CN103259418A - 一种电机试验变频电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机试验变频电源系统，包括：两台四象限级联型变频器、电机和接触器。两台四象限级联型变频器分别拖动一台电机工作或同时拖动两台刚性共轴联接的电机进行对拖试验。当两台四象限级联型变频器独立运行时，接触器断开，分别完成不同电压等级的电机试验。当两台四象限级联型变频器独立运行，接触器断开，两台电机刚性共轴联接时，完成不同电压等级的电机对拖试验。当两台四象限级联型变频器并联运行时，接触器闭合，完成更高容量等级的电机试验。本发明可以大大提高电源系统的驱动能力，能双机并联驱动或独立单独驱动，可以满足不同电压等级不同容量电机的相关试验要求，并可以实现电机的四象限传动。

Description

一种电机试验变频电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源系统，尤其是涉及一种应用于能量回馈型电机试验的变频电源系统。

背景技术

电动机广泛应用在电厂、油田、石化、矿山、冶金、化工、建材等行业。近年来，随着我国国民经济的快速发展，对电机的市场需求日益旺盛，对电机质量的要求也越来越高。电机试验是检验电机质量的重要手段之一，其准确性和可靠性与电机试验电源的好坏密切相关。在电机行业中，以往主要采用发电机组作为电机试验设备进行电机试验，这种方法受设备容量的制约，在大容量低频情况下无法满足电机试验要求。随着电力电子技术的发展，变频电源在电机试验中逐步得到应用。采用变频电源的电机试验装置解决了传统机组方案在低频时功率小的难点，与传统机组电源相比具有节能、噪声小、功率大等优点。

在现有技术中，主要有以下三篇文献与本发明相关：

如附图1所示，现有技术1为盛君、张敏于2007年5月发表在《变流技术与电力牵引》2007年第五期上的论文《变频试验电源在电机试验中的应用》。现有技术1采用“输入变压器+相控整流器+逆变器+升压变压器”的变频电源方案。三相电网输入电压，经过输入变压器输出三相交流可调电压送入晶闸管整流器，晶闸管整流器输出的直流电压经过滤波后通过升压变压器输出变压变频的电压供给电机。但是，现有技术1由于相控整流桥采用的元器件晶闸管属于半控器件，在进行能量回馈时，输出电压谐波丰富，对电网污染严重。而在多电压等级输出时，全靠输出变压器实现，对输出变压器要求高，制造难度大成本高。

如附图2所示，现有技术2为康乐、姬凯等人于2010年3月25日发表在《通信电源技术》2010年第2期第27卷上的论文《能量回馈式电机试验平台的系统研究》。现有技术3为姬凯、康乐等人于2009年12月发表在《变频器世界》2009年第12期上的论文《变频器在通用大容量电机试验系统的应用》。现有技术2和现有技术3采用共直流母线的能量循环方案，电机驱动和能量回馈的逆变单元采用公直流母线的方式，有效利用公共直流母线来进行电能量的循环。整流部分提供稳定的直流母线电压，电网只需提供系统损耗的能量，这种节能控制方式比较简单，较容易实现。但是，现有技术2和3采用共直流母线的能量循环方案，其输出谐波含量大，需要增加专门的输出滤波装置，且不能实现多电压等级的额定容量输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机试验变频电源系统，该系统可以大大提高电源系统的驱动能力，能双机并联驱动或独立单独驱动，从而满足不同电压等级不同容量电机的相关试验要求，并可以实现电机的四象限传动。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电机试验变频电源系统的技术实现方案，一种电机试验变频电源系统，包括：两台四象限级联型变频器、电机和接触器。所述两台四象限级联型变频器分别拖动一台所述电机工作或同时拖动两台刚性共轴联接的电机进行对拖试验。当所述的两台四象限级联型变频器独立运行时，所述接触器断开，分别完成不同电压等级的电机试验；当所述的两台四象限级联型变频器独立运行，所述接触器断开，所述的两台电机刚性共轴联接时，完成不同电压等级的电机对拖试验；当所述两台四象限级联型变频器并联运行时，所述接触器闭合，完成更高容量等级的电机试验。

优选的，当所述接触器断开，两台四象限级联型变频器独立运行时，完成最大2500KVA容量，不同电压等级电机包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验；当所述接触器断开，两台电机刚性共轴联接时，进行最大2500kVA容量，不同电压等级电机包括对拖温升试验、负载特性测试在内的相关试验；当两台四象限级联型变频器并联运行时，所述接触器闭合，完成最大5000KVA容量，不同电压等级电机包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验。

优选的，所述四象限级联型变频器进一步包括移相变压器、高压充电电路、变频模块和接触器组合，所述高压充电电路与移相变压器相连，所述变频模块与移相变压器相连，所述接触器组合与变频模块相连。所述变频模块的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链，n≥1，所述基础变流链包括功率单元和均流电抗器。三相电压经过所述高压充电电路进入移相变压器，经过所述移相变压器降压后为所述变频模块的功率单元供电。所述功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合中各接触器的开关状态改变每个基础变流链的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出。

优选的，10KV电网输入三相电压，经过所述高压充电电路进入所述移相变压器，经过所述移相变压器降压后为所述功率单元供电。所述功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压。所述基础变流链包括三个功率单元和一个均流电抗器，所述功率单元与所述均流电抗器相互串联。所述四象限级联型变频器的每相包括4个基础变流链，通过改变接触器组合中各接触器的开关状态改变每个基础变流链的串、并联方式，实现最大分别为3.45KV、6.9KV、13.8KV三个电压等级额定容量的输出。

