CN204241587U - 高压变频器的低能耗负载试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种高压变频器的低能耗负载试验装置，将配电网母线经隔离变压器连接到变频器，变频器输出端串联阻感负载后再与母线并接，在变频器与阻感负载之间连接电压互感器、电流互感器；调节变频器输出电压的幅值和相位，检测阻感负载中电阻的电压，找出其最小值，改变PLC输出脉冲或调制信号，控制系统电流，完成不同电流工况单元的运行状况的测试，系统电流由电流互感器检测送入PLC进行监控。本实用新型具有以下优点和效果：1.在试验过程中无需电动机，2.试验系统简单，并且安全可靠，3.整个试验过程有功消耗只有变频器的和负载限流电阻的功耗。
Description
技术领域
本实用新型属于交流传动调速系统控制技术领域，特别涉及到一种高压变频调速系统低能耗负载试验装置。
背景技术
随着现代工业的飞速发展，由于高压电动机的应用越来越广泛，因此，具有高效节能特点的高压变频器也越来越广泛地应用在现代传动系统中。在高压变频器生产过程中，为了考核各单元及各功率模块的运行状况，必须进行出厂前的整机试验，但因其功率太大，直接并入电网试验将会造成电能的大量浪费，而且也增加了企业成本，如何进行有效的、简易的、能耗低的试验则显得非常重要。
目前对于高压变频器的试验方法主要有两种方式：一种是“交-直-交”交流传动试验系统，即由高压变频器供电给异步电机，异步电机同轴带动直流发电机，直流发电机再驱动直流电动机，直流电动机再同轴带动三相交流同步发电机发出电能回馈至电网，其间通过调节各个电动机的励磁电流来实现高压变频器各种特性的试验；第二种方式是“双逆变器——双电动机”互馈试验系统，对其中某一异步电机进行转差频率的控制，使之工作在发电状态并通过改变转差率来改变发电机转矩的大小，从而达到模拟负载变化的目的。虽然以上两种方案均能满足各种试验要求，但试验系统复杂，不易控制，可靠性和安全性较低，而且成本也较高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足和存在的问题，提出一种能耗低且安全、简易可靠的高压变频器对负载试验装置，采用该装置，试验过程中无需电动机，这样将使试验装置大大简化且成本也大大地降低了。
为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种高压变频器的低能耗负载试验装置，其特征在于，包括配电网母线(1)、隔离变压器(2)、变频器(3)、电流互感器(6)、阻感负载(4)、电压互感器(5)，将配电网母线(1)经隔离变压器(2)连接到变频器(3)，变频器(3)的输出端串联阻感负载(4)，阻感负载(4)输出端再与母线(1)连接；在变频器(3)与阻感负载(4)之间连接电压互感器(5)、电流互感器(6)。
所述的变频器(3)与配电网母线(1)之间由变频器至电网母线侧依次接有开关K3、开关K2、变压器(2.2)、开关K1、变压器(2.1)、开关K6，所述的开关K2并联有限流电阻(7)；所述的变频器(3)另一端与空心电抗器(4.2)、阻感负载的限流电阻(4.1)、开关K5依次连接，开关K5的另一端与变压器(2.2)的输入侧相连接，所述的阻感负载的限流电阻(4.1)与开关K4并联。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)借助无功电流发生方法，在试验过程中无需电动机；
(2)高压变频器试验，使控制更加简单；
(3)试验系统简单，可靠、安全、实用性高；
(4)整个试验过程有功消耗只有变频器的损耗和负载限流电阻的消耗，故能耗非常低。
附图说明
图1为本实用新型高压变频器低能耗负载试验系统与电网系统母线的连接关系的试验原理图。
图2为考虑单元试验时，本实用新型的具体实施方案图。
图3为IGBT驱动信号生成原理框图。
图4为本实用新型试验原理图的等效图。
图5为Ua超前Ub某一角度时，系统电压电流的相量图。
图6为Ua滞后Ub某一角度时，且Ub cosα≤Ua时，系统电压电流的相量图。
