CN117092440A - 一种功率单元测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电气设备领域，具体公开了一种功率单元测试装置，包括逻辑控制模块、信号采样模块、电源调制模块，所述逻辑控制模块通过人机交互模块实现与外界的信息沟通，所述逻辑控制模块连接有第一路光纤通讯端子和第二路光纤通讯端子，所述第一路光纤通讯端子和第二路光纤通讯端子用于与待测功率单元实现通讯连接；所述信号采样模块通讯连接至逻辑控制模块，用于采集待测功率单元运行状态；所述电源调制模块用于为待测功率单元提供电能。本装置的测试条件充分模拟设备现场运行工况，测试结果可靠程度更高。
Description
技术领域
本方案涉及到电气设备领域，具体涉及一种功率单元测试装置。
背景技术
SVG（Static Var Generator静态无功功率发生器）是一种用于补偿无功功率的电力电子设备。它通过产生与无功电流相反的电流来平衡电网中的无功功率，从而提高电力系统的功率因数和减少能源浪费。SVG级联式结构能够有效提高电压等级和容量，在实际应用中具有明显优势，但级联式结构单台设备通常具有大量功率单元，设备投入使用前需对每台功率单元进行功能测试，该过程给SVG设备的生产、调试带来大量重复性工作。
当前用于功率单元功能测试的模块测试仪，一般是通过调节调制波幅值的方式来改变驱动IGBT（Insulate-Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管）的PWM波脉宽，调制波幅值越大，生成PWM波脉宽越宽，驱动单元IGBT产生的输出电流越大，现有的测试方法是利用“复位”、“自检”、“开脉冲”、“升”、“降”等按键手动操作，实现测试流程及输出电流大小控制。
现有对SVG的测试装置自动化程度低，对操作人员经验要求高，不利于测试流程标准化；且一台测试设备同时仅能控制一个功率单元输出电流，测试效率不高；另外，现有的测试方案测试工况下，功率单元由测试设备输出直流电直接供电，这与实际工况下功率单元的整流输出端输出交流用作自身供电情况不同，故测试条件无法充分模拟设备现场运行工况，影响了测试结果可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种功率单元测试装置。
本发明解决上述技术问题的具体技术方案是：
一种功率单元测试装置，包括逻辑控制模块、信号采样模块、电源调制模块，所述逻辑控制模块通过人机交互模块实现与外界的信息沟通，所述逻辑控制模块连接有第一路光纤通讯端子和第二路光纤通讯端子，所述第一路光纤通讯端子和第二路光纤通讯端子用于与待测功率单元实现通讯连接，传输待测功率单元的输出电压和温度；所述信号采样模块通讯连接至逻辑控制模块，用于采集待测功率单元的输出电流；所述电源调制模块用于为待测功率单元提供电能。
进一步地，所述电源调制模块包括串联在一起的预充电阻、变压器、整流桥，所述预充电阻两端并联有旁路接触器，所述旁路接触器的开关受所述逻辑控制模块控制。
进一步地，所述信号采样模块包括串联在一起的霍尔传感器和A/D采样模块，所述A/D采样模块通讯连接所述逻辑控制模块，所述霍尔传感器用于感知待测功率单元的运行参数。
进一步地，所述电源调制模块的输出端输出可调电压值的直流电；
进一步地，所述功率单元测试装置进行单机输出测试模式的连接方式如下：
所述电源调制模块的输出端连接第一待测功率单元的输入端，第一待测功率单元的输出侧左、第二桥臂间连接电抗负载，第一待测功率单元的等效交流输出电压作用在负载两端，产生输出电流，通过调节输出电压的幅值控制输出电流的大小；
进一步地，所述功率单元测试装置进行双机对拷输出测试模式的连接方法如下：
