CN201955408U - 新型igct三电平中压变频器用功率单元试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其技术特点是：进线开关Q1与调压器T1相连接后经分开关Q11和分开关Q12分别接到变压器T11和变压器T12上，变压器T11和变压器T12分别与整流器A和整流器B相连接，整流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和滤波电容CB，在滤波电容CA和滤波电容CB的两端分别并联有放电回路，放电回路与接地电路相连接，两组滤波电容通过di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，被试验功率单元与试验负载相连接，试验用控制器与放电回路及被试验功率单元相连接。本实用新型实现了被试验功率单元的温升试验、单个IGCT器件以及桥臂的开通和关断试验，具有试验线路简单、总容量小、耗能低、对电网无污染、操作方便等特点。

Description

新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置

技术领域

本实用新型属于中压变频器领域，尤其是一种新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置。

背景技术

IGCT(集成门极换向晶闸管)是一种应用于电力变换的大功率半导体开关器件，具有导通电流大、通态导通压降低、以及快速关断的特点，是目前制造大功率三电平中压变频器的主要功率开关器件。为深入了解IGCT器件特性，安全、高效使用IGCT，提升其应用设计能力，研制高性能变频器以及进行出厂设备测试等需求，对IGCT三电平中压变频器用功率单元进行试验是一项必不可少的工作。

在大功率中压变频器设计中，为了设备制造和使用维护方便，通常按照功能将其相关的功率器件(如电力电子器件、缓冲电路、散热器等)、控制电路、绝缘件和结构件等构成一种整体的称为“功率单元”的模块，例如，通常以3个单相功率单元构成一套三相大功率变频器。图1所示电路为一个中点钳位IGCT三电平变频器单相功率单元电气原理图，该功率单元由多个IGCT器件、二极管及缓冲电路、散热器和绝缘件、结构件等组合而成，其中V1-V4为IGCT器件，D1-D4为续流二极管，D5、D6为钳位二极管，LA、LB为di/dt限制电抗器，图中所示相功率单元按三相公用di/dt限制电抗器方式，V1、V2、D1、D2、D5组成的桥臂称“上桥臂”，V3、V4、D3、D4、D6组成的桥臂称“下桥臂”，R1、C1、D7与LA组成了上桥臂缓冲电路，R2、C2、D8与LB组成了下桥臂缓冲电路。这样的单元设计不仅要考虑电应力、机械应力、热应力等，还要考虑安装更换方便、体积小、美观等，这就使得功率单元成为一个最复杂的电气部件，它的性能直接影响变频器的质量和效率，其电气性能指标与线路设计、压装生产过程密切相关，是变频器设计的关键，需要有相应的试验装置对其电气特性做单独测试。目前，由于大功率变频器设备额定出力测试受试验设备容量、场地、电源容量等的限制，很难进行稳定的额定功率测试。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，该试验装置通过选取不同负载的连接方式进行IGCT三电平相功率单元的温升试验、单管开关性能试验及桥臂开关性能试验。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，包括进线开关、调压器、两分开关、两变压器、两整流器、两滤波电容、放电回路、接地电路、di/dt缓冲回路、试验负载和试验用控制器，进线开关Q1与调压器T1相连接后经分开关Q11和分开关Q12分别接到变压器T11和变压器T12上，变压器T11和变压器T12分别与整流器A和整流器B相连接，整流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和滤波电容CB，在滤波电容CA和滤波电容CB的两端分别并联有放电回路，放电回路与接地电路相连接，两组滤波电容通过di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，被试验功率单元与试验负载相连接，试验用控制器与放电回路及被试验功率单元相连接。

