一種大功率逆變器自動功率測試平臺的設計

劉洋，田凱，劉艷昉，張向前，李保鋼（天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

一種大功率逆變器自動功率測試平臺的設計

劉洋，田凱，劉艷昉，張向前，李保鋼
（天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

介紹了一種大功率逆變器自動功率測試平臺。測試臺由整流器、逆變器、主控制器和電抗器組成。被測逆變器的A，B，C三相通過電抗器分別與測試臺的逆變器A，B，C相連接，直流側與測試臺整流器的直流側連接。平臺采用主從控制模式，主控制器向兩臺逆變器同時發(fā)送控制信息，并將采集到的信息收集處理，同時實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和設備信息。該測試平臺從電網(wǎng)取電少，操作簡單，測試過程自動化，測試項目全面，適合大功率逆變器的出廠測試。

大功率逆變器；功率測試；低損耗；自動化

1 引言

大功率逆變器廣泛應用于冶金、軋鋼、能源等工業(yè)領域，對節(jié)能降耗、提高工藝有重要的作用，應用功率等級從幾百kW到MW不等。在出廠測試中需要進行多項測試，功率試驗就是其中非常重要的一項實驗。功率試驗的結果不僅反映出被試逆變器在額定工況下的電壓、電流性能，還兼具溫升試驗功能，其結果間接反映出變頻器的缺陷及故障隱患等。

小功率逆變器（或變頻器）的功率試驗對試驗設備和條件要求較低，實現(xiàn)起來相對容易。常見的3種低壓小功率變頻器功率試驗方法：等效法、模擬法和機組對拖法。隨著被試逆變器額定容量的增加，試驗設備的容量、占用場地、試驗電源容量等也需相應增加，對于MW級逆變器，其功率試驗機組占用的場地和投入的經(jīng)費是非常可觀的，目前國內能夠進行MW級逆變器機組對拖實驗的單位仍然較少。為此，工程技術人員提出了一些機組對拖實驗的替代方法：文獻［1］提出了一種整流器試驗裝置及方法，其系統(tǒng)包括電源變壓器、被試整流器和負載逆變器3部分，整流器和逆變器的交流側通過各自的濾波電抗器并聯(lián)后接至試驗電源變壓器，其直流側直接相連。通過調節(jié)逆變器輸出電流，使得被試整流器的試驗電流取自逆變器側的電流回饋，從電源變壓器取用的電流很少，從而顯著降低了試驗損耗。基于類似的思路，文獻［2］提出一種微功耗的功率試驗方法，將變流器輸入端與電網(wǎng)相連，輸出端經(jīng)電抗器再與輸入端相連，實驗系統(tǒng)所需損耗由電網(wǎng)補充，同樣能夠用很少的能量損耗完成額定功率試驗，降低了對試驗電源容量的要求。

以上方法的思路都是讓實驗功率流在被試系統(tǒng)內部循環(huán)，外部電源接在系統(tǒng)的交流側，僅提供實驗中的損耗。本文提出一種大功率逆變器功率測試方法，并將其設計為一類測試平臺。本文方法也采用試驗功率在系統(tǒng)內部循環(huán)的思路，但不同的是將外部電源接在試驗系統(tǒng)的直流側。因此，本文方法也具有耗能少、所需電源容量小、簡單易行等優(yōu)點。實際測試結果表明，根據(jù)上述方法設計出的測試臺系統(tǒng)，具有寬范圍功率等級適應性，能夠實時反映逆變器工作狀態(tài)，且輸入功率小、兼具可調過載沖擊測試的測試平臺。該平臺能夠模擬滿載、過載沖擊等工況，可進行溫升測試，操作簡便，非常適合大功率IGBT通用逆變器的功率測試。

