專利名稱：一種新型高壓變頻器低能耗負載試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于交流傳動速系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)低能耗負載試驗裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，高壓電動機的應(yīng)用越來越廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要動力，在冶金、鋼鐵、化工、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，需要拖動風(fēng)機、泵類、壓縮機等各種大功率機械設(shè)備。由于傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)由“電動機-工作機械”組成，造成能源的大量浪費和設(shè)備壽命的降低，因此具有高效節(jié)能的高壓變頻器已被現(xiàn)代傳動系統(tǒng)所廣泛采用。在高壓變頻器生產(chǎn)過程中，為了考核各單元各功率模塊的運行狀況，必須進行出廠前的整機試驗，但因其功率太大，直接并入電網(wǎng)試驗將會造成電能的大量浪費，而且增加了企業(yè)成本，如何進行有效的、簡易的、低能耗試驗將顯得非常重要。
目前對于高壓變頻器的試驗方式主要有兩種一是“交-直-交”交流傳動試驗系統(tǒng)，即由高壓變頻器供電給異步電機，異步電機同軸帶動直流發(fā)電機，直流發(fā)電機再驅(qū)動直流電動機，直流電動機再同軸帶動三相交流同步發(fā)電機發(fā)出電能回饋至電網(wǎng)，其間通過調(diào)節(jié)各個電動機的勵磁電流來實現(xiàn)高壓變頻器各種特性的試驗；二是最近提出的“雙逆變器-雙電動機”互饋試驗系統(tǒng)，對其中某一異步電機進行轉(zhuǎn)差頻率的控制，使之工作在發(fā)電狀態(tài)并通過改變轉(zhuǎn)差率來改變發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的大小，從而達到模擬負載變化的目的。雖然以上兩種方案均能滿足各種試驗要求，但試驗系統(tǒng)復(fù)雜，不易控制，可靠性和安全性較低，而且成本也較大。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和存在的問題，提出一種低能耗、安全、簡易可靠的高壓變頻器負載試驗裝置，測試變頻器在允許電壓范圍內(nèi)，通過額定電流運行的能力，使試驗過程中無需電動機，這樣將使裝置簡化而且大大降低成本。
基本思路是借助于無功電流發(fā)生裝置，建立一種變頻器低能耗的電流試驗裝置。其技術(shù)方案是將配電網(wǎng)母線1經(jīng)隔離變壓器2連接變頻器3，變頻器輸出端串聯(lián)阻感負載4后再與母線1并接，在變頻器3與阻感負載4之間連接電壓互感器5、電流互感器6；調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值和相位，以控制變頻器輸出電流的大小和方向，為了快速找到電網(wǎng)電壓與單元輸出電壓相位大小一致的控制信號，檢測阻感負載中電阻的電壓，找出其最小值，此時輸出與輸入交流大小和相位一致；合閘，電壓互感器5檢測電阻的壓降送入變頻器3中的PLC(可編程邏輯控制器)，同時改變PLC的輸出脈沖以調(diào)整輸出相位角，直到電壓傳感器測到的信號值最小，然后改變調(diào)制信號的幅值，同時不斷檢測電阻壓降直到再次找到電壓傳感器測到的信號最小，此時變頻器3的輸出電壓大小、相位與交流輸入基本一致，然后通過改變PLC輸出脈沖或調(diào)制信號，控制系統(tǒng)電流，從而完成不同電流工況單元的運行狀況的測試，系統(tǒng)電流由電流互感器6進行檢測送入PLC進行監(jiān)控。
