CN1979185A - 一种新型高压变频器低能耗负载试验方法 - Google Patents

Abstract

一种新型高压变频器低能耗负载试验方法，包括下列步骤：将配电网母线1经隔离变压器2连接变频器3，变频器输出端串联阻感负载4后再与母线1并接，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；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***电流，完成不同电流工况单元的运行状况的测试，***电流由电流互感器检测送入PLC进行监控。本发明具有以下优点和效果：1在试验过程中无需电动机，2将高压变频器试验分两个步骤，使控制更加简易，3试验***简单，可靠性、安全性、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，故能耗低。

Description

一种新型高压变频器低能耗负载试验方法

技术领域

本发明属于交流传动速***控制技术领域，特别涉及到一种高压变频调速***低能耗负载试验方法。

背景技术

随着现代工业的飞速发展，高压电动机的应用越来越广泛，它是工矿企业中的主要动力，在冶金、钢铁、化工、水处理等行业的大、中型厂矿中，需要拖动风机、泵类、压缩机等各种大功率机械设备。由于传统的传动***由“电动机-工作机械”组成，造成能源的大量浪费和设备寿命的降低，因此具有高效节能的高压变频器已被现代传动***所广泛采用。在高压变频器生产过程中，为了考核各单元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，而且增加了企业成本，如何进行有效的、简易的、低能耗试验将显得非常重要。

目前对于高压变频器的试验方法主要有两种：一是“交-直-交”交流传动试验***，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；二是最近提出的“双逆变器-双电动机”互馈试验***，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***复杂，不易控制，可靠性和安全性较低，而且成本也较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和存在的问题，提出一种低能耗、安全、简易可靠的高压变频器负载试验方法，该方法将高压变频器的试验分两个部分，其一为变频器功能试验，可直接驱动空载电机进行；其二为测试变频器在允许电压范围内，通过额定电流运行的能力。

本发明主要针对后一项试验，试验过程中无需电动机，这样将使装置简化而且成本大大降低。

基本思路是借助于无功电流发生方法，建立一种变频器低能耗的电流试验方法。其技术方案是：将配电网母线1经隔离变压器2连接变频器3，变频器输出端串联阻感负载4后再与母线1并接，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；调节变频器输出电压的幅值和相位，以控制变频器输出电流的大小和方向，为了快速找到电网电压与单元输出电压相位大小一致的控制信号，检测阻感负载中电阻的电压，找出其最小值，此时输出与输入交流大小和相位一致；合闸，电压互感器5检测电阻的压降送入变频器3中的PLC(可编程逻辑控制器)，同时改变PLC的输出脉冲以调整输出相位角，直到电压传感器测到的信号值最小，然后改变调制信号的幅值，同时不断检测电阻压降直到再次找到电压传感器测到的信号最小，此时变频器3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，控制***电流，从而完成不同电流工况单元的运行状况的测试，***电流由电流互感器6进行检测送入PLC进行监控。

合闸瞬间由负载限流电阻限流，合闸前开关K1、K2、K3、K4、K5、K6为断开状态，合闸启动过程为合空开--合K6--合K1--合K3--和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。

输出电流、电压由PLC进行检测并输出脉冲调整输出相位角以调节通过IGBT(绝缘栅极双极晶体管)的电流进行不同电流情况及满载情况试验，为了保证单元电压不过压，功率单元应调整为感性负载，输出相位角超前输入相位角，使功率由单元侧流向电源侧

检测结束后卸载过程为断K6--断K1--断K2--断K4--断K3--断K5。

为了安全试验，电网电压与变频器输出电压相位差角视阻感负载的大小选在0度左右。

本发明借助无功电流发生方法提出了一种崭新的高压变频器试验方法，能有效的测试变频器在允许电压范围内通过额定电流运行的能力，该方法摆脱传统试验方法的约束，具有以下优点和积极效果：

(1)借助无功电流发生方法，在试验过程中无需电动机；

(2)将高压变频器试验分两个步骤，使控制更加简易；

(3)试验***简单，可靠性、安全性、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，故能耗低。

附图说明

图1为本发明高压变频器低能耗负载试验***与电网***母线的连接关系的试验原理图；

图2为考虑单元试验时，本发明的具体实施方案图；

图3为IGBT驱动信号生成原理框图；

图4为本发明试验原理图的等效图；

图5 超前 某一角度α时，***电压电流相量图；

图6a 滞后 某一角度α时，且U_bcosα≤U_a时，***电压电流相量图；

图6b 滞后 某一角度α时，且U_bcosα≥U_a时，***电压电流相量图；

图7为当

超前 α角度时，忽略变频器损耗后，***电压电流相量图。

具体实施方式

下面结合附图和单元实施例对本发明的工作原理作进一步说明。

如图1本发明的试验原理图所示。配电网母线1经隔离变压器2，连接变频器3，其输出端串联阻感负载4后再与母线1并接，为了快速找到电网电压与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中电阻的电压来确定，因为当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，***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输出与输入交流大小和相位一致。合闸后电压互感器5检测电阻的压降送入变频器3中的PLC，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，同时不断检测电阻压降直到再次找到电压传感器测到的信号最小，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***电流，从而完成不同电流工况单元的运行状况的试验，***电流由电流互感器6进行检测送入PLC进行监控。

如图4所示，将高压变频器一单元交流输出端经阻感负载串联后与交流输入端并接，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***即为这一可控电压源 与电网电源

串联阻感负载后联接成回路，设 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\mathrm{\μ}}{U}=\stackrel{\mathrm{\μ}}{U_a}-\stackrel{\mathrm{\μ}}{U_b,}$ 则***电流 $I=\mathrm{\ΔU}/\mathrm{j\ωL}$ (电抗)，式中L为空心电抗器的电感。(1)调节

