CN104375039A - 一种隔离型直流变压器测试系统 - Google Patents

Abstract

一种隔离型直流变压器测试系统，它包括直流主电源和能量回馈控制直流电源，所述直流主电源的交流输入端接三相电源，其直流输出端接被测试隔离型直流变压器的输入端，所述能量回馈控制直流电源的交流输入端接三相电源，其直流输出侧的正极与直流主电源的正极连接，负极与被测试隔离型直流变压器输出侧的正极连接，被测试隔离型直流变压器的输入侧的负极与输出侧的负极短接。本发明在隔离型直流变压器测试实验系统中配置了能量回馈控制直流电源，通过控制其输出电压不仅可以调节测试功率，而且还能够实现能量回馈。该系统降低了对测试主电源容量的要求，也不需要配置大容量负载，从而最大程度地减少了测试平台的投资以及测试过程中的能量消耗。

Description

一种隔离型直流变压器测试系统

技术领域

本发明涉及一种用于测试隔离型直流变压器（DC-DC变换器）的实验系统，属于变压器技术领域。

背景技术

随着大功率电力电子开关器件和新型铁磁材料等技术的进步，基于中高频变压器和大功率交直流变换器的电力电子变压器日益受到人们的重视。电力电子变压器，也称为固态变压器，相对于传统的工频电力变压器而言，由于采用了高频化技术，变压器的重量和体积都大为减小，加之新型铁磁材料（如非晶合金和纳米晶）的应用，变压器的损耗也进一步降低。

作为大功率电力电子变压器的核心组成部件，隔离型直流变压器（DC-DC变换器）的额定电压和额定电流都有较大提升，从而对测试平台提出了更高的要求。隔离型直流变压器最基本的功能就是能量传递，因此，其基本测试项目包括功率测试和控制功能测试。采用传统测试方法对隔离型直流变压器进行全功率测试时，一方面需要大容量电源提供功率输出，另一方面还需要负载消耗相应的功率，实现能量传递。这样的大功率测试平台不仅成本较高，而且电能浪费严重，因此有必要加以改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种隔离型直流变压器测试系统，以降低测试平台的建设成本，减少电能的浪费。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种隔离型直流变压器测试系统，构成中包括直流主电源和能量回馈控制直流电源，所述直流主电源的交流输入端接三相电源，其直流输出端接被测试隔离型直流变压器的输入端，所述能量回馈控制直流电源的交流输入端接三相电源，其直流输出侧的正极与直流主电源的正极连接，负极与被测试隔离型直流变压器输出侧的正极连接，被测试隔离型直流变压器的输入侧的负极与输出侧的负极短接。

上述隔离型直流变压器测试系统，所述直流主电源包括三绕组移相变压器、第一平波电抗器、两个三相晶闸管全控整流桥和两个滤波电容，三绕组移相变压器的输入绕组接三相电源，两个三相晶闸管全控整流桥串联连接后经第一平波电抗器接于被测试隔离型直流变压器的输入端，它们的输入端分别接三绕组移相变压器的不同输出绕组，两个滤波电容串联连接后接于被测试隔离型直流变压器的输入端，二者的串接点接地。

上述隔离型直流变压器测试系统，构成中还包括第二平波电抗器，所述第二平波电抗器连接在直流主电源与能量回馈控制直流电源的输出侧的正极之间。

上述隔离型直流变压器测试系统，所述能量回馈控制直流电源包括三相变压器、不控整流器和直流调压电路，所述三相变压器的输入端接三相电源，输出端经不控整流器给直流调压电路供电，所述直流调压电路的输出侧的正极与直流主电源的正极连接，负极与被测试隔离型直流变压器输出侧的正极连接，被测试隔离型直流变压器的测试功率通过PI控制器进行闭环无差控制，所述PI控制器的输入信号为测试对象实际输出的功率与功率给定之间的误差信号，输出为直流调压电路的控制输入信号。

上述隔离型直流变压器测试系统，所述直流调压电路为降压斩波电路，所述降压斩波电路包括降压斩波开关S0、降压斩波二极管D1和降压斩波电抗器L3，不控整流器输出侧的正极依次经降压斩波开关S0和降压斩波电抗器L3接直流主电源的正极，所述降压斩波二极管D1的正极接不控整流器输出侧的负极和被测试隔离型直流变压器输出侧的正极，其负极接降压斩波开关S0和降压斩波电抗器L3的串接点。

上述隔离型直流变压器测试系统，所述直流调压电路为隔离型DC/DC变换电路，所述隔离型DC/DC变换电路包括第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第三平波电抗器L4、高频隔离变压器Tx、四个电子开关和两个整流二极管，第三滤波电容C3接在不控整流器的输出端，四个电子开关接成单相全桥逆变电路，该单相全桥逆变电路的直流输入端接不控整流器的输出电压，交流输出端接高频隔离变压器Tx的输入端，高频隔离变压器Tx输出的交流电压先由两个整流二极管进行全波整流，再经第三平波电抗器L4和第四滤波电容C4滤波后得到的直流电压作为直流调压电路的输出电压。

