CN106501691B - 便携式高压变频器功率单元综合检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及便携式高压变频器功率单元综合检测装置，可有效解决级联式高压变频器功率单元的整流二极管、直流支撑电容、IGBT进行耐压试验的问题，技术方案是，该检测装置包括壳体和装在壳体内的断路器、电抗器和DSP主控板，壳体上分别设置有触摸屏HMI、控制按钮、驱动脉冲输出端口、待测功率单元直流侧电压输入端口、待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端、仪器输出接口和仪器电源输入接口，本发明利用高压变频器功率单元输出级自带的H桥，将220V市电变换为1‑5kV的直流电，简单可靠，成本低、体积小。针对级联式高压变频器功率单元的整流二极管、直流支撑电容、IGBT等关键器件的耐压性能及动态性能的考察，使用方便，效果好。
Description
技术领域
本发明涉及高压变频器功率单元综合检测，特别是针对级联式高压变频器功率单元的整流二极管、直流支撑电容、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等关键器件的耐压性能及动态性能的考察等，也可实现对风电变流器进行相关试验。
背景技术
目前，基于节能减排及工艺的考虑，高压变频器广泛应用电力、冶金、石化等行业。高压变频器的可靠性在电力等行业的生产过程中起着关键的作用，但是针对高压变频器缺乏行之有效的预防性试验手段。经常的做法是常规的定期维护，这样不能及时发现高压变频器的早期故障，往往是等变频器故障停机后，再由厂家来进行维修。因此，其改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种便携式高压变频器功率单元综合检测装置，可有效解决级联式高压变频器功率单元的整流二极管、直流支撑电容、IGBT等关键器件进行耐压试验；测试直流支撑电容的泄露电流；在线动态改变开关频率考察IGBT器件的开通关断动态特性，有效的发现高压变频器开关器件的早期问题以及功率单元的绝缘问题。
本发明解决的技术方案是，一种便携式高压变频器功率单元综合检测装置，该检测装置包括壳体和装在壳体内的断路器、电抗器和DSP主控板，壳体上分别设置有触摸屏HMI、控制按钮、驱动脉冲输出端口、待测功率单元直流侧电压输入端口、待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端、仪器输出接口和仪器电源输入接口；
所述的触摸屏HMI与DSP主控板相连，用于人机交互设置耐压电压数值、显示交流输入电压、交流输入电流、直流泄露电流参数以及报警显示；
所述的控制按钮的输出端与DSP主控板的输入端相连，用于控制仪器的工作状态；
所述的驱动脉冲输出端口的输入端与DSP主控板的输出端相连，用于驱动待检测的高压变频器功率单元输出级IGBT；
所述的待测功率单元直流侧电压输入端口的输出端与DSP主控板的输入端相连，用于输入待检测功率单元直流侧电压信号；
所述的待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端的输出端与DSP主控板的输入端相连，用于输入待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号；
所述的仪器电源输入接口的输出端与DSP主控板的电源输入端相连，用于连接220V交流电源；
所述的仪器输出接口有2个，其中一个与断路器的一端相连，另一个与仪器电源输入接口的零线接口相连，断路器的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与仪器电源输入接口的相线接口相连。
本发明结构新颖独特，利用高压变频器功率单元输出级自带的H桥，将220V市电变换为1-5kV的直流电，简单可靠，成本低、体积小。针对级联式高压变频器功率单元的整流二极管、直流支撑电容、IGBT等关键器件的耐压性能及动态性能的考察，可有效的发现高压变频器开关器件的早期问题以及功率单元的绝缘问题，使用方便，效果好，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图（壳体局部剖开）。
图2为本发明使用状态的电路原理图。
图3为本发明控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-3给出，本发明包括壳体和装在壳体内的断路器1、电抗器4和DSP主控板5，壳体上分别设置有触摸屏HMI 3、控制按钮6、驱动脉冲输出端口7、待测功率单元直流侧电压输入端口8、待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端9、仪器输出接口10和仪器电源输入接口11；
所述的触摸屏HMI3与DSP主控板5相连，用于人机交互设置耐压电压数值、显示交流输入电压、交流输入电流、直流泄露电流参数以及报警显示；