所述电源调制模块的输出端连接第一待测功率单元的输入端，第一待测功率单元交流输出端第一桥臂经电抗负载连接第二待测功率单元的交流输出端第一桥臂，第一待测功率单元交流输出端第二桥臂经电缆直接连接第二待测功率单元的交流输出端第二桥臂；即电抗负载两端分别连接第一待测功率单元和第二待测功率单元的第一桥臂，第一待测功率单元和第二待测功率单元第二桥臂通过线缆直接连接，两功率单元输出电压同时作用于电抗两端，调节两侧输出电压相位差，即在电抗两端产生幅值可调的等效交流电压，从而控制输出电流幅值，使两台功率单元运行在额定输出状态，该方式与整机运行情况下功率单元均为整流交流侧电压实现自身供电，功率单元在该供电方式下运行状态更接近整机运行工况；
进一步地，所述功率单元测试装置进行双机对拷输出测试模式时，供给第一待测功率单元的第一PWM信号与供给第二待测功率单元的第二PWM信号之间存在相位差，第二PWM是用第一路PWM波延时获得。
进一步地，所述逻辑控制模块为FPGA。
本方案相对于现有技术实现功率单元拷机测试流程自动控制、两台功率单元同时输出、利用输出电压相位差实现对输出电流幅值控制等功能。
在两台功率单元对拷测试时，第一待测功率单元由测试设备输出直流直接供电，第二待测功率单元通过内部的H桥整流输出端交流电压实现自身电容供电，测试条件充分模拟设备现场运行工况，测试结果可靠程度更高。
附图说明
图1为本发明的功率单元测试装置组成结构示意图；
图2为本发明的功率单元测试装置双机对拷输出测试模式时的系统一次图；
图3为本发明的功率单元测试装置中单机输出测试模式的接线图；
图4为本发明的功率单元测试装置中双机对拷输出测试模式的接线图。
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
1、测试装置电源；2、预充电阻；3、旁路接触器；4、三相交流升压变压器；5、整流桥；6、USB接口；7、组态屏；8、逻辑控制模块；9、A/D转化模块；10、光纤；11、霍尔传感器；12、第一待测功率单元；13、电抗器；14、第二待测功率单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本例中，待测功能模块包括直流输入端和交流输出端，交流输出端有两个桥臂，可称之为第一桥臂和第二桥臂，也可称为左桥臂和右桥臂，显然，左桥臂既可以指代第一桥臂，也可以指代第二桥臂，所谓“左”“右”“第一”“第二”只是用于指代不同的位置而已。
如图1所示，图中
测试装置电源1，本例中使用三相380V交流电源，图2中A、B、C分别代表三相交流电源的其中一相。
预充电阻2是用于减少单元预充电电流，降低待测功率单元受电流冲击损坏的风险。
旁路接触器3是在预充电完成后闭合，短路预充电阻2，避免预充电阻2长时间带电发热。
三相交流升压变压器4，输入380V AC，输出690V AC。
整流桥5，将输入690V交流电压整流为950V直流作为第一待测功率单元供电电源。
利用USB接口6可将组态屏7内存储的电流波形及参数数据导出用于复盘分析并存档。
组态屏7用于参数设置及状态显示，组态屏与逻辑控制模块8间采用485串行通讯。
逻辑控制模块8，本例中使用FPGA(Field Programmable Gate Array, 现场可编程逻辑门阵列)，用于实现自动控制逻辑，为功率单元拷机测试装置核心控制器件。
A/D转化模块9将模拟输入量转换为数字量，用于逻辑控制模块8的读取、使用。
光纤10是用于实现通讯的，每台功率单元与测试装置间通过一对光纤连接，实现控制器与功率单元间串行通讯，传输控制信号及单元状态信息。
霍尔传感器11用于采样线路中的电流，将电流等比例转换为模拟电压信号。
第一待测功率单元12，是待测的功率单元，其通过测试装置的直流电源供电。
电抗器13是模拟实际应用场合下电网中其他负载，待测功率单元输出的电压SPWM波加在其两端作用效果基本等效为正弦电压。
第二待测功率单元14，也是待测的功率单元，如图4所示，在双机对拷输出测试模式下，第二待测功率单元14不接功率单元测试装置的直流电压源，而是通过内部的整流桥整流第一待测功率单元输出的交流电实现自身电容的充电。