而且，所述的放电回路由晶闸管串联电阻构成，所述的接地电路为接地接触器，所述的di/dt缓冲回路为两个电抗器。

而且，所述的试验负载包括IGCT温升试验负载和IGCT开关试验负载。

而且，所述的IGCT温升试验负载由带抽头的电感L1和带抽头的电感L2组成；所述的IGCT开关试验负载由电感L3和电阻R0串联组成。

而且，所述的IGCT温升试验负载与被试验功率单元相连接进行被试验功率单元的温升试验。

而且，所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的IGCT器件或上桥臂或下桥臂相连接进行IGCT器件或上桥臂或下桥臂的开通和关断性能试验。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型利用负载电感与滤波电容之间无功能量交换的原理实现IGCT三电平功率单元在不同电压、电流和频率下的的多种工况温升试验，同时可实现IGCT三电平功率单元中单个IGCT器件以及桥臂的开通和关断试验。本实用新型采用一个试验线路即可完成多种试验，具有试验线路简单、总容量小、耗能低、对电网无污染、功能完备、操作方便以及实用性强等特点。

附图说明

图1为现有的IGCT三电平变频器单相功率单元电气原理图；

图2为实用新型的电路原理图；

图3a-b为本实用新型进行三电平中压变频器IGCT相功率单元负载温升试验的接线原理图，其中：图3a为半额定电压、额定频率温升试验接线图，图3b为额定电压、额定频率温升试验接线图；

图4a-d为本实用新型进行三电平中压变频器IGCT相功率单元单管开关性能试验的接线原理图，其中：图4a是V1管开关性能试验接线图；图4b是V2管开关性能试验接线图，图4c是V3管开关性能试验接线图，图4d是V4管开关性能试验接线图；

图5a-b为本实用新型进行三电平中压变频器IGCT相功率单元桥臂试验接线原理图，其中：图5a是上桥臂管开关性能试验接线图，图5b是下桥臂管开关性能试验接线图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，如图2所示，包括进线开关Q1、调压器T1、分开关Q11、分开关Q12、变压器T11、变压器T12、整流器A、整流器B、滤波电容CA和CB、放电回路、接地电路、试验负载和试验用控制器。其具体连接关系为：进线开关Q1与调压器T1相连接后经分开关Q11和分开关Q12分别接到变压器T11和变压器T12上，调压器T1可以调整中间直流回路的电压，实现在试验电源配电范围内任意电压下的试验，分开关Q11和Q12可以选通变压器T11或变压器T12分别工作、或者两个变压器同时工作，以满足不同的试验要求。变压器T11和变压器T12分别接至整流器A和整流器B上，变压器T11、T12均为双副边变压器，整流器A和整流器B为二极管三相全波整流桥，两变压器的每组副边接至1个二极管三相全波整流桥，构成A、B两组直流电源整流电路。整流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和CB，在两组滤波电容CA和CB的两端分别并联有放电回路，放电回路由晶闸管串联电阻构成，即：晶闸管VA与电阻RA串联构成一放电回路并联在滤波电容CA的两 端，晶闸管VB与电阻RB串联构成另一放电回路并联在滤波电容CB的两端；放电回路与接地电路相连接，该接地电路为接地接触器，放电回路和接地电路是为试验安全考虑的设备，在开关分断后对直流回路滤波电容进行放电；两组滤波电容通过di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，di/dt缓冲回路是针对IGCT特性设置的di/dt缓冲回路并与被试验功率单元相连接，di/dt缓冲回路中使用电抗器LA和LB；被试验功率单元与试验负载相连接可进行不同内容的试验，试验用控制器与放电回路及被试验功率单元相连接，试验用控制器可以按照不同的试验要求发出相应的控制指令。

试验负载包括IGCT温升试验负载和IGCT开关试验负载两部分：IGCT温升试验负载由电感L1和电感L2组成，电感L1和电感L2均为带抽头的电感，通过改变电感L1、电感L2抽头及电感L1和电感L2的并联、串联方式，可以组合为多档不同的负载进行不同负载容量IGCT功率单元的温升试验；IGCT开关试验负载由电感L3和电阻R0串联组成。

本新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置可通过被试验功率单元与试验负载的连接关系，实现IGCT三电平相功率单元的温升试验、单管开关性能试验及桥臂开关性能试验功能，下面分别对三种试验的连接方式进行说明：

