專利名稱：能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，尤其是涉及一種能對變頻調速器、AC變頻器、電機、變壓器、開關和電力電子元件等類產品進行耐久加載試驗或耐短路能力試驗時節(jié)約用電或減少供配電容量的一種能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)。
背景技術：
一般的電機、變壓器、開關、電力電子元件、變頻調速器、UPS等行業(yè)，在進行最終產品加載試驗時，都需要消耗被試產品額定容量110％的試驗電能；其次是要求向測試裝置提供被試產品最大規(guī)格容量4-6倍的供配電系統(tǒng)；問題之三是負載多為消耗型或回饋電網(wǎng)，前者因能量消耗化為熱能引起負載不穩(wěn)定，后者能量回饋電網(wǎng)極易對電網(wǎng)造成污染；問題之四是整個試驗程序的建立速度很慢，過程復雜，裝置體積大、負載不穩(wěn)定等等，導致整個試驗系統(tǒng)占用空間大、消耗能量高、一次性投資大，試驗時間也很長，有時還必須對供配電系統(tǒng)進行擴大容量的改造，才能滿足試驗要求。
以下是目前要進行一個開關類耐短路電流試驗所需的電量，如圖1所示，為GB15092-115A開關耐短路電流試驗的原理圖，圖中U～為試驗電源，電壓U≤300V～，電流A≥1500A～2000A；Z1為短路電流負載電阻；Z2為被試開關S調節(jié)額定電流的負載電阻；K為耐短路電流的控制開關，當K打開時被試產品S通過額定電流，當K合閘時開關S通過短路電流。I2t預期允通值為15000A2S(安2·秒)。
為進行15A開關的耐短路電流試驗方案，要求的單相試驗電源容量為450KVA(300V×1500A)，要求供配電系統(tǒng)容量為1.73×450＝778.5KVA。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種可節(jié)能、且占地少的能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術方案是提供一種能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，由主變換器、能量轉換單元、從變換器組成，能量轉換單元兩端分別與主變換器和從變換器連接，從變換器與主變換器連接。
所述的主變換器為SPWM-IGBT組成的恒壓源逆變器，根據(jù)能量轉換單元的類別，它可以是VVVF恒壓源逆變器，也可以是CVCF恒壓源逆變器；它可以是被試產品，也可以是為被試產品提供相應的交流電源。
所述的能量轉換單元可以是一個電動機和發(fā)電機的組合，即實現(xiàn)電能→機械能→電能的轉換；也可以是變壓器—電感、電容的組合，即實現(xiàn)電能→高頻電能→電能的轉換；能量轉換單元可以是被試產品，也可以是被試產品的負載。
所述的從變換器為雙向恒壓源整流逆變器，可以是復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器，也可以是復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器；它是由復激裝置、SPWM-IGBT雙向整流逆變器、狀態(tài)指示器組合而成，SPWM-IGBT雙向整流逆變器從復激裝置取得他激能量，從能量轉換單元取得自激能量，復激裝置讓自激能量儲存于大容量電容器內，并使從變換器的恒壓源電壓迅速增加，當其電壓大于主變換器的恒壓源電壓時能量就回饋給主變換器的恒壓源，通過從變換器對能量轉換單元的控制實現(xiàn)對被試產品進行平滑加載。
本發(fā)明采用能量轉換的方法將能量回收并再次轉換成電能供測試件用，能量轉換單元可以將主變換器提供的電能無損耗地轉換成可被控制的電能，從變換器從能量轉換單元汲取能量，并能對轉換單元的能量轉換進行平滑、穩(wěn)定的控制，然后將轉換后的能量回饋給主變換器，從而達到節(jié)能的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.節(jié)能效果顯著由于能量可循環(huán)利用，因此整個試驗過程僅需耗費被試產品容量10％-20％的電能。
2.配電系統(tǒng)容量大幅度降低由于可節(jié)能，因而大大降低了對供配電系統(tǒng)容量的要求，現(xiàn)用供配電系統(tǒng)容量僅是原來的25％，使得裝置的一次性投資大幅度減少。
3.占用空間明顯下降裝置設計時，已經考慮涵蓋了整個系列最小規(guī)格和最大規(guī)格的產品，因此完成全系列最終產品試驗只需一套主、從電力變換器系統(tǒng)，減少了裝置占用空間。
