CN106199242A - 一种牵引变流器试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引变流器试验系统，包括电源单元、牵引变流器和负载单元，电源单元连接至牵引变流器的中间直流输入端，负载单元连接至牵引变流器的两个逆变交流输出端；其中负载单元均为感性负载。本发明的试验方法包括S01、电源单元向牵引变流器的中间直流输入端输入额定的直流电压，选择合适的感抗组合的负载单元，并调节牵引变流器输出端交流电压的基波频率，使牵引变流器的逆变输出处于额定电压和电流工况下；S02、维持额定工况预设时间，同时对牵引变流器中各参数进行监测，并作为功率考核的依据。本发明的系统及方法均具有节能效果好、成本低以及试验效率高等优点。

Description

一种牵引变流器试验系统及方法

技术领域

本发明主要涉及电传动特种车技术领域，特指一种牵引变流器试验系统及方法。

背景技术

电力变流器是一种基于功率半导体的电力设备，通过控制电力半导体器件的通断来改变电压、电流、频率和(或)电源相数中一个或几个参数的电能控制设备。把工频交流电或直流电变换成各种频率的交流电源进行输出，以实现对电机变速运行的控制，其中控制系统完成对主电路的变流控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平波和滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。

随着我国变流技术的飞速发展，变流器在高压输电、工业变传动、电力牵引等领域的应用普及率已经越来越广；其种类越来越多，功率也越来越大，目前行业中兆瓦级的变流器已经很常见。变流器出厂例行功率考核分为电流功率考核和电压功率考核两项内容。电流功率考核主要是对变流器的主电路通一定时间的大电流(一般是额定电流)，用以验证变流器(特别是大功率变流器)在通以大电流工作情况下的电能输出是否稳定以及温升情况是否稳定。电压功率考核主要是对变流器的主电路通一定时间的高电压(一般是额定电压)，用以验证变流器(特别是大功率变流器)在通以高电压工作情况下变流器各功率部件的耐受电压能力，以及产品内部各部件间的电气绝缘性能等。

为了确保产品出厂后质量和性能的稳定，一般都需要对变流器进行一定时间的电流和电压功率考核测试；而市场上针对变流器的例行功率考核测试系统的搭建方式和考核方法却不尽相同。究其根源，很大一部分原因是由于变流器功率考核测试耗电功率大(有的甚至与变流器的额定功率等大)，如果采用阻感负载作为大功率考核负载(有的甚至是满功率考核)，其发热量和电能的浪费可想而知；如果采用背靠背电机对拖回馈负载考核系统，其搭建和维护成本也是相当的昂贵。

目前行业中通用的背靠背对拖电机负载例行功率考核试验系统存在的主要问题是：

(1)试验系统的搭建成本高：大功率的考核，势必需要大功率电源进行供电，以及大功率并网回馈负载系统(包括电动机、发电机、并网变流器、并网变压器等)，整个试验系统的搭建成本非常的高(比如一套普通的背靠背电机对拖回馈1MVA试验系统，其搭建成本大概需要300万左右)；

(2)对电网的干扰大：由于是满功率考核，对电网的干扰也相对较大，同时，电能回馈电网，也会给电网的电能质量带来一定的影响；所以有时需要对电网进行电能治理，这样也导致了附加成本的增加。

(3)通用性差：不同功率或电压等级的变流器需要配不同的对拖电机负载；

(4)检修和保养复杂：复杂的系统，必然给检修和保养提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、节能效果好的牵引变流器试验系统，并提供一种操作简便、试验效率高的牵引变流器试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种牵引变流器试验系统，包括电源单元、牵引变流器和负载单元，所述电源单元连接至牵引变流器的中间直流输入端，所述负载单元连接至牵引变流器的两个逆变交流输出端；其中所述负载单元均为感性负载。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述负载单元均包括开关组件以及多个电感组件，各电感组件通过开关组件相连用于实现各电感组件的串并联。

本发明还公开了一种基于如上所述的牵引变流器试验系统的试验方法，包括以下步骤：

S01、所述电源单元向牵引变流器的中间直流输入端输入额定的直流电压，选择合适的感抗组合的负载单元，并调节牵引变流器输出端交流电压的基波频率，使牵引变流器的两个逆变输出处于额定电压和电流工况下；