优选的，所述功率单元进一步包括三相PWM整流器、中间直流环节和H桥逆变器。所述功率单元由所述移相变压器的副边绕组供电，所述移相变压器副边绕组的三相交流可调电压经过所述功率单元的三相PWM整流器整流成直流电压。直流电压经过中间直流环节的滤波电容滤波后形成稳定的直流母线电压输出至H桥逆变器。所述H桥逆变器将直流母线电压逆变成变压变频的交流电压输出。

优选的，所述电机试验变频电源系统还包括三相PWM整流器控制模块，所述三相PWM整流器控制模块进一步包括电压外环控制环节和电流内环控制环节。所述电压外环控制环节根据直流母线电压的实测值与直流母线电压给定值进行比较，形成电压闭环控制，输出三相输入电流的给定幅值，进一步得到三相输入交流电流的给定值。所述电流内环控制环节通过三相输入交流电流的实测值与三相输入交流电流的给定值进行比较，形成电流闭环控制，输出所述三相PWM整流器的开关器件驱动控制信号。

优选的，所述电压外环控制环节进一步包括第一采样滤波单元、PI调节单元、第二采样滤波单元、锁相环单元和乘法单元。所述第一采样滤波单元采集直流母线电压Udc并输出至所述PI调节单元。所述直流母线电压Udc与直流母线电压给定值Udc*在所述PI调节单元中进行比较和PI调节后，输出三相输入电流的给定幅值I。所述第二采样滤波单元采集三相输入电压的瞬时值，经过所述锁相环单元获得与交流输入电压相位相同的三相标准正弦波。所述三相标准正弦波与三相输入电流的给定幅值I在所述乘法单元中相乘，得到三相输入交流电流的给定值iN*。

优选的，所述电流内环控制环节进一步包括第三采样滤波单元、采样保持单元和电流滞环控制单元。所述第三采样滤波单元采集三相输入电流信号iN；所述三相输入电流信号iN与三相输入电流的给定值iN*比较得到差值信号iN*-iN；所述差值信号iN*-iN经过所述采样保持单元，进入所述电流滞环控制单元得到PWM触发信号，作为所述三相PWM整流器的开关器件的驱动控制信号。

优选的，所述电机试验变频电源系统还包括H桥逆变器控制模块，所述H桥逆变器控制模块包括电流控制器、均流控制器、空间矢量脉宽调制单元和均分单元。给定电机电流信号im*与实际电机电流信号im比较后经过所述电流控制器产生电压参考信号。各H桥逆变器输出电流经过所述均分单元求取平均值后得到所述H桥逆变器电流平均值信号作为电流参考信号。各H桥逆变器输出电流与所述电流参考信号相比较后作为环流信号，送入所述均流控制器产生调节电压信号，所述调节电压信号与所述电压参考信号比较后经过所述空间矢量脉宽调制单元处理，作为各H桥逆变器的控制电压。

优选的，所述电流控制器和所述空间矢量脉宽调制单元组成并联逆变器输出电压控制环节，所述并联逆变器输出电压控制环节还进一步包括第四采样滤波单元和同步控制单元。所述第四采样滤波单元采集电机电流信号im。所述电机电流信号im与给定电机电流信号im*比较后产生差值信号im*-im输出至所述电流控制器得到电压参考信号。所述电压参考信号经过所述同步控制单元与所述均流控制器产生的调整电压信号比较后输出至所述空间矢量脉宽调制单元得到所述H桥逆变器各开关器件的驱动控制信号。

优选的，所述均流控制器和所述均分单元组成并联逆变器环流控制环节，所述并联逆变器环流控制环节还进一步包括第五采样滤波单元。所述第五采样滤波单元采集所述H桥逆变器的输出电流，经所述均分单元求取平均值后得到所述H桥逆变器的输出电流平均值作为电流参考信号。各H桥逆变器的输出电流信号与电流参考信号比较后得到环流信号。所述环流信号输出至所述均流控制器产生调整电压信号。

通过实施上述本发明一种电机试验变频电源系统的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明可以大大提高电源系统的驱动能力，能双机并联驱动或独立单独驱动，可以满足不同电压等级不同容量电机的相关试验要求，并可以实现电机的四象限传动；

（2）本发明单套变频电源以n个H桥功率单元和一个电抗器串联作为一个基础变流链，通过接触器的不同开关状态，改变多个基础变流链的串、并联组合形式，可以实现多种电压等级的额定容量输出；

（3）本发明每个基础变流链均连接有均流电抗器，并联均流效果良好，避免了基础变流链并联时产生的环流现象，保证了电路多个电压等级的额定输出，同时对于串联输出起滤波作用，保证了变频电源系统的输出波形品质；

（4）本发明通过采用三相PWM整流器替代二极管整流器，引入载波移相SPWM技术以及在输出端串接均流电抗器，解决了现有技术控制方法应用的电机试验电源装置网侧电压谐波丰富，对电网污染严重，输入电流低次谐波较大，能量只能单向流动的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术1在电机试验中应用的变频试验电源的结构组成示意图。