合閘瞬間由負載限流電阻限流，合閘前開關(guān)K1、K2、K3、K4、K5、K6為斷開狀態(tài)，合閘啟動過程為合空開--合K6--合K1--合K3--和K2--合K5--合K4，在正常運行時是否需斷開K3在實際運行過程中試驗確定。
輸出電流、電壓由PLC進行檢測并輸出脈沖調(diào)整輸出相位角以調(diào)節(jié)通過IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)的電流進行不同電流情況及滿載情況試驗，為了保證單元電壓不過壓，功率單元應(yīng)調(diào)整為感性負載，輸出相位角超前輸入相位角，使功率由單元側(cè)流向電源側(cè)檢測結(jié)束后卸載過程為斷K6--斷K1--斷K2--斷K4--斷K3--斷K5。
為了安全試驗，電網(wǎng)電壓與變頻器輸出電壓相位差角視阻感負載的大小選在0度左右。
本實用新型借助無功電流發(fā)生裝置提出了一種嶄新的高壓變頻器試驗裝置，能有效的測試變頻器在允許電壓范圍內(nèi)通過額定電流運行的能力，該裝置擺脫傳統(tǒng)試驗裝置的約束，具有以下優(yōu)點和積極效果(1)借助無功電流發(fā)生裝置，在試驗過程中無需電動機；(2)將高壓變頻器試驗分兩個步驟，使控制更加簡易；(3)試驗系統(tǒng)簡單，可靠性、安全性、實用性高；(4)整個試驗過程有功消耗只有變頻器的損耗和負載限流電阻的消耗，故能耗低。


圖1為本實用新型高壓變頻器低能耗負載試驗系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)母線的連接關(guān)系的試驗原理圖；圖2為考慮單元試驗時，本實用新型的具體實施方案圖；圖3為IGBT驅(qū)動信號生成原理框圖；圖4為本實用新型試驗原理圖的等效圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和單元實施例對本實用新型的工作原理作進一步說明。
如圖1本實用新型的試驗原理圖所示及圖。配電網(wǎng)母線1經(jīng)隔離變壓器2，連接變頻器3，其輸出端串聯(lián)阻感負載4后再與母線1并接，為了快速找到電網(wǎng)電壓與單元輸出電壓相位大小一致的控制信號，可以通過檢測阻感負載中電阻的電壓來確定，因為當(dāng)單元輸出電壓大小和相位與輸入交流電壓大小相位一致時，系統(tǒng)有功消耗理論上為0，則電阻壓降理論上也應(yīng)為0，但由于存在變頻器損耗，電阻壓降應(yīng)是一個接近于0的值，實際上找出其最小值即說明輸出與輸入交流大小和相位一致。合閘后電壓互感器5檢測電阻的壓降送入變頻器3中的PLC，同時改變PLC的輸出脈沖以調(diào)整輸出相位角，直到電壓互感器測到的信號值最小，然后改變調(diào)制信號的幅值，同時不斷檢測電阻壓降直到再次找到電壓傳感器測到的信號最小，此時單元的輸出電壓大小、相位與交流輸入基本一致，然后通過改變PLC輸出脈沖或調(diào)制信號即可控制系統(tǒng)電流，從而完成不同電流工況單元的運行狀況的試驗，系統(tǒng)電流由電流互感器6進行檢測送入PLC進行監(jiān)控。
如圖4所示，將高壓變頻器一單元交流輸出端經(jīng)阻感負載串聯(lián)后與交流輸入端并接，此時變頻器單元輸出電壓可看作一可控電壓源(輸出電壓幅值與相位均可控)，試驗系統(tǒng)即為這一可控電壓源Ua與電網(wǎng)電源Ub串聯(lián)阻感負載后聯(lián)接成回路，圖4中L為空心電抗器的電感。系統(tǒng)A(圖4中的8)發(fā)出有功和感性無功，負載和系統(tǒng)B(圖4中的9)吸收有功和感性無功，系統(tǒng)A吸收有功和感性無功，而系統(tǒng)B發(fā)出有功和感性無功。