S02、维持额定工况预设时间，同时对牵引变流器中各参数进行监测，并作为功率考核的依据。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S01中，在选择合适的感抗组合的负载单元的条件下，通过PWM或PAM方式控制牵引变流器中电力电子功率器件的开通和关断，使逆变输出端产生可变频变压的交流电进行输出，再通过调节逆变输出端交流电压的基波，使牵引变流器的两个逆变交流输出处于额定电压和电流工况下。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的牵引变流器试验系统，其负载单元采用电感作为考核负载，系统基本上工作在无功功率工况下，消耗的电网输入有效功率相对就很低，约是常规功率考核耗能的1/10左右；由于系统容量需求的下降，极大的降低了试验电源系统的成本，而且容量降低，系统的体积自然会下降，能够节约不少试验空间。

本发明的牵引变流器试验方法，采用了无功功率考核模式，考核过程中对电网电能的消耗很小，故在变流器性能允许的情况下可以将电流适当的做大(常规试验方法由于耗能大，受制于试验电源容量有限的影响，一般电流都不会做的很大)，这样也就在同样的考核时间内还提高了考核等级，这也就可以做到同等考核要求的情况下节约出一部分的考核时间，提高了试验效率；相对于常规的低压大电流和高压小电流功率考核试验方案，本试验方法减少了试验项目(由原来的2项减少到现在的1项)，由串联考核模式转变为并联考核模式，一步实现变流器额定电压电流工况下的考核，显著提高了试验效率；且在变流器额定电压电流工况下的考核还提高了产品出厂性能考核的覆盖率，在确保产品出厂质量方面也成效明显。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构示意图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为本发明中的电源单元的电路原理图。

图4为本发明中整流电路的电路原理图。

图5为本发明中负载单元的电路原理图。

图中标号表示：1、电源单元；2、牵引变流器；3、负载单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图5所示，本实施例的牵引变流器试验系统，包括电源单元1、牵引变流器2和负载单元3，所述电源单元1连接至牵引变流器2的中间直流输入端，所述负载单元3连接至牵引变流器2的两个逆变交流输出端；其中所述负载单元3均为感性负载。本发明的牵引变流器试验系统，其负载单元3采用电感作为考核负载，系统基本上工作在无功功率工况下，消耗的电网输入有效功率相对就很低，约是常规功率考核耗能的1/10左右；由于系统容量需求的下降，极大的降低了试验电源系统的成本，而且容量降低，系统的体积自然会下降，能够节约不少试验空间。

如图2和图5所示，本实施例中，负载单元3包括开关组件以及两套三相电感负载，开关组件与两套三相电感负载相连用于实现各电感组件的串并联，具体通过开关组件中KM1、KM2、KM3、KM4和KM5的开关逻辑控制，实现两组独立三相电感负载的串并联组合，如图3可达到三相电感负载功率参数的0.5mH(900A)/1.0mH(450A)/2.0mH(450A)三档切换。

如图2至图4所示，本实施例中，电源单元1包括整流电源(D3)，整流方式为六脉波三相桥式不可逆可控硅整流，额定输入为3AC380V，额定输出DC20～1200V连续可调。

本实施例中，试验系统从电网引入交流电，经过整流电源后整流为DC40V～1200V直流电压，为被试品提供可调直流电压；被试品将直流电压逆变输出两路三相交流电压至电感负载处，两套电感负载可独立使用，也可串并联切换使用，通过选择不同连接方式来模拟不同的工况。具体为：电网电源(3AC380V/250KVA)经整流电源输入输出柜(D1)向整流电源(D3)供电，整流电源(D3)整流输出后的直流电(DC20～1200V连续可调)经接线柜(J1)连接到被试变流器(DUT)并为其供电，被试变流器(DUT)经接线柜(J1)连接到负载串并联切换柜使其与电感负载(L)联通。另外，试验系统还包括测试单元和辅助电源单元，其中测试单元测试牵引变流器2的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流等参数并进行适时显示，计算出被试品的输入功率、输出功率及效率，同时还可以实时保存和打印测试结果、试验数据及波形，为被试品的出厂验证提供判据。辅助电源单元主要为被试器、整流柜风道各风机和水冷系统提供动力电源和保护，并为控制系统提供控制电源，以保证试验系统的正常运行，其主要由辅助配电(AC220V/AC380V)、DC24V电源和UPS电源等组成。