图2是现有技术2能量回馈式电机试验平台系统的结构组成示意图。

图3是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式的系统结构框图。

图4是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中单套变频器的基础变流链等效示意图。

图5是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中单套变频器的电路拓扑结构图。

图6是本发明电机试验变频电源系统在13.8KV电压等级输出模式下的主电路等效示意图。

图7是本发明电机试验变频电源系统在6.9KV电压等级输出模式下的主电路等效示意图。

图8是本发明电机试验变频电源系统在3.45KV电压等级输出模式下的主电路等效示意图。

图9是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中功率单元的拓扑结构图。

图10是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中三相PWM整流器控制原理框图。

图11是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中电压外环控制模块的功能结构框图。

图12是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中电流内环控制模块的功能结构框图。

图13是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中H桥逆变器控制模块的功能结构框图。

图14是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中并联逆变器输出电压控制环节的功能结构框图。

图15是本发明电机试验变频电源系统一种具体实施方式中并联逆变器环流控制环节的功能结构框图。

图16是本发明中电机试验变频电源系统控制方法一种具体实施方式中的控制流程示意图。

图17是本发明中电机试验变频电源系统控制方法一种具体实施方式中电压外环控制过程的控制流程示意图。

图18是本发明中电机试验变频电源系统控制方法一种具体实施方式中电流内环控制过程的控制流程示意图。

图19是本发明中电机试验变频电源系统控制方法一种具体实施方式中并联逆变器输出电压控制过程的控制流程示意图。

图20是本发明中电机试验变频电源系统控制方法一种具体实施方式中并联逆变器环流控制过程的控制流程示意图。

图中：1-四象限级联型变频器，2-电机，3-移相变压器，4-变频模块，5-基础变流链，6-高压充电电路，7-功率单元，8-三相PWM整流器，9-中间直流环节，10-H桥逆变器，11-第一采样滤波单元，12-PI调节单元，13-第二采样滤波单元，14-锁相环单元，15-乘法单元，16-第三采样滤波单元，17-采样保持单元，18-电流滞环控制单元，19-电流控制器，20-均流控制器，21-空间矢量脉宽调制单元，22-均分单元，23-第四采样滤波单元，24-第五采样滤波单元。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；

SPWM：Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦波脉冲宽度调制的简称；

SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制的简称；

PLL：Phase-locked loops，锁相环的简称，是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术；

PI调节：Proportional Integral Control，比例积分调节的简称。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图3至附图20所示，给出了本发明一种电机试验变频电源系统，以及该系统控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图3所示的一种电机试验变频电源系统的具体实施方式，包括：两台四象限级联型变频器1、电机2和接触器KM3。两台四象限级联型变频器1分别拖动一台电机2工作或同时拖动两台刚性共轴联接的电机2进行对拖试验。当两台四象限级联型变频器1独立运行时，接触器KM3断开，分别完成不同电压等级的电机2试验；当两台四象限级联型变频器1独立运行，接触器KM3断开，两台电机2刚性共轴联接时，完成不同电压等级的电机2对拖试验；当两台四象限级联型变频器1并联运行时，接触器KM3闭合，完成更高容量等级的电机2试验。本发明具体实施方式描述的技术方案采用两套能够实现多电压等级额定容量输出的四象限级联型变频器。两套四象限级联型变频器1可分别拖动一台电机2工作，也可同时拖动两台刚性共轴联接的电机2进行对拖试验。两套四象限级联型变频器1并联运行，可以大大提高试验变频电源系统的驱动能力，而通过软硬件设置后可以转化为单台运行，具有良好的独立驱动能力。此外，通过双机并联驱动或独立单独驱动，可以满足不同电压等级不同容量电机2的相关试验要求，并实现电机2的四象限传动要求。

作为本发明一种典型的实施方式，当接触器KM3断开，两台四象限级联型变频器1独立运行时，完成最大2500KVA容量，不同电压等级电机2包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验；当接触器KM3断开，两台电机2刚性共轴联接时，进行最大2500kVA容量，不同电压等级电机2包括对拖温升试验、负载特性测试在内的相关试验；当两台四象限级联型变频器1并联运行时，接触器KM3闭合，完成最大5000KVA容量，不同电压等级电机2包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验。

四象限级联型变频器1进一步包括移相变压器3、高压充电电路6、变频模块4和接触器组合。高压充电电路6与移相变压器3相连，变频模块4与移相变压器3相连，接触器组合与变频模块4相连。变频模块4的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链5，n≥1，基础变流链5包括功率单元7和均流电抗器L，功率单元7采用H桥功率单元。基础变流链5的等效示意图如附图4所示，功率单元7的额定输出电压670V，每个基础变流链5由三个功率单元7和一个均流电抗器L组成，满足电力系统最小3KV电压输出能力的要求。对于不同电力系统的要求，基础变流链5串联的功率单元7的数量可根据不同的系统要求变化，其数量n由功率单元7的额定输出电压和系统最低输出电压等级决定。三相电压经过高压充电电路6进入移相变压器3，经过移相变压器3降压后为变频模块4的功率单元7供电，功率单元7经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合中各接触器的开关状态改变每个基础变流链5的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出。

高压充电电路6进一步包括三相的充电电阻R和三相的旁路高压接触器1KM1，每相充电电阻R均并联在该相旁路高压接触器1KM1的两端，高压充电电路6用于抑制高压合闸时的涌流。移相变压器3的一次绕组采用星型接法，移相变压器3的每个二次绕组均采用延边三角型接法。移相变压器3的二次绕组与变频模块4的功率单元7之间通过三相进线进行连接。本发明中功率单元7的开关器件可以是IGBT或IGCT、IEGT等。

变频模块4进一步包括第一基础变流链组合41、第二基础变流链组合42、第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44，每个基础变流链组合对应一路三相输出端。接触器组合进一步包括第一接触器2KM1、第二接触器2KM2、第三接触器2KM3、第四接触器2KM4、第五接触器2KM5、第六接触器3KM1、第七接触器3KM2和第八接触器3KM3。接触器采用高压真空接触器。第一接触器2KM1、第三接触器2KM3和第四接触器2KM4分别连接在第一基础变流链组合41、第二基础变流链组合42和第三基础变流链组合43的三相输出端。第二接触器2KM2连接在第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42之间。第五接触器2KM5连接在第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44之间。第六接触器3KM1连接在第一基础变流链组合41的三相输出端和第二基础变流链组合42的三相输出端之间。第七接触器3KM2连接在第二基础变流链组合42的三相输出端和第三基础变流链组合43的三相输出端之间。第八接触器3KM3连接在第三基础变流链组合43的三相输出端和第四基础变流链组合44的三相输出端之间。