图2中第一待测功率单元12、第二待测功率单元14内的L1是指功率单元的第一桥臂，L2是指功率单元的第二桥臂。
功率单元的输出基本原理如下：功率单元测试装置根据待测功率单元目标电流计算出待测功率单元理论上的输出电压幅值、相位、频率等波形信息生成调制波，将调制波与载波进行比较，调制波大于载波时输出1，调制波小于载波时输出0，由此生成PWM波，PWM波取反后作为功率单元内的IGBT的驱动信号，利用IGBT开关逆变电容电压，输出电压SPWM波，电压SPWM波作用在电抗器13两端与调制波波形基本等效。
功率单元拷机测试即利用该原理，使功率单元输出可控的电压，模拟其在实际运行中的工况，达到测试功率单元可靠性的目的。
双机对拷输出测试模式下，两功率单元分别输出等效幅值相等、相位不同的电压，两电压之差作用在电抗两端，控制两电压相位差即可在电抗两端产生幅值可控的电压，模拟功率单元的输出。
该功率单元测试装置同时具备一单元输出测试、两单元对拷输出测试功能：一单元输出测试又称单机输出测试模式，两单元对拷输出测试又称双机对拷输出测试模式。
如图3所示，其为单机输出测试模式的接线图，在这种输出测试模式下，采用该功率单元测试装置的电压调制模块输出的直流电源为第一待测功率单元12供电，第一待测功率单元12交流输出侧第一桥臂和第二桥臂间连接电抗器13，第一待测功率单元12等效交流输出电压作用在电抗器13两端，产生输出电流，输出电流的大小通过霍尔传感器11测得，并传送给逻辑控制模块8，第一待测功率单元12的输出电压、温度等参数则通过光纤10通讯传输给逻辑控制模块8，逻辑控制模块8通过调节SPWM波来调整输出电压幅值，进而调节功率单元在电抗器13上输出的电流，测试其工作工况情况；
如图4所示，两单元对拷测试输出模式下，第一待测功率单元12通过该功率单元测试装置的电压调制模块输出的直流电供电，第二待测功率单元14无直流供电，通过整流第一待测功率单元12交流侧输出的电压供电，电抗器13两端分别连接第一待测功率单元12、第二待测功率单元14的第一桥臂，两单元的第二桥臂通过线缆直接连接，由此，两功率单元输出的电压同时作用于电抗两端，通过调节电抗器13两侧电压的相位差，即在电抗器13两端产生幅值可调的等效交流电压，从而控制输出电流幅值，使两台功率单元均运行在额定输出状态，该供电方式与待测功率单元在实际电网中运行情况下工况更为相似，因为此时第二待测功率单元14是整流第一待测功率单元12输出的交流电为自身电容供电，第二待测功率单元14在该供电方式下运行状态更接近整机运行工况，测得的结果更接近实际应用中的情况。
双机对拷输出模式下，两待测功率单元交流侧输出电压幅值相等，两电压间相位差与作用在电抗两端的等效电压幅值成正比例，调节该相位差，可实现对两单元输出电流幅值控制。该相位差有多种生成方案，此处列举两种方式：
第一种方法：控制系统内存储离散正弦波数据x_1 [n]=Asin(2π/512 n)，其中A为系数，0≤n＜512，0≤i＜256，作为第一待测功率单元12的调制波，基于x_1,生成另一离散正弦波数据x_2 [n+i]=Asin[2π/512(n+i)]，作为第二待测功率单元14的调制波，两路调制波幅值相同，相位差为2π/512 i，通过调节i，可实现对两路调制波相位差的调节，两调制波分别与同一载波信号比较后生成第一PWM波、第二PWM波，两PWM波分别生成第一IGBT驱动信号和第二IGBT驱动信号，并分别下发至第一待测功率单元12和第二待测功率单元14驱动其内的IGBT，即可控制两台功率单元输出不同相位的电压；
第二种方法：由于两待测功率单元的调制波幅值相等，因此两路PWM波占空比一致，仅需调节两路PWM波相位差，因此仅用一路调制波x[n]=Asin(2π/512 n)，与载波比较后生成第一PWM波信号，再对该第一PWM波信号通过fifo模块（first-in-first-out 控制程序中一个先进先出的功能模块，可寄存输入数据，延时后按输入顺序读取，通过控制读取数据的延时时间，实现寄存波形与读取波形间的相位差控制）进行延时生成第二PWM信号，延时时间t与造成相位差θ之间关系为 θ=2πt/0.2，第一PWM波、第二PWM波分别生成IGBT驱动信号后下发至两待测功率单元，驱动其IGBT运行，实现两台功率单元调制波相位差控制。