一、功率单元温升试验

所述的IGCT温升试验负载与被试验功率单元相连接进行被试验功率单元的温升试验。通过调整调压器T1可以进行在试验电源配电范围内任意电压下的功率单元温升试验。这里以半额定电压和额定电压下的温升试验为例进行说明。

1、半额定电压、额定频率正弦波输出功能试验

如图3a所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT温升试验负载的电感L1一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT温升试验负载的电感L1的另一端，负载电感值可以根据设计的功率单元额定输出电流进行选择。试验时，开关Q1、Q11、Q12合闸；调压器T1从零位升压，滤波电容CA、CB充电至半额定电压停止升压；按额定频率正弦波电压给定形成PWM(脉冲宽度调制)脉冲信号控制V1-V4号IGCT的触发脉冲，观测负载电压、电流波形应基本为正弦波。记录各IGCT、二极管从试验开始至温度趋于稳定期间的管壳温度，以其中温升最高者作为确定功率单元半额定电压下最大输出能力的依据。

2、额定电压、额定频率正弦波输出功能试验

如图3b所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT温升试验负载的电感L1和电感L2的一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT温升试验负载的电感L1和电感L2的另一端，负载电感值可以根据设计的功率单元额定输出电流进行选择。

试验时，开关Q1、Q11、Q12合闸；调压器T1从零位升压，滤波电容CA、滤波电容CB充电至半额定电压停止升压；按额定频率正弦波电压给定形成PWM脉冲信号控制V1-V4号IGCT的触发脉冲，观测负载电压、电流波形应基本为正弦波。记录各IGCT、二极管从试验开始至温度趋于稳定期间的管壳温度，以其中温升最高者作为确定功率单元额定输出能力的依据。

同理调整调压器T1输出电压，调整给定电压频率，以及选择不同的负载电感的组合，还可实现试验参数范围内任意电压下功率单元任意频率正弦波输出能力试验。

需要强调的是，采用电感作为温升试验负载，其有功功率消耗很小，试验时，只在滤波电容和负载电感间进行无功功率交换而形成负载电流，无功功率不流经变压器，试验过程中变压器只需补充试验装置线路中很小的有功损耗，故容量可以很小，仅为功率单元额定容量的5％以下，因而是一种节能有效的试验方法，同时也不会对电网和其他设备造成影响。

二、功率单元的单管开关特性试验

所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的IGCT器件相连接进行IGCT器件的开通和关断性能试验。通过调整调压器T1可以进行在试验电源配电范围内任意电压下的功率单元单管开关特性试验，这里仅举半额定电压和额定电压下的单管开关特性试验为例进行说明。

1、V1管半额定电压开关特性试验

如图4a所示，IGCT器件V1和V2的公共端连接到IGCT开关试验负载的电感L3一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电阻R0一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端与IGCT器件V1和V2的公共端连接在一起。试验时，开关Q1、Q11合闸；调压器T1从零位升压，使A组电容 CA充电至半额定电压停止升压；给V1号IGCT发触发脉冲(其余IGCT封锁)，记录其开关过程电压、电流波形，即可得到V1的半额定电压开关特性。

2、V2管半额定电压开关特性试验

如图4b所示，IGCT器件V1一端连接到IGCT开关试验负载的电感L3一端，IGCT器件V1另一端连接到IGCT开关试验负载的电阻R0一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端与IGCT器件V1和V2的公共端连接在一起。其操作过程与V1管半额定电压开关特性试验相同，只需将触发脉冲改为V2即可测试。

3、V3管半额定电压开关特性试验

如图4c所示，IGCT器件V4一端连接到IGCT开关试验负载的电阻R0一端，IGCT器件V4另一端连接到IGCT开关试验负载的电感L3一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端与IGCT器件V1和V2的公共端连接在一起。试验时，开关Q1、Q12合闸；调压器T1从零位升压，使B组电容CB充电至半额定电压停止升压；给V3号IGCT发触发脉冲(其余IGCT封锁)，记录其开关过程电压电流波形，即可得到V3的半额定电压开关特性。