作为本发明一种典型的实施方式，10KV电网输入三相电压，经过高压充电电路6进入移相变压器3，经过移相变压器3降压后为功率单元7供电。功率单元7经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压。基础变流链5进一步包括三个功率单元7和一个均流电抗器L，功率单元7与均流电抗器L相互串联。作为本发明一种典型的实施方式，四象限级联型变频器1的每相包括4个基础变流链5，通过改变接触器组合中各接触器的开关状态改变每个基础变流链5的串、并联方式，实现最大分别为3.45KV、6.9KV、13.8KV三个电压等级额定容量的输出。

如附图5所示，每个基础变流链组合进一步包括9个功率单元7（以下简称：模块）和3个均流电抗器L。其中，第一基础变流链组合41包括模块A1～A3、模块B1～B3、模块C1～C3，电抗器L1、L2、L3；第二基础变流链组合42包括模块A4～A6、模块B4～B6、模块C4～C6，电抗器L4、L5、L6；第三基础变流链组合43包括模块A7～A9、模块B7～B9、模块C7～C9，电抗器L7、L8、L9；第四基础变流链组合44包括模块A10～A12、模块B10～B12、模块C10～C12，电抗器L10、L11、L12。每个基础变流链组合对应一路三相额定输出，具体为：第一基础变流链组合41对应三相输出端U1、V1、W1，第二基础变流链组合42对应三相输出端U3、V3、W3，第三基础变流链组合43对应三相输出端U4、V4、W4，第四基础变流链组合44对应三相输出端U2、V2、W2。

本发明提供的电机试验变频电源系统，以n个功率单元和一个电抗器串联作为一个基础变流链5，通过各个接触器的不同开关状态，改变多个基础变流链5的串、并联组合形式，实现多种电压等级的额定容量输出。每个基础变流链5连接有均流电抗器L，并联均流效果良好，避免了变流链并联时产生的环流现象，保证了电路多个电压等级的额定输出。同时对于串联输出起到了滤波作用，保证了四象限级联型变频器1的输出波形品质。

本发明具体实施方式描述的电机试验变频电源系统能够实现10MVA，3KV、6KV、10KV三种电压等级额定功率的输出，功率单元7的额定输出电压为670V。在本发明的具体实施方式中，电机试验变频电源系统的每相由四个基础变流链5组成，满足电机试验变频电源系统最高10KV电压输出能力的要求。电机试验变频电源系统通过接触器的不同开关状态，可改变每个基础变流链5的串并联方式，分别实现最大3.45KV、6.9KV、13.8KV三个电压等级额定容量的输出。四象限级联型变频器1的控制采用载波移相SPWM（正弦脉宽调制）技术，其基本思想是保持调制信号的波形不变，对级联模块（功率单元7）的三角载波信号移动一个角度。此调制方式使各级联功率单元输出电压的叠加波形为多电平的类正弦波。根据变流链路串、并联组合方式的不同，对各功率单元7的载波移相SPWM调制方式也不一样。

如附图6所示为一种具体实施方式中电机试验变频电源系统在13.8KV电压等级的三相额定输出模式下的等效电路图，在该模式下各接触器的开关状态如下表1所示。在该模式下，每相由4个基础变流链5串联而成，每个基础变流链5由3个670V功率单元7和一个均流电抗器L串联而成。N1为中性点，每相由12个变频的功率单元7和4个均流电抗器L串联而成，三相为星型连接，电源输出端子为U2、V2、W2。在该模式下可以实现13.8KV电压等级的额定输出，可以拖动相应电压等级的电机2。

表1  13.8KV电压等级输出模式下各高压真空接触器开关状态列表

2KM1

2KM2

2KM3

2KM4

2KM5

3KM1

3KM2

3KM3

状态

合闸

分闸

分闸

分闸

分闸

分闸

合闸

分闸

在该模式下每相12个功率单元7（模块）级联而成，则每个功率单元7的SPWM调制载波移相相位角依次差180°/12=15°。每相的1～12号模块（包括A1～A12模块、B1～B12模块、C1～C12模块）的三角载波移相角度依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°。同一相的每个基础变流链5，即1～3号模块（包括A1～A3模块、B1～B3模块、C1～C3模块）正弦调制波、4～6号模块（包括A4～A6模块、B4～B6模块、C4～C6模块）正弦调制波、7～9号模块（包括A7～A9模块、B7～B9模块、C7～C9模块）正弦调制波和10～12号模块（包括A10～A12模块、B10～B12模块、C10～C12模块）正弦调制波，采用相同的正弦调制信号。

如附图7所示为另一种具体实施方式中电机试验变频电源系统在6.9KV电压等级的三相额定输出模式下的等效电路图，该模式下各接触器的开关状态如下表2所示。该模式下形成两台6.9KV级联型变频器，每台6.9KV级联型变频器每相由2个基础变流链5串联而成，含6个变频的功率单元7和两个均流电抗器L，三相为星型连接。N3为中性点，每相由1～6号功率单元7（包括A1～A6模块、B1～B6模块、C1～C6模块）串联而成，三相为星型连接，组成第一台6.9KV级联型变频器，电源输出端子为U1、V1、W1。N4为中性点，每相由7～12号功率单元7（包括A7～A12模块、B7～B12模块、C7～C12模块）串联而成，三相为星型连接，组成第二台6.9KV级联型变频器，电源输出端子为U2、V2、W2。在该模式下，可以实现6.9KV电压等级的额定输出，并拖动两台相应电压等级的电机2。此外，还可通过接触器的不同开关状态实现两台四象限级联型变频器1的并联输出。