本发明在隔离型直流变压器测试实验系统中配置了能量回馈控制直流电源，通过控制其输出电压不仅可以调节测试功率，而且还能够实现能量回馈。该系统降低了对测试主电源容量的要求，也不需要配置大容量负载，从而最大程度地减少了测试平台的投资以及测试过程中的能量消耗。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明的电原理图；

图2为直流调压电路原理图；

图3为能量回馈控制框图。

图1中各标号清单为：DC/DC、直流变压器，T1、三绕组移相变压器，T2、三相变压器，Z、不控整流器，G、直流调压电路，Q1、第一全控整流桥，Q2、第二全控整流桥，L1、第一平波电抗器，L2、第二平波电抗器，C1、第一滤波电容，C2、第二滤波电容。

图2中各标号清单为：S0、降压斩波开关，D1、降压斩波二极管，L3、降压斩波电抗器，C3、第三滤波电容，C4、第四滤波电容，S1～S4、第一电子开关～第四电子开关，Tx、高频隔离变压器，D21、第一整流二极管，D22、第二整流二极管，L4、第三平波电抗器。

具体实施方式

本发明提出了用于隔离型直流变压器测试的实验系统及能量回馈控制方法。所提出实验系统如图1所示，实验平台主要包括以下三个部分：

1）直流主电源：为测试提供直流电压Uin，基于安全考虑，可采用正负直流母线设计。直流主电源采用经典的基于晶闸管的12脉动整流电路，直流侧分压电容中点接地，以降低装置对绝缘要求的限制。

2）能量回馈控制直流电源：提供串入测试回路的可调直流电压Uc。当需要提供能量回馈时，通过改变串入的直流电压大小调节回路的电流，从而改变电力电子变压器传递的功率。

3）测试对象：直流变压器，实现功率传递和电压变换，输入直流电压为Uin，输出直流电压为Uout。图1中给出了该类变换器的一个拓扑示例，本发明针对的测试对象不限于示例拓扑。

当测试对象能够通过自身的控制实现功率控制和电压大小调节的时候，能量回馈控制直流电源的输出电压Uc为零，即不需附加的能量回馈控制。当测试对象不能主动控制传输功率大小的时候，需要能量回馈控制直流电源调节输出直流电压Uc，实现对测试对象传输功率大小的控制。

图2为所述能量回馈控制直流电源中直流调压电路的两种实现形式，其中，（a）为降压斩波电路，（b）为隔离型DC/DC调压电路。两种电路均可通过电力电子开关器件（如IGBT）进行控制，达到调节输出直流电压的目的，其控制方法由图3给出。

图3为能量回馈控制框图，给出了能量回馈控制的具体实现方法。图3中，Pref为测试对象需要输出的功率（功率给定），Pout为测试对象实际输出的功率（功率反馈），其值为测试对象输出的直流电压Uout与能量回馈回路流通的电流Ic的乘积。能量回馈控制采用一个PI控制器调节功率给定Pref与功率反馈Pout之间的误差，实现功率的无差调节。PI控制器的输出d为降压斩波电路的占空比或隔离型DC/DC调压电路的移相控制角，通过d的改变调节控制电压Uc，最终实现能量回馈环路功率大小的调节。具体原理为：

由图1电路所示的电压关系，有

，

而由测试对象的工作特性，可得

，

其中，Zeq为测试对象的等值阻抗。由上述两式不难看出，调节电压Uc，测试对象的输出直流电压Uout将随之发生变化，进而使得反馈回路的电流Ic改变，最终使得实际的功率反馈值Pout达到功率给定值，实现功率的无差调节。

当所述直流调压电路采用图2（a）所示的降压斩波电路时，d为主开关S0的占空比，根据降压斩波电路的工作原理，直流输出电压Uc为d与直流调压电路输入电压的乘积，当该输入电压不变而调节d时，即可改变直流调压电路的输出电压Uc。

当所述直流调压电路采用图2（b）所示的隔离型DC/DC调压电路时，d为S1~S4构成的单相全桥逆变电路的移相控制角（0°＜d＜180°），根据该电路的工作原理，直流输出电压Uc与d/180°、直流调压电路输入电压和Tx变比成正比，当该输入电压和Tx变比不变而调节d时，即可改变直流调压电路的输出电压Uc。