2 測試臺工作原理

2.1 功率控制原理

測試臺的主回路結構原理圖如圖1所示。

圖1測試臺主回路結構原理圖Fig.1Diagram of test platform main circuit

圖1 中的電網(wǎng)側可調變壓器可做Y/△切換，即測試臺的輸入側可以進行380 V/660 V輸入電壓切換。整流器采用移相變壓器做12脈波整流。被測逆變器輸出側A，B，C三相通過測試平臺的電抗器與測試臺逆變器的A，B，C三相輸出對應連接。被測設備的直流側與測試臺整流器的輸出側相連。其電路原理圖如圖2所示。

圖2中A和B分別是2臺逆變器輸出的三相電壓矢量，電壓矢量的模值相同。A和B分別是2臺逆變器的輸出電流矢量。通過控制輸出矢量A和B的夾角，可以改變負載電抗器上的電壓差，從而控制電流大小。矢量圖如圖3所示。

圖2 測試臺電路原理圖Fig.2Schematic diagram of test platform circuit

圖3測試臺電路矢量圖Fig.3Vector diagram of test platform circuit

圖3 中，測試臺逆變器的輸出電壓矢量為

被測逆變器輸出電壓矢量為

電抗器兩端的電壓矢量為

流經(jīng)電抗器的電流為

由上式可知，調節(jié)夾角α就可調節(jié)電流大小。由于電抗器為無功器件，所以測試臺只從電網(wǎng)吸收很少的有功用于補充設備損耗和線路損耗。

輸出電流控制采用電流閉環(huán)實現(xiàn)，將調節(jié)出的角度差參數(shù)輸入到脈沖形成模塊，與給定基礎角度和給定幅值來作為脈沖輸出的調制波給定?？刂圃硪妶D4。

圖4 電流環(huán)控制原理框圖Fig.4Schematic diagram of current loop control

為防止理論計算偏差導致過流故障，圖4中2臺逆變器輸出電壓矢量的夾角2α是通過積分給定，而不是根據(jù)理論計算的結果手動設定。通過給定電流和實際電流的大小來確定角度積分系數(shù)是需要正積分、負積分還是零。

角度積分的步長與開關頻率有關，在系統(tǒng)設計中為了能夠兼容不同等級的逆變器，所以開關頻率設計為1.25～2.5 kHz之間連續(xù)可調。在設計中，1個開關周期程序運行1次，因此為了保證給定調制波50 Hz，在1.25 kHz時每個開關周期積分4%角度，而2.5 kHz時每個開關周期積分2%的角度，其他開關頻率在此范圍內線性變化。

由圖2中不難推知，被測逆變器輸出的電流和功率由它和測試臺輸出電壓的幅值差和相角差決定。由于負載電抗較小，只需很小的相角差即可使得被測逆變器輸出電流達到額定，此時其功率因數(shù)接近1；而幅值之差主要使得逆變器輸出無功功率。因此在試驗過程中，被測逆變器輸出電壓的幅值基本不變，主要通過調節(jié)夾角來調節(jié)輸出電流的大小。

2.2 控制邏輯

測試臺采用一套完備的測試流程，整個測試的邏輯流程如圖5所示。

圖5測試邏輯流程Fig.5Logic diagram of test flow

圖5 中，逆變器功率試驗的模式和項目可以預先設定，一些主要參數(shù)，例如滿功率測試電流值、滿功率測試時間T1、過載測試倍數(shù)K、過載時間T2、單次過載測試時間T3以及測試次數(shù)n等，也均可根據(jù)需求自由設置。

在測試過程中，除基本的過壓、過流、過溫保護外，還增加了測試臺與被測設備之間的檢測匹配保護。被測設備采集到的直流電壓和輸出電流與測試臺自身檢測到的直流電壓和輸出電流進行比較，當差值超過門檻值時就會告警，從而確保了滿功率測試中，測試臺和被測試設備檢測電路工作正常、一致。

上述測試臺邏輯流程通過FPGA中的狀態(tài)機功能實現(xiàn)，而系統(tǒng)輸出功率時的電流給定切換邏輯則在控制DSP中實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6功率試驗邏輯控制框圖Fig.6Logic diagram of power test