图7为Ua滞后Ub某一角度时，且Ub cosα≥Ua时，系统电压电流的相量图。
图8为Ua超前″Ub某一角度时，忽略变频器的损耗后，系统电压电流的相量图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的工作原理作进一步的说明。
如图1所示。配电网母线1经隔离变压器2连接到变频器3，变频器3的输出端串联阻感负载4后再与配电网母线1连接，为了快速找到电网电压与变频器功率单元输出电压相位大小一致的控制信号，可以通过检测阻感负载4中电阻的电压降来确定，因为当变频器功率单元单元输出电压大小和相位与输入交流电压大小相位一致时，系统的有功消耗理论上为0，则电阻压降理论上也应为0，但由于存在变频器的损耗，电阻压降应是一个接近于0的值，实际上找出其最小值即说明变频器输出与电网输入电流大小和相位一致。合闸后电压互感器5将检测到的电阻上的电压降送入变频器3中的PLC可编程控制器；同时改变PLC的输出脉冲以调整输出相位角，直到电压互感器5检测到的信号值最小，然后改变调制信号的幅值，同时不断检测电阻上的压降值，直到再次找到电阻上的最小压降值，此时单元的输出电压大小、相位与交流输入基本一致，然后通过改变PLC输出脉冲或调制信号即可控制系统电流，从而完成不同电流工况下，变频器单元的运行状况的试验，系统电流由电流互感器6进行检测并送入变频器3的PLC进行监控。
如图1、图4所示，将高压变频器单元交流输出端经阻感负载L串联后与交流输入端连接，此时变频器单元输出电压可看作一可控电压源(输出电压幅值与相位均可控)，试验系统即为这一电网电源Ua与可控电压源Ub之间串联阻感负载后联接成回路，设ΔU＝Ua-Ub，则系统电流I＝ΔU/jωL(电抗；式中j-虚数；ω角频率；L为空心电抗器的电感。)(1)调节Ub，使Ua与Ub同相位时，若Ua大于Ub，.I滞后Ua 90°；若Ua小于Ub时，I超前Ua 90度。(2)调节Ub使Ua超前Ub某一角度时，相量图如图5所示，将1分解为两个垂直的分量Iax和Iay，则PUa＝-UaIax-jUaIay，故系统A(图4中的8)发出有功和感性无功，负载和系统B(图4中的9)吸收有功和感性无功。(3)调节Ub使Ua滞后Ub某一角度时，向量图分别如图6和图7所示。若Ub cosα≤Ua，如图6所示，根据向量图有：PUa＝UaIax-jUaIay＝-(-UaIax+jUaIay)，PUb＝-UbIbx+jUbIby，所以此时系统A吸收有功，发出感性无功，而系统B发出有功，吸收感性无功；若Ub cosα≥Ua，如图7所示，据相量图有：PUa＝UaIax+jUaIay＝-(-UaIax-jUaIay)，PUb＝-UbIbx+jUbIby，故系统A吸收有功和感性无功，而系统B发出有功和感性无功。
从以上分析可知：只要适当调节变频器输出电压的幅值和相位，即可以控制变频器输出电流的大小和方向。当高压变频器吸收有功时，逆变器直流侧电容电压升高；当高压变频器输出有功时，逆变器直流侧电容电压下降；电容电压的升高或降低将调节有功电流大小，直到电源输出有功能补偿负载等效电阻损耗，达到平衡状态。因此，电源输出的有功部分只是补偿试验系统的损耗，这样即可达到降低能耗的试验目的。
实际上Ua与Ub的相位差角α有其安全控制范围：1)当Ua超前Ub一个α角度时，忽略变频器损耗，相量图如图8所示，I为负载电流，β为电流与系统电压Ua之间的相位夹角，γ为变频器输出电压与阻感负载电压的夹角，θ为负载的功率因数角，虚线部分表示某时刻系统功率平衡时的电压电流相量关系。根据有功和无功平衡关系，可以得出Ub＝Ua cos(θ-α)cosθ＝Ua(cosα(tanθ-tanα))，对该式以α为变量求导得Ub(cosα(tanθ-tanα))，由于Ub不能过大，否则会引起直流侧过压，可得出α安全控制范围为(0，αmax}，和[αmax，π/2}，式中αmax＝θ-arccosα(Ub cosθ)/Ua，αmin＝θ+arccosα(Ub cosθ)/Ua，但当α在(αmin，π/2)内调整时，/ΔU很大，正常工作电流较大，而电流的调节范围较小，故实际试验时不可用；2)当Ua滞后Ub一个α角度时，忽略变频器损耗，根据有功和无功平衡关系及Ub不能太小(否则直流侧电容电压波动很大)，同样可以得出α的安全控制范围很小，或α在180°-θ左右变动，后者同样因为/ΔU很大，电流调节范围太小，故不可应用。综上所述，不管Ua是滞后还是超前Ub，都应控制α在零至几度的范围内，方可保证试验安全的进行，合闸后，由于限流电阻的作用，系统不会出现过流，通过PLC检测输入端交流电压大小及频率，并输出脉冲调整输出相位角使输出电压与输入电压大小相位一致，输出电压为50Hz，650VAC。