所述的控制按钮6的输出端与DSP主控板5的输入端相连，用于控制仪器的工作状态；
所述的驱动脉冲输出端口7的输入端与DSP主控板5的输出端相连，用于驱动待检测的高压变频器功率单元输出级IGBT；
所述的待测功率单元直流侧电压输入端口8的输出端与DSP主控板5的输入端相连，用于输入待检测功率单元直流侧电压信号；
所述的待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端9的输出端与DSP主控板5的输入端相连，用于输入待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号；
所述的仪器电源输入接口11的输出端与DSP主控板5的电源输入端相连，用于连接220V交流电源；
所述的仪器输出接口10有2个，其中一个与断路器1的一端相连，另一个与仪器电源输入接口11的零线接口相连，断路器1的另一端与电抗器4的一端相连，电抗器4的另一端与仪器电源输入接口11的相线接口相连。
为保证使用效果，所述的壳体上设置有与DSP主控板5的输入端相连的通信接口12，用于扩展功能；
所述的壳体为方形或圆形；
所述的DSP主控板包括电源模块（将220V交流电变换为±15V、+5V控制电源供给整个DSP主控板用）、模数采样模块、驱动PWM信号生成模块、通信模块、霍尔电压模块、霍尔电流模块等；该DSP主控板为市售产品（现有技术），如可以采用TI公司生产的型号为DSP28335的芯片等；
所述的检测装置与高压变频器功率单元相连，高压变频器功率单元包括整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电容C1、C2和绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4；
整流二极管D1的负极分别接整流二极管D3的负极、整流二极管D5的负极、电容C1的一端和绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极，整流二极管D1的正极接整流二极管D4的负极，整流二极管D3的正极接整流二极管D6的负极，整流二极管D5的正极接整流二极管D2的负极，整流二极管D4的正极分别接整流二极管D6的正极、整流二极管D2的正极、电容C2的一端和绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极，电容C1的另一端接电容C2的另一端；整流二极管D1和整流二极管D4的共端A、整流二极管D3和整流二极管D6的共端B、整流二极管D5和整流二极管D2的共端C作为功率单元的三个输入端；
绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极与绝缘栅双极型晶体管VT3的集电极相连，发射极与绝缘栅双极型晶体管VT2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极与绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极相连，绝缘栅双极型晶体管VT4的集电极与绝缘栅双极型晶体管VT3的发射极相连，构成高压变频器功率单元输出级IGBT H桥；
绝缘栅双极型晶体管VT1发射极和绝缘栅双极型晶体管VT2集电极的共端作为高压变频器功率单元的一个输出端，该输出端通过电缆l9与断路器KM（即断路器1）的一端相连，断路器KM的另一端与电抗器L（即电抗器4）的一端相连，电抗器L的另一端接220V交流电的相线L，绝缘栅双极型晶体管VT3发射极和绝缘栅双极型晶体管VT4集电极的共端作为高压变频器功率单元的另一个输出端，该输出端通过电缆l10接220V交流电的零线N；
DSP主控板5的脉冲输出端口分别经信号线l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8与IGBT绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3和VT4的栅极、发射极相连；
分别控制待测功率单元输出级H桥的绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4的导通与关断，从而将220V交流电变换为1-5kV的直流电，利用高压变频器功率单元输出级的H桥即可将220V市电整流升至1kV-5kV的平稳直流电，从而考察高压变频器功率单元直流母线上的整流二极管、支撑电容以及IGBT绝缘栅双极型晶体管的耐压情况；通过检测直流侧的电容电流即可检测支撑电容的性能；通过改变开关频率即可考察IGBT绝缘栅双极型晶体管开关器件的动态性能。