圖6 中的邏輯，實現(xiàn)了在輸出功率時首先輸出30%用戶給定電流、100%用戶給定電流、用戶給定過載條件的過載測試之間狀態(tài)切換以及在任意時刻停機，電流緩降至約為0后封波停機的邏輯。其中，輸出電流狀態(tài)之間的切換通過電流狀態(tài)切換次數(shù)以及當前狀態(tài)剩余時間為條件來做選擇。

最終，通過圖4和圖6邏輯的配合，可以較為準確地控制被測逆變器輸出電流。但設備的制約性在于不能在功率測試的同時測試出廠逆變器的程序及控制板卡。因此，設備提供的設置方法可以屏蔽測試流程，直接為產(chǎn)品提供直流母線電壓，產(chǎn)品可在該直流電壓下拖電機進行功能測試。此外，若不同功率等級的逆變器采樣電路一致性較差，也會在一定程度上影響測試臺檢查電壓電流匹配的測試功能。

3 試驗結果

本文所述的測試臺裝置已投入使用，其性能在實際應用中得到驗證。測試條件為：輸出電壓380/660 V，輸出電流200～1 000A。圖7為經(jīng)過實驗驗證的2臺覆蓋不同功率等級的測試臺。

圖7 測試平臺Fig.7Test platform

圖8為690 V，1 000 A的逆變器額定功率測試時的輸出電流波形。圖9為該逆變器功率測試時的數(shù)據(jù)查看頁面。

圖8 額定功率測試電流波形Fig.8Current wave of rated power output test

圖9數(shù)據(jù)查看頁Fig.9Data view display

圖8 中電流有效值約1 000 A。需要說明，作為負載的濾波電抗取值應適當，若取值過大則成本、體積都會顯著增加，若取值過小，對電流的濾波效果會很差，不僅會增加試驗損耗，還會給系統(tǒng)的過流保護帶來困難。本系統(tǒng)的負載電抗選取為30%。

4 結論

本文介紹了一種適用于大功率逆變器功率測試的多功能自動測試平臺，可方便地實現(xiàn)大功率逆變器滿功率和過載沖擊測試，對設備組裝、整機硬件功能、溫升、過載能力做出充分驗證。該設備操作簡單，測試項目全面，測試過程自動化，測試功率范圍寬泛，能夠滿足設備出廠測試中設備檢查和功率測試的要求。目前，該裝置已完成對輸出電流200～1 000 A、輸出電壓380/660 V的IGBT通用大功率逆變器的功率測試，試驗結果表明其具有操作簡單、測試項目全面、試驗功耗小等優(yōu)點，完全勝任逆變器設備的出廠測試要求。

［1］蔡志偉.整流器試驗裝置及方法.中國：CN 102116850 A［P］. 2011-07-06．

［2］李興，李曠，左強，等.一種微功耗的變流器全負載試驗方法中國：CN 101539603 A［P］.2009-09-23．

Automatic Test Platform for Power Test of High Power Inverter

LIU Yang，TIAN Kai，LIU Yan?fang，ZHANG Xiang?qian，LI Bao?gang
（TianJin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

An automatic test platform for power test of high power inverter was introduced.The platform consisted of diode rectifier，IGBT inverter，master controller and three phase reactor.Through the three phase reactor，A，B，C phase outputs of platform were connected to A，B，C phase outputs of the tested inverter respectively.Also，the DC links were connected each other commonly.The master?slave controller mode was adopted，the master controller sended controlling messages to two slaves simultaneously，and then information from slaves was collected and processed.And meanwhile，it displayed the operation state when the platform working and information of equipment tested.Simple operation，low power consumption，automatic test flow are the advantages of this platform，it′s the very equipment for factory test.

high power inverter；power test；low power consumption；automation

TM464

A

2014-09-19

修改稿日期：2014-12-12

劉洋（1987-），男，碩士，助理工程師，Email：limao040@126.com