如图2所示，为考虑单元试验时的具体实施方案。负载合闸瞬间由于系统处于暂态过程，流过IGBT的冲击电流可能很大，为了安全的进行试验，合闸瞬间由负载限流电阻进行限流，并且合闸启动过程为(合闸前状态，K1、K2、K3、K4、KS、K6为断开状态)合空气开关——合K6——合K1——合K3——合K2——合K5——合K4(在正常运行时是否需断开K3在实际运行过程中试验确定)。2.1和2.2为变压器，7为限流电阻，4.1为负载限流电阻，4.2为空心电抗器。试验完成后，卸载过程为断K6——断K1——断K2——断K4——断K3——断K5。
如图3所示，为IGBT驱动信号生成原理框图。时钟模块3.1为FPGA(现场可编程门阵列)各个模块提供所需时钟信号。PLC模块3.2功能：a)对相位、电压增减脉冲和相位、电压增减方向信号抽样滤波；b)对相位、电压脉冲计数，包括相位零点设置前的计数、相位零点设置后超前或滞后的计数；c)反馈当前的相位和电压值。移相模块3.3根据电网取样的基波信号和PLC指定移相大小，移动基波信号然后去触发带载波形模块。带载波形模块3.4根据移相基波信号生成周期和电网同步的脉冲波形。调试波形模块3.5生成驱动直流上电调试和调压器上电所需波形。3.6为控制信号输出，驱动试验单元主回路3.7中的IGBT，主回路3.7拓扑结构为单相全桥电压型逆变桥。
本实用新型的实施例，为功率为2000kW，电压等级为6kV的高压变频器某一单元的低能耗负载试验系统。
1为输入配电网的母线，电压为380VAC，50Hz，2.1为380/220降压变压器，2.2为220/380升压变压器，容量均为50KVA，7为采用200欧姆600W的单元限流电阻，4.1为采用50欧姆，2KW的负载限流电阻，4.2为空心电抗器，5mH，带1mH，2mH，3mH静态抽头。直流电压霍尔传感器检测负载限流电阻压降，输入PLC，PLC通过不断改变输出脉冲和调制信号幅值调整单元输出相位角和输出电压大小，直到找到负载限流电阻压降的最小值，然后逐渐调整控制信号以改变单元输出电压与输入交流电压相位差从而实现不同电流工况的试验，电流经电流霍尔传感器检测后送人PLC进行监控。系统时钟输入(CLK)为20MHZ；TESTCLK(时钟模块管脚)分频时钟输出，频率480KHz，用于调试模块波形生成；PHASECLK(时钟模块管脚)分频时钟输出，频率120KHz，用于带载模块波形生成。
Claims (2)
1.一种高压变频器的低能耗负载试验装置，其特征在于，包括配电网母线(1)、隔离变压器(2)、变频器(3)、电流互感器(6)、阻感负载(4)、电压互感器(5)，将配电网母线(1)经隔离变压器(2)连接到变频器(3)，变频器(3)的输出端串联阻感负载(4)，阻感负载(4)输出端再与母线(1)连接；在变频器(3)与阻感负载(4)之间连接电压互感器(5)、电流互感器(6)。
2.根据权利要求1所述的高压变频器的低能耗负载试验装置，其特征在于，所述的变频器(3)与配电网母线(1)之间由变频器至电网母线侧依次接有开关K3、开关K2、变压器(2.2)、开关K1、变压器(2.1)、开关K6，所述的开关K2并联有限流电阻(7)；所述的变频器(3)另一端与空心电抗器(4.2)、阻感负载的限流电阻(4.1)、开关K5依次连接，开关K5的另一端与变压器(2.2)的输入侧相连接，所述的阻感负载的限流电阻(4.1)与开关K4并联。
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