仪器输出接口10通过电缆l9、l10连接至待检测高压变频器功率单元的输出端；利用两根5kV耐压电缆l13、l14连接至待测功率单元直流侧电压输入端口8测量待测功率单元的直流侧电压UC；利用霍尔电流钳接线l11、l12分别连接至待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端9测量直流侧电流id及电容的泄漏电流iC；仪器驱动脉冲输出端口7通过由l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8信号线组成的信号排线分别连接至待检测高压变频器功率单元输出级IGBT H桥的4值IGBT栅极和发射极，用于驱动IGBT的导通与关断；DSP主控板中的电压电流测量模块一共测量5路模拟量，包括所述的直流侧电容电压UC、直流侧电流id、直流侧电容泄漏电流iC，以及DSP主控板通过电缆l19、l20测得的交流220V电源电压US（利用位于DSP主控板上的霍尔电压模块）、通过霍尔电流钳接线l18测得的交流220V电源电流iS（利用位于DSP主控板上的霍尔电流模块）；通过人机交互的触摸屏HMI可以设置高压变频器功率单元直流侧电压给定值UC *，通过DSP主控板生成电流给定信号i*,然后将i*与测得的交流220V电源电流iS作差后生成电压调制信号，最后经过DSP主控板PWM载波调制生成高压变频器功率单元输出级IGBT绝缘栅双极型晶体管的驱动脉冲，控制IGBT绝缘栅双极型晶体管的导通关断从而将220V交流电变换为1-5kV的直流电，从而实现高压变频器功率单元直流母线上的整流二极管、直流支撑电容、IGBT绝缘栅双极型晶体管的不同耐压等级的考察；另外，通过人机交互的触摸屏HMI还可以改变载波频率从而改变IGBT绝缘栅双极型晶体管的开关频率，进而考察IGBT绝缘栅双极型晶体管的动态性能。
图3为本发明的控制原理图，如图所示该装置通过检测交流220V电源电压US，该装置通过检测高压变频器功率单元直流侧电容电压UC，然后将该测量值与由触摸屏HMI给定的直流侧电压UC *作差后送入DSP主控板上的电压外环PI控制器。电压外环PI控制的输出乘以与交流220V电源同相位的正弦信号生成电流给定信号i*。然后将i*与测得的交流220V电源电流iS作差后送入DSP主控板上的电流内环PI控制器生成电压调制信号。最后经过DSP主控板PWM载波调制生成高压变频器功率单元输出级的IGBT的驱动脉冲，控制IGBT的导通关断从而将220V交流电变换为1-5kV的直流电，进而考察高压变频器功率单元直流母线上的整流二极管、支撑电容以及IGBT的耐压性能。
其中，通过人机交互触摸屏HMI可以设置高压变频器功率单元直流侧电压给定值UC *，从而实现高压变频器功率单元整流二极管、直流支撑电容、IGBT等关键器件的不同耐压等级的考察；另外，通过人机交互触摸屏HMI还可以改变载波频率从而改变IGBT的开关频率，进而考察IGBT的动态性能。
综上所述，本发明装置可以利用高压变频器功率单元输出级的H桥可以将220V市电整流升至1kV-5kV的平稳直流电，从而考察高压变频器功率单元直流母线上的整流二极管、支撑电容以及IGBT的耐压情况及直流支撑电容的泄漏电流；通过改变载波频率从而改变IGBT的开关频率，进而考察IGBT的动态性能。体积小，重量轻，成本低，使用方便，有良好的社会和经济效益。
Claims (2)
1.一种便携式高压变频器功率单元综合检测装置，其特征在于，该检测装置包括壳体和装在壳体内的断路器(1)、电抗器(4)和DSP主控板(5)，壳体上分别设置有触摸屏HMI(3)、控制按钮(6)、驱动脉冲输出端口(7)、待测功率单元直流侧电压输入端口(8)、待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端(9)、仪器输出接口(10)和仪器电源输入接口(11)；
所述的触摸屏HMI(3)与DSP主控板(5)相连，用于人机交互设置耐压电压数值、显示交流输入电压、交流输入电流、直流泄露电流参数以及报警显示；
所述的控制按钮(6)的输出端与DSP主控板(5)的输入端相连，用于控制仪器的工作状态；
所述的驱动脉冲输出端口(7)的输入端与DSP主控板(5)的输出端相连，用于驱动待检测的高压变频器功率单元输出级IGBT；
所述的待测功率单元直流侧电压输入端口(8)的输出端与DSP主控板(5)的输入端相连，用于输入待检测功率单元直流侧电压信号；
所述的待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端(9)的输出端与DSP主控板(5)的输入端相连，用于输入待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号；
所述的仪器电源输入接口(11)的输出端与DSP主控板(5)的电源输入端相连，用于连接220V交流电源；
所述的仪器输出接口(10)有2个，其中一个与断路器(1)的一端相连，另一个与仪器电源输入接口(11)的零线接口相连，断路器(1)的另一端与电抗器(4)的一端相连，电抗器(4)的另一端与仪器电源输入接口(11)的相线接口相连；
所述的壳体上设置有与DSP主控板(5)的输入端相连的通信接口(12)，用于扩展功能；