使

与

同相位时，若U_a大于U_b，则 滞后

90°；若U_a小于U_b时， 超前 90°。(2)调节

使

超前 某一角度α时，相量图如图5所示，将 分解为两个垂直的分量

则 $\stackrel{\mathrm{\μ}}{P_{\mathrm{Ua}}}=-U_a{I}_{\mathrm{ax}}-j{U}_a{I}_{\mathrm{ay}},$ 故***A(图4中的8)发出有功和感性无功，负载和***B(图4中的9)吸收有功和感性无功。(3)调节 使

滞后

某一角度α时，相量图分别如图6a、6b所示。若U_bcosα≤U_a，如图6a所示，据相量图有： ${\stackrel{\mathrm{\μ}}{P}}_{\mathrm{Ua}}=U_a{I}_{\mathrm{ax}}-j{U}_a{I}_{\mathrm{ay}}=-(-U_a{I}_{\mathrm{ax}}+j{U}_a{I}_{\mathrm{ay}}),$ ${\stackrel{\mathrm{\μ}}{P}}_{\mathrm{Ub}}=-U_b{I}_{\mathrm{bx}}+j{U}_b{I}_{\mathrm{by}},$ 所以此时***A吸收有功，发出感性无功，而***B发出有功，吸收感性无功；若U_bcosα≥U_a，如图6b所示，据相量图有： ${\stackrel{\mathrm{\μ}}{P}}_{\mathrm{Ua}}=U_a{I}_{\mathrm{ax}}+j{U}_a{I}_{\mathrm{ay}}=-(-U_a{I}_{\mathrm{ax}}-j{U}_a{I}_{\mathrm{ay}}),$ ${\stackrel{\mathrm{\μ}}{P}}_{\mathrm{Ub}}=-(U_b{I}_{\mathrm{bx}}+j{U}_b{I}_{\mathrm{by}}),$ 故***A吸收有功和感性无功，而***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***的损耗，这样即可达到低能耗试验目的。

实际上 与

的相位差α有其安全控制范围：1)当

超前 α角度时，忽略变频器损耗，相量图如图7所示，I为负载电流，β为电流与***电压U_a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***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 $U_b=\frac{U_a\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{\cos \mathrm{\θ}}=U_a\left(\cos \mathrm{\α}(\tan \mathrm{\θ}-\tan \mathrm{\α})\right),$ 对该式以α为变量求导得U_b′＝U_a(cosα(tanθ-tanα))，由于

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，α_max]和[α_min，

)，式中 ${\mathrm{\α}}_{\max }=\mathrm{\θ}-\arccos \frac{U_b\cos \mathrm{\θ}}{U_a},$ ${\mathrm{\α}}_{\min }=\mathrm{\θ}+\arccos \frac{U_b\cos \mathrm{\θ}}{U_a},$ 但当α在

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 滞后 α角度时，忽略变频器损耗，根据有功和无功平衡关系及 不能太小(否则直流侧电容电压波动很大)同样可以得出α的安全控制范围为α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 是滞后还是超前 都应控制α在大于0的几度范围内，方可保证试验安全的进行，合闸后，由于限流电阻，***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考虑单元试验时具体实施方案图所示。负载合闸瞬间由于***处于暂态过程，流过IGBT的冲击电流可能很大，为了安全试验，合闸瞬间由负载限流电阻限流，并且合闸启动过程为(合闸前状态为K1、K2、K3、K4、K5、K6为断开状态)合空开--合K6--合K1--合K3--和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3IGBT驱动信号生成原理框图所示。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，移动基本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。

本发明的实施例，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***。

1为输入电网，电压为380VAC，50Hz，2.1为380/220降压变，2.2为220/380升压变，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。***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 (5)

1.一种新型高压变频器低能耗负载试验方法，其特征是包括下列步骤：将配电网母线(1)经隔离变压器(2)连接变频器(3)，变频器输出端串联阻感负载(4)后再与母线(1)并接，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)；调节变频器输出电压的幅值和相位，以控制变频器输出电流的大小和方向，为了快速找到电网电压与单元输出电压相位大小一致的控制信号，检测阻感负载中电阻的电压，找出其最小值，此时输出与输入交流大小和相位一致；合闸，电压互感器(5)检测电阻的压降送入变频器(3)中的PLC(可编程逻辑控制器)，同时改变PLC的输出脉冲以调整输出相位角，直到电压传感器测到的信号值最小，然后改变调制信号的幅值，同时不断检测电阻压降直到再次找到电压传感器测到的信号最小，此时变频器(3)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，控制***电流，从而完成不同电流工况单元的运行状况的测试，***电流由电流互感器(6)进行检测送入PLC进行监控。

2.如权利要求1所述的新型高压变频器低能耗负载试验方法，其特征是：合闸瞬间由负载限流电阻限流，合闸前开关K1、K2、K3、K4、K5、K6为断开状态，合闸启动过程为合空开--合K6--合K1--合K3--和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。

3.如权利要求1所述的新型高压变频器低能耗负载试验方法，其特征是：输出电流、电压由PLC进行检测并输出脉冲调整输出相位角以调节通过IGBT(绝缘栅极双极晶体管)的电流进行不同电流情况及满载情况试验，功率单元调整为感性负载，输出相位角超前输入相位角，使功率由单元侧流向电源侧

4.如权利要求1所述的新型高压变频器低能耗负载试验方法，其特征是：试验结束后卸载过程为断K6--断K1--断K2--断K4--断K3--断K5。

5.如权利要求1所述的新型高压变频器低能耗负载试验方法，其特征是：电网电压与变频器输出电压相位差角视阻感负载的大小选在0度左右。

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