4、V4管半额定电压开关特性试验

如图4d所示，IGCT器件V3和V4的公共端连接到IGCT开关试验负载的电阻R0一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电感L3一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端与V1和V2的公共端连接在一起。其操作过程与V3管半额定电压开关特性试验相同，只将触发脉冲改为V4，即可测试V4管半额定电压开关特性。

上述试验中调压器T1升压，使滤波电容CA或滤波电容CB充电至额定电压，按照上述方法，即可分别完成额定电压下的单管开关特性试验。

三、功率单元桥臂开关特性试验

所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的上桥臂或下桥臂相连接进行上桥臂或下桥臂的开通和关断性能试验

1、半额定电压上桥臂开关特性试验

如图5a所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT开关试验负载的电 感L3一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电阻R0一端。试验时，开关Q1、Q11、Q12合闸；调压器T1从零位升压，使滤波电容CA、滤波电容CB充电至半额定电压停止升压；先给V2号IGCT触发脉冲，延时再给V1号IGCT发触发脉冲(V3、V4封锁)；其后封锁V1触发脉冲，延时封锁V2触发脉冲，根据该过程输出电压、电流波形，可确定半额定电压时功率单元上桥臂开通和关断过程以及缓冲吸收回路特性。

2、半额定电压下桥臂开关试验

如图5b所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT开关试验负载的电阻R0一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电感L3一端。试验时，Q1、Q11、Q12合闸；调压器T1从零位升压，使滤波电容CA、滤波电容CB充电至半额定电压停止升压；先给V3号IGCT触发脉冲，延时再给V4号IGCT发触发脉冲(V1、V2封锁)；其后封锁V4触发脉冲，延时封锁V3触发脉冲，根据该过程输出电压、电流波形，可确定半额定电压时功率单元下桥臂开通和关断过程以及缓冲吸收回路特性。

同理，调整调压器T1输出，可试验在额定电压时上、下桥臂的开关过程以及缓冲吸收回路特性。

根据IGCT、二极管允许的最高结温、热阻、以及功耗，计算出元件允许的最高壳温升，通过测量额定电压、额定频率下负载试验过程管壳温升，并测量功率单元在达到稳定的、考虑了安全裕量下的最高壳温升(该温升应低于元件允许的最高壳温升)下的负载电流，该负载电流即为功率单元额定(或最大)的输出电流。因此，温升试验是确定功率单元额定输出能力的主要方法。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型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实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (6)

1.一种新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其特征在于：包括进线开关、调压器、两分开关、两变压器、两整流器、两滤波电容、放电回路、接地电路、di/dt缓冲回路、试验负载和试验用控制器，进线开关Q1与调压器T1相连接后经分开关Q11和分开关Q12分别接到变压器T11和变压器T12上，变压器T11和变压器T12分别与整流器A和整流器B相连接，整流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和滤波电容CB，在滤波电容CA和滤波电容CB的两端分别并联有放电回路，放电回路与接地电路相连接，两组滤波电容通过di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，被试验功率单元与试验负载相连接，试验用控制器与放电回路及被试验功率单元相连接。

2.根据权利要求1所述的新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其特征在于：所述的放电回路由晶闸管串联电阻构成，所述的接地电路为接地接触器，所述的di/dt缓冲回路为两个电抗器。

3.根据权利要求1所述的新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其特征在于：所述的试验负载包括IGCT温升试验负载和IGCT开关试验负载。

4.根据权利要求3所述的新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其特征在于：所述的IGCT温升试验负载由带抽头的电感L1和带抽头的电感L2组成；所述的IGCT开关试验负载由电感L3和电阻R0串联组成。

5.根据权利要求3或4所述的新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其特征在于：所述的IGCT温升试验负载与被试验功率单元相连接进行被试验功率单元的温升试验。

6.根据权利要求3或4所述的新型IGCT三电平中压变频器用功率单元试验装置，其特征在于：所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的IGCT器件或上桥臂或下桥臂相连接进行IGCT器件或上桥臂或下桥臂的开通和关断性能试验。

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