本例采用上述第二种方案，与第一中方案相比，该方案调制波与载波仅进行一次比较，占用硬件逻辑资源更少，可靠程度更高，且其减少了调制波生成、与载波比较等过程中引入的相位误差，两待测功率单元中的IGBT驱动信号相位差稳定可调、波形相似度更高，输出电压波形质量更好，另外由于逻辑控制模块8的核心芯片FPGA运算速度较快，因此利用延时产生的相位差精度高于第一种方案中产生的相位差的精度，对输出电流大小的控制精度也随之提升。
如图2所示，其为本装置双机对拷时的系统一次图，本测试装置采用FPGA作为控制芯片，所有流程控制、数据处理及保护逻辑均由FPGA实现，拷机电流实现自动化控制，一单元拷机测试流程如下：
S1利用线缆将电抗器接入第一待测功率单元输出左第二桥臂之间；
S2启动测试平台，闭合断路器QF、交流接触器KM1，启动控制回路，在组态屏上设置功率单元测试模式、额定电流、测试时长等信息；
S3闭合交流接触器KM5，对待测功率单元进行预充电；
S4检测到预充电压合格，闭合旁路接触器，旁路预充电阻，输入电压直接为待测功率单元供电；
S5控制待测功率单元自检，排除待测功率单元自身的故障；
S6控制待测功率单元开启脉冲输出功能，启动PWM输出，初始调制波幅值为0，逐渐增加调制波幅值比例，控制电流输出；
S7检测到输出电流符合设定额定电流标准，启动倒计时；
S8计时结束，逐渐降低调制波幅值比例，输出电流逐渐降低，直至降为0,随后关断待测功率单元的脉冲输出功能、断开交流接触器KM5、交流接触器KM1；
S9持续监测功率单元的电容电压降低过程，直至电压降为0后发出蜂鸣提示音；
S10断开功率单元输出侧线缆，测试结束。
上述流程除S1、S10外，均有FPGA程序自动控制，同时实时监测输出电流、保护电流及单元故障状态等信息，实现自动保护。
双机对拷输出测试模式模式作业流程如下：
SS1利用线缆将电抗器接入两台功率单元输出第一桥臂之间，用线缆将两台功率单元输出右侧桥臂直接相连；
SS2启动测试装置，闭合断路器QF、交流接触器KM1，启动控制回路，在组态屏上设置单元测试模式、额定电流、测试时长等信息；
SS3闭合交流接触器KM5，对第一待测功率单元进行预充电；
SS4检测第一待测功率单元的预充电压合格，闭合旁路接触器，旁路预充电阻，输入电压直接为第一待测功率单元供电；
SS5控制第一待测功率单元自检，排除第一待测功率单元自身故障；
SS6控制第一待测功率单元开脉冲功能，启动PWM输出，初始调制波幅值为0，逐渐增加调制波幅值比例，控制电流输出，逐渐为第二待测功率单元充电，第二待测功率单元的输出电压与第一待测功率单元输出调制波幅值成正比；
SS7检测第二待测功率单元电压，当第一待测功率单元输出调制波幅值达到100%，两单元电压接近，此时第二待测功率单元预充电完成；
SS8控制第二待测功率单元自检，排除第二待测功率单元自身的故障；
SS9控制第二待测功率单元开脉冲，启动PWM输出，初始调制波幅值为100%，此时两单元输出电压幅值相等、相位差为0，两单元电容电压均衡；
SS10控制第二待测功率单元调制波相位滞后，产生两单元输出电压相位差，初步提升输出电流；
SS11检测到输出电流符合设定额定电流标准，启动倒计时；
SS12计时结束，逐步缩小两待测功率单元的输出电压相位差，输出电流降低，直至降为0,后关断两待测功率单元的脉冲输出、断开交流接触器KM5、交流接触器KM1；
SS13两台待测功率单元的电容电压均降低，直至降为0后，发出蜂鸣提示音；
SS14断开待测功率单元输出侧的线缆，测试结束。