表2  6.9KV电压等级输出模式下各高压真空接触器开关状态列表

2KM1

2KM2

2KM3

2KM4

2KM5

3KM1

3KM2

3KM3

状态

分闸

分闸

合闸

合闸

分闸

分闸

分闸

分闸

在该模式下，每相输出由两个基础变流链5串联组成，包括6个功率单元7和两个均流电抗器L，则每个功率单元7三角载波的相位角依次差180°/6=30°。一条变流链路功率单元7的级联顺序为1至6，另一条并联变流链路功率单元7的级联顺序为12至7。为保证两条并联链路输出电压波形的完全一致性，每相1～6号模块（包括A1～A6模块、B1～B6模块、C1～C6模块）三角载波移相角度依次为0°、30°、60°、90°、120°、150°，每相7～12号模块（包括A7～A12模块、B7～B12模块、C7～C12模块）三角载波移相角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°。同一相串联的基础变流链5采用相同的调制信号，并联的基础变流链5之间采用极性相反的调制信号，即1～6号模块正弦调制波采用相同的正弦调制信号，7～12号模块正弦调制波采用极性相反的正弦调制信号。

如附图8所示为第三种具体实施方式中电机试验变频电源系统在在3.45KV电压等级的三相额定输出模式下的等效电路图，该模式下各接触器的开关状态如下表3所示。在该模式下，形成四台3.45KV级联型变频器，每台3.45KV级联型变频器的每相由一个基础变流链5组成，三相为星型连接。N2为中性点，每相由1～3号功率单元（7包括A1～A3模块、B1～B3模块、C1～C3模块）和均流电抗器L串联组成，三相为星型连接，组成第一台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U1、V1、W1；N2为中性点，每相由4～6号功率单元7（包括A4～A6模块、B4～B6模块、C4～C6模块）和均流电抗器L串联组成，三相为星型连接，组成第二台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U3、V3、W3；N5为中性点，每相由10～12号功率单元7（包括A10～A12模块、B10～B12模块、C10～C12模块）和均流电抗器L串联组成，三相为星型连接，组成第三台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U4、V4、W4；N5为中性点，每相由7-9号功率单元7（包括A7～A9模块、B7～B9模块、C7～C9模块）和均流电抗器L串联组成，三相为星型连接，组成第四台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U2、V2、W2。在该模式下，可以实现3.45KV电压等级的额定输出，并拖动四台相应电压等级的电机2。此外，还可通过接触器的不同开关状态实现两个、三个及四个四象限级联型变频器1的并联输出。

表3  3.45KV电压等级输出模式下各高压真空接触器开关状态列表

2KM1

2KM2

2KM3

2KM4

2KM5

3KM1

3KM2

3KM3

状态

分闸

合闸

分闸

分闸

合闸

分闸

分闸

分闸

该模式下每相输出为一个基础变流链5，包括3个功率单元7和均流电抗器L串联组成，则每个功率单元7三角载波的相位角依次差180°/3=60°。每条变流链路功率单元7的级联顺序为1至3，4至6，7至9，10至12。为保证两条并联链路输出电压波形的完全一致性，每相1～3号模块（包括A1～A3模块、B1～B3模块、C1～C3模块）三角载波移相角度依次为0°、60°、120°，4～6号模块（包括A4～A6模块、B4～B6模块、C4～C6模块）三角载波移相角度依次为120°、60°、0°，7～9号模块（包括A7～A9模块、B7～B9模块、C7～C9模块）三角载波移相角度依次为0°、60°、120°，10～12号模块（包括A10～A12模块、B10～B12模块、C10～C12模块）三角载波移相相位角度依次为120°、60°、0°。同一相1～3号模块和7～9号模块采用相同的正弦调制信号，4～6号模块和10～12号模块采用极性相反的正弦调制信号。

如附图9所示，功率单元7进一步包括三相PWM整流器8、中间直流环节9和H桥逆变器10。功率单元7由移相变压器3的副边绕组供电，移相变压器3副边绕组的三相交流可调电压经过功率单元7的三相PWM整流器8整流成直流电压。直流电压经过中间直流环节9的滤波电容滤波后形成稳定的直流母线电压输出至H桥逆变器10。H桥逆变器10将直流母线电压逆变成变压变频的交流电压输出。通过采用三相PWM整流器替代二极管整流器，引入载波移相SPWM技术，以及在输出端串接均流电抗器L，解决了现有技术控制方法应用的电机试验电源装置网侧电压谐波丰富，对电网污染严重，输入电流低次谐波较大，能量只能单向流动的技术缺陷。

如附图10所示，电机试验变频电源系统还包括三相PWM整流器控制模块，三相PWM整流器控制模块进一步包括电压外环控制环节和电流内环控制环节。电压外环控制环节根据直流母线电压的实测值与直流母线电压给定值进行比较，形成电压闭环控制，输出三相输入电流的给定幅值，进一步得到三相输入交流电流的给定值。电流内环控制环节通过三相输入交流电流的实测值与三相输入交流电流的给定值进行比较，形成电流闭环控制，输出三相PWM整流器8的开关器件驱动控制信号。