本发明还公开了一种基于如上所述牵引变流器试验系统的试验方法，适用于变流模块采用能量可双向传输的PWM变流方式变流器(如变流器件采用IGBT的四象限桥式整流方式)的出厂例行试验功率考核；根据变流器的工作特性和出厂例行试验功率考核要求，进行功率考核试验，具体包括以下步骤：

S01、电源单元1向牵引变流器2的中间直流输入端输入额定的直流电压，通过PWM(或PAM)方式控制变流器电力电子功率器件的开通和关断(使逆变输出端产生可变频变压的交流电进行输出)，合理调节逆变输出端交流电压的基波频率，使输出端负载工作在稳定的变流器额定电压和电流(一般控制在额定电流大小的1.1倍；当然，只要被试变流器性能允许，也可以将电流做的更大一些)工况下；

S02、负载电压电流导通稳定后，使被试变流器维持该工作状态一段时间(推荐为90分钟左右)。同时，考核过程中应注意监测被试变流器的输入电压、输入电流、输出电压和电流参数稳定无明显波动；电力电子变流器件、容性器件、感抗器件、阻抗器件等的耐受电压能力，以及产品内部各器件间的电气绝缘性能是否正常；电力电子变流器件、感抗器件、部件连接口等的电流特性，以及考核过程中温升情况的稳定性等作为被试变流器达到出厂功率考核要求的判据。

在试验过程中，变流器的输出达到了产品的额定电压和电流，但由于采用了微阻抗大电流电感作为考核负载，系统基本工作在无功功率工况下，所以消耗的电网输入有效功率相对就很低。以被试变流器的额定输出电压为3AC600V，额定输出电流为450A，试验过程中被试变流器的负载导通线电流I_L＝450A，输出有效线压降U_L＝600V，功率因数cosφ＝0.1为例：

被试变流器负载端有功功率：

$P=\sqrt{3}{U}_L\×I_L\×cos\mathrm{\φ}=1.732\×600\×450\×0.1=46.764KW;$

与常规功率考核相比，其有功功率大概是常规功率考核耗能的1/10。

本发明的牵引变流器试验方法，采用了无功功率考核模式，考核过程中对电网电能的消耗很小，故在变流器性能允许的情况下可以将电流适当的做大(常规试验方法由于耗能大，受制于试验电源容量有限的影响，一般电流都不会做的很大)，这样也就在同样的考核时间内还提高了考核等级，这也就可以做到同等考核要求的情况下节约出一部分的考核时间，提高了试验效率；相对于常规的低压大电流加高压小电流功率考核试验方案，本试验方法减少了试验项目(由原来的2项减少到现在的1项)，由串联考核模式转变为并联考核模式，一步实现变流器额定电压电流工况下的考核，显著提高了试验效率；且在变流器额定电压电流工况下的考核提高了产品出厂性能考核的覆盖率，在确保产品出厂质量方面也成效明显。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种牵引变流器试验系统，其特征在于，包括电源单元(1)、牵引变流器(2)和负载单元(3)，所述电源单元(1)连接至牵引变流器(2)的中间直流输入端，所述负载单元(3)连接至牵引变流器(2)的两个逆变交流输出端；其中所述负载单元(3)均为感性负载。

2.根据权利要求1所述的牵引变流器试验系统，其特征在于，所述负载单元(3)均包括开关组件以及多个电感组件，各电感组件通过开关组件相连用于实现各电感组件的串并联。

3.一种基于权利要求1或2所述的牵引变流器试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、所述电源单元(1)向牵引变流器(2)的中间直流输入端输入额定的直流电压，选择合适的感抗组合的负载单元(3)，并调节牵引变流器(2)输出端交流电压的基波频率，使牵引变流器(2)的两个逆变输出处于额定电压和电流工况下；

S02、维持额定工况预设时间，同时对牵引变流器(2)中各参数进行监测，并作为功率考核的依据。

4.根据权利要求3所述的牵引变流器试验系统的试验方法，其特征在于，在步骤S01中，在选择合适的感抗组合的负载单元(3)的条件下，通过PWM或PAM方式控制牵引变流器(2)中电力电子功率器件的开通和关断，使逆变输出端产生可变频变压的交流电进行输出，再通过调节逆变输出端交流电压的基波，使牵引变流器(2)的两个逆变交流输出处于额定电压和电流工况下。