上述流程除SS1、SS14外，均有FPGA程序自动控制，同时实时监测输出电流、保护电流及单元故障状态等信息，实现自动保护。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种功率单元测试装置，其特征在于，包括逻辑控制模块、信号采样模块、电源调制模块，所述逻辑控制模块通过人机交互模块实现与外界的信息沟通，所述逻辑控制模块连接有第一路光纤通讯端子和第二路光纤通讯端子，所述第一路光纤通讯端子和第二路光纤通讯端子用于与待测功率单元实现通讯连接；所述信号采样模块通讯连接至逻辑控制模块，用于采集待测功率单元的输出电流；所述电源调制模块用于为待测功率单元提供电能。
2.根据权利要求1所述的功率单元测试装置，其特征在于，所述电源调制模块包括串联在一起的预充电阻、变压器、整流桥，所述预充电阻两端并联有旁路接触器，所述旁路接触器的开关受所述逻辑控制模块控制。
3.根据权利要求2所述的功率单元测试装置，其特征在于，所述信号采样模块包括串联在一起的霍尔传感器和A/D采样模块，所述A/D采样模块通讯连接所述逻辑控制模块，所述霍尔传感器用于感知待测功率单元的输出电流。
4.根据权利要求1-3任一项所述的功率单元测试装置，其特征在于，所述功率单元测试装置进行单机输出测试模式的连接方式如下：所述电源调制模块的输出端连接第一待测功率单元的输入端，第一待测功率单元的输出侧左第二桥臂间连接电抗负载，第一待测功率单元的等效交流输出电压作用在负载两端，产生输出电流，通过调节输出电压的幅值控制输出电流的大小。
5.根据权利要求1-3任一项所述的功率单元测试装置，其特征在于，所述功率单元测试装置进行双机对拷输出测试模式的连接方法如下：所述电源调制模块的输出端连接第一待测功率单元的直流输入端，第二待测功率单元的直流输入端悬空，第一待测功率单元交流输出端第一桥臂经电抗负载连接第二待测功率单元的交流输出端第一桥臂，第一待测功率单元交流输出端第二桥臂经电缆直接连接第二待测功率单元的交流输出端第二桥臂；即电抗负载两端分别连接第一待测功率单元和第二待测功率单元的第一桥臂，第一待测功率单元和第二待测功率单元第二桥臂通过线缆直接连接。
6.根据权利要求5所述的功率单元测试装置，其特征在于，所述功率单元测试装置进行双机对拷输出测试模式时，供给第一待测功率单元的第一PWM信号与供给第二待测功率单元的第二PWM信号之间存在相位差，第二PWM是用第一路PWM波延时获得。
7.根据权利要求1-3任一项所述的功率单元测试装置，其特征在于，所述逻辑控制模块为FPGA。
8.根据权利要求6所述的功率单元测试装置，其特征在于，双机对拷输出测试模式下，使用步骤如下：
SS1、将电抗器接入两台功率单元输出第一桥臂之间，用线缆将两台功率单元输出右侧桥臂直接相连；
SS2、启动测试平台，设置测试参数，所述测试参数包括测试模式、额定电流、测试时长；
SS3、对第一待测功率单元进行预充电；
SS4、检测第一待测功率单元的预充电压合格，接通旁通接触器，旁路预充电电阻；
SS5、控制第一待测功率单元自检；
SS6、控制第一待测功率单元开脉冲功能，启动PWM输出，初始调制波幅值为0，逐渐增加调制波幅值比例，控制电流输出，逐渐为第二待测功率单元充电；
SS7、检测第二待测功率单元电压，直至第一待测功率单元输出调制波幅值达到100%；
SS8、控制第二待测功率单元自检；
SS9、控制第二待测功率单元开脉冲，启动PWM输出，初始调制波幅值为100%，此时两单元输出电压幅值相等、相位差为0，两单元电容电压均衡；
SS10、控制第二待测功率单元调制波相位滞后，产生两单元输出电压相位差，初步提升输出电流；
SS11、检测到输出电流符合设定额定电流标准，启动倒计时；
SS12、计时结束，逐步缩小两待测功率单元输出电压相位差，输出电流降低，直至降为0；
SS13、控制两台待测功率单元关脉冲，停止输出，断开第一待测功率单元直流侧电源输入，停止供电；检测两台待测功率单元电容电压均降至0；发出提示；
SS14、断开连接电缆，测试结束。
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