4.試驗效率顯著提高裝置采用軟件技術進行試驗采樣、分析和測試，整個試驗程序的建立速度是最快的，試驗時間大大減少，顯著提高了生產企業(yè)的產品試驗效率。
5.加載穩(wěn)定測試精度高本測試設備采用非消耗型加載方式，不發(fā)熱，與加載時間長短無關，負載穩(wěn)定。
6.可靠性高本裝置具有軟加載特性，并有多種保護功能。
7.綠色化能量內部循環(huán)顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次，不回饋電網(wǎng)，對電網(wǎng)亦不產生污染，符合國際電工委員會(IEC)制定的一系列標準。


圖1為GB15092-1開關耐短路電流試驗原理圖；圖2為能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)框圖；圖3為從變換器方框圖；圖4為變頻調速器加載試驗裝置實施方案圖；圖5為電機類加載試驗裝置實施方案圖；圖6為開關耐短路電流試驗實施方案圖；圖7為變壓器加載試驗裝置實施方案圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖2所示，為能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)框圖，所述的一種能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，由主變換器1，能量轉換單元2，從變換器3組成，能量轉換單元2兩端分別與主變換器1和從變換器3連接，從變換器3與主變換器1連接，能量轉換單元2可以將主變換器1提供的電能無損耗地轉換成可被控制的電能，從變換器3從能量轉換單元2汲取能量，并能對能量轉換單元2的能量轉換進行平滑、穩(wěn)定的控制，然后將轉換后的能量回饋給主變換器1。
所述的主變換器1為SPWM-IGBT組成的恒壓源逆變器，根據(jù)能量轉換單元的類別，它可以是VVVF恒壓源逆變器，也可以是CVCF恒壓源逆變器；它可以是被試產品，也可以是為被試產品提供相應的交流電源。
所述的能量轉換單元2可以是一個電動機和發(fā)電機的組合，即實現(xiàn)電能→機械能→電能的轉換，它是利用電機的電磁能量實現(xiàn)能量的傳輸；也可以是變壓器—電感、電容的組合，即實現(xiàn)電能→高頻電能→電能的轉換，它是利用變壓器的漏感能量實現(xiàn)能量的傳輸。兩者特別適用于高效率、高功率密度的能量傳輸，能量轉換單元2可以是被試產品，如電機、變壓器等；也可以是被試產品，如能量變換器——主變換器1的負載。
如圖3所示，為從變換器方框圖。所述的從變換器3為雙向恒壓源整流逆變器，是一個復激式雙向恒壓源整流逆變器。根據(jù)能量轉換單元的類別，它可以是復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器，也可以是復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器。它是由復激裝置5、SPWM-IGBT雙向整流逆變器6和狀態(tài)指示器7組合而成，SPWM-IGBT雙向整流逆變器6從復激裝置5取得他激能量，從能量轉換單元2取得自激能量，復激裝置5讓自激能量儲存于大容量電容器內，并使從變換器的恒壓源電壓迅速增加，當其電壓大于主變換器的恒壓源電壓時能量就回饋給主變換器1的恒壓源，通過從變換器3對能量轉換單元2的控制實現(xiàn)對被試產品進行平滑加載。
實施例1變頻調速器加載試驗如圖4所示，為變頻調速器加載試驗裝置實施方案圖，與市電相聯(lián)的是主變換器1，也就是VVVF恒壓源變頻調速器，與主變換器1的輸出連結的是n臺同軸的異步電機組，這n臺同軸異步電機組構成能量轉換單元2，它把主變換器1輸出的電能轉換成異步電動機的機械能，通過同軸的異步發(fā)電機再把機械能轉換成電能，與異步發(fā)電機連接的是從變換器3，它是一臺復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器，由復激裝置5、SPWM-IGBT雙向整流逆變器6和狀態(tài)指示器7組成，復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器的控制原則為1.電動機與發(fā)電機轉向相同；2.輸出頻率f調至f＝f0，即同步頻率f0＝np/60，其中n為空拖轉速，p為異步發(fā)電機極對數(shù)；3.然后調節(jié)頻差Δf＝f0-f，Δf越大，負載越大。