如附图11所示，电压外环控制环节进一步包括第一采样滤波单元11、PI调节单元12、第二采样滤波单元13、锁相环单元14和乘法单元15。第一采样滤波单元11采集直流母线电压Udc并输出至PI调节单元12。直流母线电压Udc与直流母线电压给定值Udc*在PI调节单元12中进行比较和PI调节后，输出三相输入电流的给定幅值I。第二采样滤波单元13采集三相输入电压的瞬时值，经过锁相环单元14获得与交流输入电压相位相同的三相标准正弦波。三相标准正弦波与三相输入电流的给定幅值I在乘法单元15中相乘，得到三相输入交流电流的给定值iN*。

如附图12所示，电流内环控制环节进一步包括第三采样滤波单元16、采样保持单元17和电流滞环控制单元18。第三采样滤波单元16采集三相输入电流信号iN。三相输入电流信号iN与三相输入电流的给定值iN*比较得到差值信号iN*-iN。差值信号iN*-iN经过采样保持单元17，进入电流滞环控制单元18得到PWM触发信号，作为三相PWM整流器8开关器件的驱动控制信号。

如附图13所示，电机试验变频电源系统还包括H桥逆变器控制模块，H桥逆变器控制模块包括电流控制器19、均流控制器20、空间矢量脉宽调制单元21和均分单元22。给定电机电流信号im*与实际电机电流信号im比较后经过电流控制器19产生电压参考信号。各H桥逆变器10输出电流经过均分单元22求取平均值后得到H桥逆变器10电流平均值信号作为电流参考信号。各H桥逆变器10输出电流与电流参考信号相比较后作为环流信号，送入均流控制器20产生调节电压信号，调节电压信号与电压参考信号比较后经过空间矢量脉宽调制单元21处理，作为各H桥逆变器10的控制电压。

如附图13和附图14所示，电流控制器19和空间矢量脉宽调制单元21组成并联逆变器输出电压控制环节，并联逆变器输出电压控制环节还进一步包括第四采样滤波单元23和同步控制单元25。第四采样滤波单元23采集电机2电流信号im。电机2电流信号im与给定电机2电流信号im*比较后产生差值信号im*-im输出至电流控制器19得到电压参考信号。电压参考信号经过同步控制单元25与均流控制器20产生的调整电压信号比较后输出至空间矢量脉宽调制单元21得到H桥逆变器10各开关器件的驱动控制信号。

如附图15所示，均流控制器20和均分单元22组成并联逆变器环流控制环节，并联逆变器环流控制环节还进一步包括第五采样滤波单元24。第五采样滤波单元24采集H桥逆变器10的输出电流，经均分单元22求取平均值后得到H桥逆变器10的输出电流平均值作为电流参考信号。各H桥逆变器10的输出电流信号与电流参考信号比较后得到环流信号。环流信号输出至均流控制器20产生调整电压信号。

如附图16所示，本发明具体实施方式还提供了一种对电机试验变频电源系统进行控制的方法。一种电机试验变频电源系统控制方法，电机试验变频电源系统包括：两台四象限级联型变频器1、电机2和接触器KM3；

两台四象限级联型变频器1分别拖动一台电机2工作或同时拖动两台刚性共轴联接的电机2进行对拖试验；

当两台四象限级联型变频器1独立运行时，接触器KM3断开，分别完成不同电压等级的电机2试验；

当两台四象限级联型变频器1独立运行，接触器KM3断开，两台电机2刚性共轴联接时，完成不同电压等级的电机2对拖试验；

当两台四象限级联型变频器1并联运行时，接触器KM3闭合，完成更高容量等级的电机2试验。

作为本发明一种典型的实施方式，当接触器KM3断开，两台四象限级联型变频器1独立运行时，完成最大2500KVA容量，不同电压等级电机2包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验；当接触器KM3断开，两台电机2刚性共轴联接时，进行最大2500kVA容量，不同电压等级电机2包括对拖温升试验、负载特性测试在内的相关试验；当两台四象限级联型变频器1并联运行时，接触器KM3闭合，完成最大5000KVA容量，不同电压等级电机2包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验。

四象限级联型变频器1进一步包括移相变压器3、高压充电电路6、变频模块4和接触器组合。变频模块4的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链5，n≥1，基础变流链5包括功率单元7和均流电抗器L。通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链5的串、并联方式，实现最大分别为3.45KV、6.9KV、13.8KV三个电压等级额定容量的输出。

功率单元7进一步包括三相PWM整流器8、中间直流环节9和H桥逆变器10。电机试验变频电源系统控制方法进一步包括三相PWM整流器控制过程，三相PWM整流器控制过程包括电压外环控制过程和电流内环控制过程；