只要適當(dāng)調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值和相位，即可以控制變頻器輸出電流的大小和方向。當(dāng)高壓變頻器吸收有功時，逆變器直流側(cè)電容電壓升高；當(dāng)高壓變頻器輸出有功時，逆變器直流側(cè)電容電壓下降；電容電壓的升高或降低將調(diào)節(jié)有功電流大小，直到電源輸出有功能補償負載等效電阻損耗，達到平衡狀態(tài)。因此，電源輸出的有功部分只是補償試驗系統(tǒng)的損耗，這樣即可達到低能耗試驗?zāi)康摹?br> 如圖2考慮單元試驗時具體實施方案圖所示。負載合閘瞬間由于系統(tǒng)處于暫態(tài)過程，流過IGBT的沖擊電流可能很大，為了安全試驗，合閘瞬間由負載限流電阻限流，并且合閘啟動過程為(合閘前狀態(tài)為K1、K2、K3、K4、K5、K6為斷開狀態(tài))合空開--合K6--合K1--合K3--和K2--合K5--合K4(在正常運行時是否需斷開K3在實際運行過程中試驗確定)。2.1和2.2為變壓器，7為限流電阻，4.1為負載限流電阻，4.2為空心電抗器。試驗完成后，卸載過程為斷K6--斷K1--斷K2--斷K4--斷K3--斷K5。
如圖1示，所述裝置包括隔離變壓器2、阻感負載4、電壓互感器5和電流互感器6，隔離變壓器的輸入端與配電網(wǎng)母線1連接，輸出端與被測高壓變頻器3的交流輸入端相連，阻感負載4串聯(lián)高壓變頻器3后與配電網(wǎng)母線1并接形成回路；在高壓變頻器3與阻感負載4之間接有用于檢測阻感負載壓降及電流的電壓互感器5和電流互感器6。
具體電路連接形式如圖2示。隔離變壓器2包括降壓變壓器2.1和升壓變壓器2.2，二者串接，在配電網(wǎng)母線1與降壓變壓器2.1間設(shè)有開關(guān)K6，降壓變壓器與升壓變壓器之間設(shè)有開關(guān)K1；開關(guān)K1的輸出端接有開關(guān)K5，K5與負載限流電阻4.1及空心電抗器4.2串聯(lián)，空心電抗器4.2的另一端與高壓變頻器3的交流輸出端相連，負載限流電阻4.1上并聯(lián)有開關(guān)K4；開關(guān)K1的輸出端同時還與升壓變壓器2.2的輸入端相連，升壓變壓器的輸出端上接有限流電阻7，開關(guān)K7與電阻7并聯(lián)后與開關(guān)K3串聯(lián)，開關(guān)K3的輸出端與高壓變頻器3的輸入端相連。
如圖3IGBT驅(qū)動信號生成原理框圖所示。時鐘模塊3.1為FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)各個模塊提供所需時鐘信號。PLC模塊3.2功能a)對相位、電壓增減脈沖和相位、電壓增減方向信號抽樣濾波；b)對相位、電壓脈沖計數(shù)，包括相位零點設(shè)置前的計數(shù)、相位零點設(shè)置后超前或滯后的計數(shù)；c)反饋當(dāng)前的相位和電壓值。移相模塊3.3根據(jù)電網(wǎng)取樣的基波信號和PLC指定移相大小，移動基本信號然后去觸發(fā)帶載波形模塊。帶載波形模塊3.4根據(jù)移相基波信號生成周期和電網(wǎng)同步的脈沖波形。調(diào)試波形模塊3.5生成驅(qū)動直流上電調(diào)試和調(diào)壓器上電所需波形。3.6為控制信號輸出，驅(qū)動試驗單元主回路3.7中的IGBT，主回路3.7拓撲結(jié)構(gòu)為單相全橋電壓型逆變橋。
本實用新型的實施例，為功率為2000kW，電壓等級為6kV的高壓變頻器某一單元的低能耗負載試驗系統(tǒng)。