通過控制從變換器3的頻率、電壓，使與它相連接的異步電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，而且它與變頻調速器即主變換器1的頻差越大，變頻調速器的負載也就越大，此時，異步發(fā)電機發(fā)出的交流電經過從變換器3回饋給變頻調速器1，與電網(wǎng)一起給異步電動機提供能量，電網(wǎng)提供的能量僅用于系統(tǒng)的機械損耗和鐵損，異步電動機所需的大部分電能則由回饋能量供給。
本測試系統(tǒng)能自動判別。當條件不能同時滿足時，自動判別系統(tǒng)讓狀態(tài)指示器設定錯誤狀態(tài)，并使報警指示燈點亮。
表1變頻調速器負載試驗實際耗能占產品試驗容量百分比

表1示出了變頻調速器系列采用本實施方案進行產品負載試驗時實際從電網(wǎng)汲取的電能與負載試驗消耗電能的百分比，表中數(shù)據(jù)清楚地表明因試驗過程中的能源內部循環(huán)利用，實際消耗電能不到被試產品容量的20％，比常規(guī)試驗方法節(jié)約了80％左右的電能。
實施例2電機類的加載試驗如圖5所示，為電機類加載試驗裝置實施方案圖，此時，被試產品是電機，主變換器1是CVCF恒壓源逆變器，使用IGBT作為開關元件，載波頻率為9.6KHz或19.2KHz，是一種電壓、頻率均可調節(jié)，性能規(guī)格符合各國標準的電源，由它給被試電機供電，被試電機M與異步發(fā)電機D同軸連接作為能量轉換單元2，此時，被試電機M把主變換器1輸出的電能轉換為機械能，異步發(fā)電機D把機械能再轉換為電能，與異步發(fā)電機輸出連接的從變換器3同樣是復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器，由復激裝置5、SPWM-IGBT雙向整流逆變器6和狀態(tài)指示器7組成，復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器的控制原則為1.電動機與發(fā)電機轉向相同；2.輸出頻率f調至f＝f0，即同步頻率f0＝np/60，其中n為空拖轉速，p為異步發(fā)電機極對數(shù)；3.然后調節(jié)頻差Δf＝f0-f，Δf越大，負載越大。
通過控制從變換器的頻率、電壓，即可實現(xiàn)對被試電機進行平滑、穩(wěn)定的加載，同樣，通過從變換器把發(fā)電機的能量回饋給主變換器，實現(xiàn)能量的可循環(huán)利用。
實施例3開關耐短路電流試驗實施方案如圖6所示，為開關耐短路電流試驗實施方案圖，與市電相聯(lián)的主變換器1是CVCF恒壓源逆變器，為被試開關S提供一種電壓、頻率均可調節(jié)，性能符合各國標準的CVCF-100KVA標準電源。主變換器1的輸出聯(lián)接的是由主變壓器T主、從變壓器T從、電感電容組成的能量轉換單元2，它同時有電壓隔離、電壓匹配、能量傳輸?shù)墓δ?，T從與從變換器3連接。從變換器3是復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器，由復激裝置5、SPWM-IGBT雙向整流逆變器6和狀態(tài)指示器7組合而成，復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器的控制原則為1.輸出電壓V從與主變換器輸出電壓V主同頻率、同相位；2.V從調至V從＝V主；3.然后調節(jié)壓差ΔV＝V主-V從，ΔV越大，負載越大。
通過控制從變換器3的輸出電壓V從，使它的頻率、電壓、相位與主變換器的輸出電壓V主的頻率、電壓幅值、相位相同，調節(jié)壓差ΔV＝V主-V從就可調節(jié)被試開關S通過的電流，壓差越大，負載就越大，此時，主變換器1輸出的交流電通過變壓器(T主，T從)漏感能量實現(xiàn)能量的傳輸，經過從變換器3回饋給主變換器1，與電網(wǎng)一起給變壓器(T主，T從)供電，電網(wǎng)提供的能量僅用于變壓器的鐵損，開關S試驗所需的絕大部分電能則由回饋能量供給，按波峰因數(shù)比5∶1計算，15A開關耐短路電流1500A需要300A、300V，其額定容量為90KVA，因此選用100KVA的主變換器1和從變換器3，其所需要的輸入3Φ電網(wǎng)容量為10KVA。
可見，開關耐短路電流試驗按本發(fā)明的實施方案，與背景技術中的GB15092-1 15A開關耐短路電流試驗需要電容量778.5KVA相比，其供配電容量可減少70倍以上。