电压外环控制过程根据直流母线电压的实测值与直流母线电压给定值进行比较，形成电压闭环控制，输出三相输入电流的给定幅值，进一步得到三相输入交流电流的给定值；

电流内环控制过程通过三相输入交流电流的实测值与三相输入交流电流的给定值进行比较，形成电流闭环控制，输出三相PWM整流器8开关器件的驱动控制信号。

如附图17所示，电压外环控制过程进一步包括以下步骤：

S101:采集直流母线电压Udc，并进行滤波处理；

S102:经过滤波处理的直流母线电压Udc与直流母线电压给定值Udc*进行比较和PI调节后，输出三相输入电流的给定幅值I；

S103:采集三相输入电压的瞬时值，经过锁相处理得到与交流输入电压相位相同的三相标准正弦波；

S104:三相标准正弦波与三相输入电流的给定幅值I相乘，得到三相输入交流电流的给定值iN*。

如附图18所示，电流内环控制过程进一步包括以下步骤：

S201:采集三相输入电流信号iN，并进行滤波处理；

S202:三相输入电流信号iN与三相输入电流的给定值iN*进行比较得到差值信号iN*-iN；

S203:比较所得的差值信号iN*-iN经过采样保持，再进行滞环电流控制得到PWM触发信号，作为三相PWM整流器8的开关器件驱动控制信号。

电机试验变频电源系统控制方法还进一步包括H桥逆变器控制过程，H桥逆变器控制过程进一步包括并联逆变器输出电压控制过程和并联逆变器环流控制过程。给定电机电流信号im*与实际电机电流信号im比较后经过电流控制产生电压参考信号。各H桥逆变器10输出电流经过均分处理求取平均值后得到H桥逆变器10电流平均值信号作为电流参考信号。各H桥逆变器10输出电流与电流参考信号相比较后作为环流信号，经过均流控制产生调节电压信号，调节电压信号与电压参考信号比较后经过空间矢量脉宽调制处理，作为各H桥逆变器10的控制电压。

如附图19所示，并联逆变器输出电压控制过程进一步包括以下步骤：

S301:采集电机2电流信号im，并进行滤波处理；

S302:将给定电机2电流信号im*与电机2电流信号im进行比较处理后，产生差值信号im*-im进行电流控制得到电压参考信号；

S303:电压参考信号经过同步控制与经过均流控制产生的调整电压信号比较后再进行空间矢量脉宽调制处理，得到H桥逆变器10各开关器件的驱动控制信号。

如附图20所示，并联逆变器环流控制过程进一步包括以下步骤：

S401:采集H桥逆变器10的输出电流，进行滤波处理并求取平均值后，得到H桥逆变器10的输出电流平均值作为电流参考信号；

S402:各H桥逆变器10的输出电流信号与电流参考信号比较后得到环流信号；

S403:对环流信号进行均流控制，产生调整电压信号。

本发明具体实施方式描述的电机试验变频电源系统由两台能够实现多电压等级额定容量输出的四象限级联型变频器1组成。两台四象限级联型变频器1既能双机并联驱动或独立单独驱动，也可以分别拖动一台电机2工作，也可同时拖动两台刚性共轴联接的电机2进行对拖试验。当独立运行时，可以同时进行两台电机2的出厂试验，提高了试验效率。当并联运行时，可最大进行单台电源两倍容量电机2的相关试验，大大提高了系统的试验能力。其中，单台四象限级联型变频器1通过接触器的不同开关状态，形成多个相同功率单元7的不同串、并联组合，实现多种电压等级的额定容量输出，驱动不同电压等级的电机2，减少了设备投资及设备占地面积，节约了生产成本。单台四象限级联型变频器1采用级联型的拓扑结构，用若干个低压变频功率单元7串联的方式实现直接高压输出，输出电压波形好，谐波含量低，无需输出滤波装置。能馈型的功率单元7，不仅实现能量的双向流动，且整流脉波数高，网侧功率因数接近为1，谐波含量少，对电网影响低。另外，变频模块4的每条基础变流链5都连接有均流电抗器L，能够起到串联滤波，并联均流的作用，能够有效抑制环流，并支持相关控制算法。不仅可以实现单台四象限级联型变频器的多电压满容量输出，而且可以很容易实现多台四象限级联型变频器的并联运行。本发明中四象限级联型变频器1的组成数量N可以根据实际需求变化，N为偶数。如例子中10kV，5000kVA由两套2500kVA四象限级联型变频器1组成。也可变为由四套1250kVA四象限级联型变频器1组成，其中两套1250kVA四象限级联型变频器1为一组，每组两套并联实现2500kVA四象限级联型变频器1输出，实现上述例子的功能。同时其也可以单台四象限级联型变频器1独立输出，同时实现4台最大容量1250kVA电机2的相关试验或2台最大容量1250kVA电机2的对拖试验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，反之亦然，所以相关部分的相应描述可以相互参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种电机试验变频电源系统，其特征在于，包括：两台四象限级联型变频器（1）、电机（2）和接触器（KM3），所述两台四象限级联型变频器（1）分别拖动一台所述电机（2）工作或同时拖动两台刚性共轴联接的电机（2）进行对拖试验；当所述的两台四象限级联型变频器（1）独立运行时，所述接触器（KM3）断开，分别完成不同电压等级的电机（2）试验；当所述的两台四象限级联型变频器（1）独立运行，所述接触器（KM3）断开，所述的两台电机（2）刚性共轴联接时，完成不同电压等级的电机（2）对拖试验；当所述两台四象限级联型变频器（1）并联运行时，所述接触器（KM3）闭合，完成更高容量等级的电机（2）试验。

2.根据权利要求1所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：当所述接触器（KM3）断开，两台四象限级联型变频器（1）独立运行时，完成最大2500KVA容量，不同电压等级电机（2）包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验；当所述接触器（KM3）断开，两台电机（2）刚性共轴联接时，进行最大2500kVA容量，不同电压等级电机（2）包括对拖温升试验、负载特性测试在内的相关试验；当两台四象限级联型变频器（1）并联运行时，所述接触器（KM3）闭合，完成最大5000KVA容量，不同电压等级电机（2）包括空载特性试验、叠频温升试验在内的相关试验。