本发明具有以下特点和功能：

1）实验系统可用于隔离型直流变压器测试，具有能量回馈功能。

2）实验系统由直流主电源、能量回馈控制直流电源和测试对象三部分构成。

3）通过能量回馈控制直流电源输出电压的控制改变能量回馈环路的功率大小。

4）能量回馈控制采用PI控制实现功率闭环控制，使装置在实现能量回馈的同，实现了功率可控可调，满足测试需求。

本发明的实施步骤：

1）建立如图1所示的实验系统，提供一定电压的直流母线，便于直流变压器接入。直流母线的电压等级根据测试对象的要求，由基于十二脉动整流的直流主电源进行闭环调节。具体地，直流主电源由三绕组移相变压器T1、两个三相晶闸管全控整流桥、两个滤波电容和第一平波电抗器L1构成。采用直流电压反馈技术，控制晶闸管的触发角，可以实现直流母线电压的准确控制。

2）将能量回馈控制直流电源的直流输出端串联至直流变压器的能量回馈回路。具体地，能量回馈控制直流电源由三相变压器T2提供合适的交流电压，由三相不控整流器Z提供第一级直流电压，而由带电流（功率）反馈的直流调压电路输出第二级可调直流电压。为了改善能量回馈回路的电流波形，回路中还串联了第二平波电抗器L2。

3）能量回馈回路功率大小的调节。采用一个PI控制器调节功率给定与功率反馈之间的误差，实现无差调节，如图3所示，PI控制器的输出d为直流调压电路的占空比或移相控制角，通过d的改变调节控制电压Uc，最终实现能量回馈回路功率大小的调节。

本发明能够实现直流变压器的功率测试，尤其适用于无主动功率控制能力的直流变压器。

Claims (6)

1.一种隔离型直流变压器测试系统，其特征是，它包括直流主电源和能量回馈控制直流电源，所述直流主电源的交流输入端接三相电源，其直流输出端接被测试隔离型直流变压器(DC/DC)的输入端，所述能量回馈控制直流电源的交流输入端接三相电源，其直流输出侧的正极与直流主电源的正极连接，负极与被测试隔离型直流变压器(DC/DC)输出侧的正极连接，被测试隔离型直流变压器(DC/DC)的输入侧的负极与输出侧的负极短接。

2.根据权利要求1所述的隔离型直流变压器测试系统，其特征是，所述直流主电源包括三绕组移相变压器(T1)、第一平波电抗器(L1)、两个三相晶闸管全控整流桥和两个滤波电容，三绕组移相变压器(T1)的输入绕组接三相电源，两个三相晶闸管全控整流桥串联连接后经第一平波电抗器(L1)接于被测试隔离型直流变压器(DC/DC)的输入端，它们的输入端分别接三绕组移相变压器(T1)的不同输出绕组，两个滤波电容串联连接后接于被测试隔离型直流变压器(DC/DC)的输入端，二者的串接点接地。

3.根据权利要求2所述的隔离型直流变压器测试系统，其特征是，构成中还包括第二平波电抗器(L2)，所述第二平波电抗器(L2)连接在直流主电源与能量回馈控制直流电源的输出侧的正极之间。

4.根据权利要求1或2所述的隔离型直流变压器测试系统，其特征是，所述能量回馈控制直流电源包括三相变压器(T2)、不控整流器(Z)和直流调压电路(G)，所述三相变压器(T2)的输入端接三相电源，输出端经不控整流器(Z)给直流调压电路(G)供电，所述直流调压电路(G)的输出侧的正极与直流主电源的正极连接，负极与被测试隔离型直流变压器(DC/DC)输出侧的正极连接，被测试隔离型直流变压器(DC/DC)的测试功率通过PI控制器进行闭环无差控制，所述PI控制器的输入信号为测试对象实际输出的功率与功率给定之间的误差信号，输出为直流调压电路(G)的控制输入信号。

5.根据权利要求4所述的隔离型直流变压器测试系统，其特征是，所述直流调压电路(G)为降压斩波电路，所述降压斩波电路包括降压斩波开关（S0）、降压斩波二极管（D1）和降压斩波电抗器（L3），不控整流器(Z)输出侧的正极依次经降压斩波开关（S0）和降压斩波电抗器（L3）接直流主电源的正极，所述降压斩波二极管（D1）的正极接不控整流器(Z)输出侧的负极和被测试隔离型直流变压器(DC/DC)输出侧的正极，其负极接降压斩波开关（S0）和降压斩波电抗器（L3）的串接点。

6.根据权利要求5所述的隔离型直流变压器测试系统，其特征是，所述直流调压电路(G)为隔离型DC/DC变换电路，所述隔离型DC/DC变换电路包括第三滤波电容（C3）、第四滤波电容（C4）、第三平波电抗器（L4）、高频隔离变压器（Tx）、四个电子开关和两个整流二极管，第三滤波电容（C3）接在不控整流器(Z)的输出端，四个电子开关接成单相全桥逆变电路，该单相全桥逆变电路的直流输入端接不控整流器(Z)的输出电压，交流输出端接高频隔离变压器（Tx）的输入端，高频隔离变压器（Tx）输出的交流电压先由两个整流二极管进行全波整流，再经第三平波电抗器（L4）和第四滤波电容（C4）滤波后得到的直流电压作为直流调压电路(G)的输出电压。