1為輸入電網(wǎng)，電壓為380VAC，50Hz，2.1為380/220降壓變，2.2為220/380升壓變，容量均為50KVA，7為采用200歐姆，600W的單元限流電阻，4.1為采用50歐姆，2KW的負載限流電阻，4.2為空心電抗器，5mH，帶1mH，2mH，3mH靜態(tài)抽頭。直流電壓霍爾傳感器檢測負載限流電阻壓降，輸入PLC，PLC通過不斷改變輸出脈沖和調(diào)制信號幅值調(diào)整單元輸出相位角和輸出電壓大小，直到找到負載限流電阻壓降的最小值，然后逐漸調(diào)整控制信號以改變單元輸出電壓與輸入交流電壓相位差從而實現(xiàn)不同電流工況的試驗，電流經(jīng)電流霍爾傳感器檢測后送人PLC進行監(jiān)控。系統(tǒng)時鐘輸入(CLK)為20MHZ；TESTCLK(時鐘模塊管腳)分頻時鐘輸出，頻率480KHz，用于調(diào)試模塊波形生成；PHASECLK(時鐘模塊管腳)分頻時鐘輸出，頻率120KHz，用于帶載模塊波形生成。
權(quán)利要求1.一種新型高壓變頻器低能耗負載試驗裝置，其特征是所述裝置包括隔離變壓器(2)、阻感負載(4)、電壓互感器(5)和電流互感器(6)，隔離變壓器的輸入端與配電網(wǎng)母線(1)連接，輸出端與被測高壓變頻器(3)的交流輸入端相連，阻感負載(4)串聯(lián)高壓變頻器(3)后與配電網(wǎng)母線(1)并接形成回路；在高壓變頻器(3)與阻感負載(4)之間接有用于檢測阻感負載壓降及電流的電壓互感器(5)和電流互感器(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種新型高壓變頻器低能耗負載試驗裝置，其特征是所述隔離變壓器(2)包括降壓變壓器(2.1)和升壓變壓器(2.2)，二者串接，在配電網(wǎng)母線(1)與降壓變壓器(2.1)間設(shè)有開關(guān)K6，降壓變壓器與升壓變壓器之間設(shè)有開關(guān)K1；開關(guān)K1的輸出端接有開關(guān)K5，K5與負載限流電阻(4.1)及空心電抗器(4.2)串聯(lián)，空心電抗器(4.2)的另一端與高壓變頻器(3)的交流輸出端相連，負載限流電阻(4.1)上并聯(lián)有開關(guān)K4；開關(guān)K1的輸出端同時還與升壓變壓器(2.2)的輸入端相連，升壓變壓器的輸出端上接有限流電阻(7)，開關(guān)K7與電阻(7)并聯(lián)后與開關(guān)K3串聯(lián)，開關(guān)K3的輸出端與高壓變頻器(3)的輸入端相連。
專利摘要一種新型高壓變頻器低能耗負載試驗裝置，將配電網(wǎng)母線1經(jīng)隔離變壓器2連接變頻器3，變頻器輸出端串聯(lián)阻感負載4后再與母線1并接，在變頻器3與阻感負載4之間連接電壓互感器5、電流互感器6；調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值和相位，檢測阻感負載中電阻的電壓，找出其最小值，改變PLC輸出脈沖或調(diào)制信號，控制系統(tǒng)電流，完成不同電流工況單元的運行狀況的測試，系統(tǒng)電流由電流互感器檢測送入PLC進行監(jiān)控。本實用新型具有以下優(yōu)點和效果1.在試驗過程中無需電動機，2.將高壓變頻器試驗分兩個步驟，使控制更加簡易，3.試驗系統(tǒng)簡單，可靠性、安全性、實用性高，4.整個試驗過程有功消耗只有變頻器的損耗和負載限流電阻的消耗，故能耗低。
文檔編號H02M5/00GK2879212SQ20052009928
公開日2007年3月14日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者查曉明, 畢平勁, 王宏英 申請人:湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司