状态时，电流通过V3、V4流入直流负母线；在交流侧电压零状态时，电流通过V3、D6流入。在这一区间，V3、V4在导通时流过电流，存在导通损耗；V4由于开关动作还存在开关损耗；D6存在反向恢复损耗。

上述分析表明，电压型交-直-交变频器工作时，功率器件中流过电流的大小、时间与交流侧功率因数、电压幅值有关，故器件的温升也与功率因数有关。因此，采用本发明的试验装置，通过调节逆变器输出的功率因数，可以全面测试变频器在各种工况下的损耗和温升，进而准确评估装置在不同功率因数下的额定输出能力。

本试验装置对有源前端电压型交-直-交变频器进行额定容量试验包括以下步骤：

步骤1：参照图1，将有源前端电压型交-直-交变频器通过变压器T1、T2和开关S1、S2连接到电力电网(或参照图2，将有源前端电压型交-直-交变频器通过变压器T和开关S连接到电力电网；或参照图3，将有源前端电压型交-直-交变频器通过变压器T1、电抗器TD和开关S1、S2连接到电力电网)。

步骤2：参照图4构建控制系统。

步骤3：根据试验需要的功率和功率因数计算出各运行条件下的有功电流

和无功电流

电源合闸后，令当

时，有功功率和无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路正向流动；当

时，有功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路正向流动，无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路反向流动；当

时，有功功率和无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路反向流动；当

时，有功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路反向流动，无功功率从电力电网经T1→AFER→INV→T2→T1闭合回路正向流动。

在试验过程中，按照需要改变有功电流和无功电流

给定，测量各工况下的各功率器件的温升，根据测量结果及各功率器件的允许温升，确定变频器在不同功率因数下允许的额定功率。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其特征在于：包括变频器、变压器装置和电力电网，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器装置接入电力电网，通过调节AFER和INV相关给定灵活调节变频器功率和输出功率因数的大小，进行不同功率因数下额定容量的可逆运行试验，对整套变频器额定容量及功率器件温升进行测试。

2.按权利要求1所述的有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其特征在于：所述的有源前端电压型交-直-交变频器主要由有源前端整流器AFER、逆变器INV及直流滤波电容组成。

3.按权利要求1所述的有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其特征在于：所述的变压器装置为变压器T1和变压器T2，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器T1和变压器T2接入电力电网；或者所述的变压器装置为一台两裂解变压器T，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过两裂解变压器T接入电力电网；或者所述的变压器装置为变压器T1和电抗器TD，变频器的有源前端整流器AFER和逆变器INV分别通过变压器T1和电抗器TD接入电力电网。

4.按权利要求1所述的有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其特征在于：所述的有源前端整流器AFER和逆变器INV均采用有功功率和无功功率独立矢量控制。

5.按权利要求1所述的有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其特征在于：所述的相关给定包括AFER的无功电流给定、逆变器INV的有功电流给定和无功电流给定。

6.按权利要求1所述的有源前端电压型交-直-交变频器的额定容量试验装置，其特征在于：所述的有源前端整流器AFER与逆变器INV是两个拓扑相同的电路结构，直流侧通过滤波电容背靠背相连构成有源前端电压型交-直-交变频器。

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