所述的检测装置与高压变频器功率单元相连，高压变频器功率单元包括整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电容C1、C2和绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4；
整流二极管D1的负极分别接整流二极管D3的负极、整流二极管D5的负极、电容C1的一端和绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极，整流二极管D1的正极接整流二极管D4的负极，整流二极管D3的正极接整流二极管D6的负极，整流二极管D5的正极接整流二极管D2的负极，整流二极管D4的正极分别接整流二极管D6的正极、整流二极管D2的正极、电容C2的一端和绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极，电容C1的另一端接电容C2的另一端；
绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极与绝缘栅双极型晶体管VT3的集电极相连，发射极与绝缘栅双极型晶体管VT2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极与绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极相连，绝缘栅双极型晶体管VT4的集电极与绝缘栅双极型晶体管VT3的发射极相连，构成高压变频器功率单元输出级IGBT H桥；
绝缘栅双极型晶体管VT1发射极和绝缘栅双极型晶体管VT2集电极的共端作为高压变频器功率单元的一个输出端，该输出端与断路器KM(即断路器1)的一端相连，断路器KM的另一端与电抗器L(即电抗器4)的一端相连，电抗器L的另一端接220V交流电的相线L，绝缘栅双极型晶体管VT3发射极和绝缘栅双极型晶体管VT4集电极的共端作为高压变频器功率单元的另一个输出端，该输出端接220V交流电的零线N；
DSP主控板(5)的脉冲输出端口分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3和VT4的栅极、发射极相连；
分别控制待测功率单元输出级H桥的绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4的导通与关断，从而将220V交流电变换为1-5kV的直流电，利用高压变频器功率单元输出级的H桥即可将220V市电整流升至1kV-5kV的平稳直流电，从而考察高压变频器功率单元直流母线上的整流二极管、支撑电容以及IGBT绝缘栅双极型晶体管的耐压情况；通过检测直流侧的电容电流即可检测支撑电容的性能；通过改变开关频率即可考察IGBT绝缘栅双极型晶体管开关器件的动态性能；
仪器输出接口(10)通过电缆l9、l10连接至待检测高压变频器功率单元的输出端；利用两根5kV耐压电缆l13、l14连接至待测功率单元直流侧电压输入端口(8)测量待测功率单元的直流侧电压UC；利用霍尔电流钳接线l11、l12分别连接至待测功率单元直流侧电流及泄漏电流信号输入端(9)测量直流侧电流id及电容的泄漏电流iC；仪器驱动脉冲输出端口(7)通过由l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8信号线组成的信号排线分别连接至待检测高压变频器功率单元输出级IGBT H桥的4值IGBT栅极和发射极，用于驱动IGBT的导通与关断；DSP主控板中的电压电流测量模块一共测量5路模拟量，包括所述的直流侧电容电压UC、直流侧电流id、直流侧电容泄漏电流iC，以及DSP主控板通过电缆l19、l20测得的交流220V电源电压US、通过霍尔电流钳接线l18测得的交流220V电源电流iS；通过人机交互的触摸屏HMI可以设置高压变频器功率单元直流侧电压给定值UC *，通过DSP主控板生成电流给定信号i*,然后将i*与测得的交流220V电源电流iS作差后生成电压调制信号，最后经过DSP主控板PWM载波调制生成高压变频器功率单元输出级IGBT绝缘栅双极型晶体管的驱动脉冲，控制IGBT绝缘栅双极型晶体管的导通关断从而将220V交流电变换为1-5kV的直流电，从而实现高压变频器功率单元直流母线上的整流二极管、直流支撑电容、IGBT绝缘栅双极型晶体管的不同耐压等级的考察；另外，通过人机交互的触摸屏HMI还可以改变载波频率从而改变IGBT绝缘栅双极型晶体管的开关频率，进而考察IGBT绝缘栅双极型晶体管的动态性能。
2.根据权利要求1所述的便携式高压变频器功率单元综合检测装置，其特征在于，所述的壳体为方形或圆形。
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2016
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