實施例4變壓器加載試驗如圖7所示，為變壓器加載試驗裝置實施方案圖，與電網(wǎng)相連的主變換器1是CVCF恒壓源逆變器，是一種電壓、頻率均可調節(jié)，性能規(guī)格符合各國標準的仿真電源，由它給被試變壓器T供電，T的付邊與儲能元件T從相連，T主、T從與T共同組成能量轉換單元2，T為被測產品。與儲能元件T從相連接的是從變換器3，從變換器3是復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器，由復激裝置5、SPWM-IGBT整流逆變器6和狀態(tài)指示器7組合而成，復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器的控制原則為1.輸出電壓V從與主變換器輸出電壓V主同頻率、同相位；2.V從調至V從＝V主；3.然后調節(jié)壓差ΔV＝V主-V從，ΔV越大，負載越大。
通過對從變換器的控制，即可對被試變壓器進行平滑、穩(wěn)定的加載試驗，同樣具有良好的節(jié)能效果。
本發(fā)明對整個加載試驗過程通過從變換器3對能量轉換單元2的控制，達到了操作簡單、加載平滑、試驗精度高、可靠性高等目的，試驗過程能節(jié)約80％-90％的電能；大幅降低試驗成本，供配電系統(tǒng)不須擴容就可達到試驗效果。
權利要求
1.一種能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，由主變換器(1)，能量轉換單元(2)，從變換器(3)組成，能量轉換單元(2)兩端分別與主變換器(1)和從變換器(3)連接，從變換器(3)與主變換器(1)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，所述的主變換器(1)為SPWM-IGBT組成的恒壓源逆變器，可以是VVVF恒壓源逆變器，也可以是CVCF恒壓源逆變器；可以是被試產品，也可以是為被試產品提供相應的交流電源。
3.根據(jù)權利要求1所述的能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，所述的能量轉換單元(2)可以是一個電動機和發(fā)電機的組合，也可以是變壓器—電感、電容的組合，可以是被試產品，也可以是被試產品的負載。
4.根據(jù)權利要求1所述的能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，所述的從變換器(3)為復激式雙向恒壓源整流逆變器，可以是復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器，也可以是復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器，所述的從變換器(3)由復激裝置(5)、SPWM-IGBT雙向整流逆變器(6)、狀態(tài)指示器(7)組合而成。
5.根據(jù)權利要求4所述的能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，所述的復激式恒壓源VVVF雙向整流逆變器的控制原則為a)電動機與發(fā)電機同軸轉向相同；b)輸出頻率f調至f＝f0，即同步頻率f0＝np/60，其中n為空拖轉速，p為異步發(fā)電機極對數(shù)；c)然后調節(jié)頻差Δf＝f0-f，Δf越大，負載越大。
6.根據(jù)權利要求4所述的能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，所述的復激式恒壓源CVCF雙向整流逆變器的控制原則為a)輸出電壓V從與主變換器輸出電壓V主同頻率、同相位；b)V從調至V從＝V主；c)然后調節(jié)壓差ΔV＝V主-V從，ΔV越大，負載越大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能量可循環(huán)的加載用電力變換器系統(tǒng)，其特征在于，由主變換器、能量轉換單元、從變換器組成，主變換器為能量轉換單元提供一種電壓、頻率均可調節(jié)，性能規(guī)格符合檢測標準的交流電源；從變換器為能量轉換單元提供一種負載可平滑調節(jié)，控制簡單，而且能把經過變換的能量回饋給主變換器的控制裝置；能量轉換單元把主變換器從電網(wǎng)汲取的能量轉換成可被控制的能量，并通過從變換器回饋給主變換器，再供給被試產品進行產品測試工作，實現(xiàn)能量的循環(huán)。被試產品在整個耐久加載試驗過程中，僅耗費被試產品容量10％～20％的能量；被試產品在耐短路電流能力試驗過程中僅需被試產品短路容量10％的供配電容量。
文檔編號H02M5/00GK1855683SQ20051002556
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權日2005年4月29日
發(fā)明者張錦舟 申請人:上海電動工具研究所