3.根据权利要求1或2所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述四象限级联型变频器（1）进一步包括移相变压器（3）、高压充电电路（6）、变频模块（4）和接触器组合，所述高压充电电路（6）与移相变压器（3）相连，所述变频模块（4）与移相变压器（3）相连，所述接触器组合与变频模块（4）相连；所述变频模块（4）的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链（5），n≥1，所述基础变流链（5）包括功率单元（7）和均流电抗器（L）；三相电压经过所述高压充电电路（6）进入移相变压器（3），经过所述移相变压器（3）降压后为所述变频模块（4）的功率单元（7）供电，所述功率单元（7）经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合中各接触器的开关状态改变每个基础变流链（5）的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出。

4.根据权利要求3所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：10KV电网输入三相电压，经过所述高压充电电路（6）进入所述移相变压器（3），经过所述移相变压器（3）降压后为所述功率单元（7）供电；所述功率单元（7）经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压；所述基础变流链（5）包括三个功率单元（7）和一个均流电抗器（L），所述功率单元（7）与所述均流电抗器（L）相互串联；所述四象限级联型变频器（1）的每相包括4个基础变流链（5），通过改变接触器组合中各接触器的开关状态改变每个基础变流链（5）的串、并联方式，实现最大分别为3.45KV、6.9KV、13.8KV三个电压等级额定容量的输出。

5.根据权利要求3所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述功率单元（7）进一步包括三相PWM整流器（8）、中间直流环节（9）和H桥逆变器（10）；所述功率单元（7）由所述移相变压器（3）的副边绕组供电，所述移相变压器（3）副边绕组的三相交流可调电压经过所述功率单元（7）的三相PWM整流器（8）整流成直流电压；直流电压经过中间直流环节（9）的滤波电容滤波后形成稳定的直流母线电压输出至H桥逆变器（10）；所述H桥逆变器（10）将直流母线电压逆变成变压变频的交流电压输出。

6.根据权利要求5所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述电机试验变频电源系统还包括三相PWM整流器控制模块，所述三相PWM整流器控制模块进一步包括电压外环控制环节和电流内环控制环节；所述电压外环控制环节根据直流母线电压的实测值与直流母线电压给定值进行比较，形成电压闭环控制，输出三相输入电流的给定幅值，进一步得到三相输入交流电流的给定值；所述电流内环控制环节通过三相输入交流电流的实测值与三相输入交流电流的给定值进行比较，形成电流闭环控制，输出所述三相PWM整流器（8）的开关器件驱动控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述电压外环控制环节进一步包括第一采样滤波单元（11）、PI调节单元（12）、第二采样滤波单元（13）、锁相环单元（14）和乘法单元（15）；所述第一采样滤波单元（11）采集直流母线电压Udc并输出至所述PI调节单元（12）；所述直流母线电压Udc与直流母线电压给定值Udc*在所述PI调节单元（12）中进行比较和PI调节后，输出三相输入电流的给定幅值I；所述第二采样滤波单元（13）采集三相输入电压的瞬时值，经过所述锁相环单元（14）获得与交流输入电压相位相同的三相标准正弦波；所述三相标准正弦波与三相输入电流的给定幅值I在所述乘法单元（15）中相乘，得到三相输入交流电流的给定值iN*。

8.根据权利要求7所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述电流内环控制环节进一步包括第三采样滤波单元（16）、采样保持单元（17）和电流滞环控制单元（18）；所述第三采样滤波单元（16）采集三相输入电流信号iN；所述三相输入电流信号iN与三相输入电流的给定值iN*比较得到差值信号iN*-iN；所述差值信号iN*-iN经过所述采样保持单元（17），进入所述电流滞环控制单元（18）得到PWM触发信号，作为所述三相PWM整流器（8）的开关器件驱动控制信号。

9.根据权利要求6-8中任一权利要求所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述电机试验变频电源系统还包括H桥逆变器控制模块，所述H桥逆变器控制模块包括电流控制器（19）、均流控制器（20）、空间矢量脉宽调制单元（21）和均分单元（22）；给定电机电流信号im*与实际电机电流信号im比较后经过所述电流控制器（19）产生电压参考信号；各H桥逆变器（10）输出电流经过所述均分单元（22）求取平均值后得到所述H桥逆变器（10）电流平均值信号作为电流参考信号；各H桥逆变器（10）输出电流与所述电流参考信号相比较后作为环流信号，送入所述均流控制器（20）产生调节电压信号，所述调节电压信号与所述电压参考信号比较后经过所述空间矢量脉宽调制单元（21）处理，作为各H桥逆变器（10）的控制电压。

10.根据权利要求9所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述电流控制器（19）和所述空间矢量脉宽调制单元（21）组成并联逆变器输出电压控制环节，所述并联逆变器输出电压控制环节还进一步包括第四采样滤波单元（23）和同步控制单元（25）；所述第四采样滤波单元（23）采集电机（2）电流信号im；所述电机（2）电流信号im与给定电机（2）电流信号im*比较后产生差值信号im*-im输出至所述电流控制器（19）得到电压参考信号；所述电压参考信号经过所述同步控制单元（25）与所述均流控制器（20）产生的调整电压信号比较后输出至所述空间矢量脉宽调制单元（21）得到所述H桥逆变器（10）各开关器件的驱动控制信号。

11.根据权利要求10所述的一种电机试验变频电源系统，其特征在于：所述均流控制器（20）和所述均分单元（22）组成并联逆变器环流控制环节，所述并联逆变器环流控制环节还进一步包括第五采样滤波单元（24）；所述第五采样滤波单元（24）采集所述H桥逆变器（10）的输出电流，经所述均分单元（22）求取平均值后得到所述H桥逆变器（10）的输出电流平均值作为电流参考信号；各H桥逆变器（10）的输出电流信号与电流参考信号比较后得到环流信号；所述环流信号输出至所述均流控制器（20）产生调整电压信号。

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