交流電子負載模擬裝置的製作方法
2023-07-01 12:08:41
專利名稱：交流電子負載模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種交流電子負載模擬裝置，特別是指一種可模擬電阻性、電感性、及電容性等不同交流負載性的交流電子負載模擬裝置。
在現代工業儀器、電氣設備中經常都需要使用交流電源設備。例如目前工業界中經常所使用的交流電源設備，包括有不斷電電源(UPS)、反相器(INVERTER)、穩壓器(VOLTAGE REGULATOR)、放大器(AMPLIFIER)等。這些各式交流電源設備在設計、組裝完成之後，為了要了解其各項電氣特性，經常都需要連接實際的電氣負載，來作各項電氣特性的測試、記錄、改進。由於必需要準備各式的交流電子負載模擬裝置，以便實際連接至該交流電源設備，故在進行測試時，極為不便，工作效率無法提升。
因此，為了要克服常用技術中採用實體負載連接的不便，故有交流電子負載模擬裝置的研發。然而，在一般常用的交流電子負載模擬裝置中，一般僅用於電熱器電燈泡等電阻性負載的測試，並不適合用於電感性或電容性負載的測試，亦不適合用於複合性負載的電流波形測試。而在部分宣稱可以作電感生或電容性測試的常用交流電子負載模擬裝置中，實際上在進行測試時，都會有電磁幹擾等問題。
因此，本發明的主要目的是提供一種交流電子負載模擬裝置的電路設計，其可模擬各式電阻性、電感性、及電容性等不同交流負載特性的交流電子負載模擬裝置。本發明適合用於測試各式交流電源，例如不斷電電源(UPS)、反相器(INVERTER)、穩壓器(VOLTAGE REGULATOR)、放大器(AMPLIFIER)等交流電源設備。
本發明的另一目的是提供一種可任意調整負載形態的交流電子負載模擬裝置。在本發明中，以相位控制來產生一與電源電壓同相、落後或超前的電流控制波形，再配合電壓電流相位控制電路、開關電路、整流電路、電壓至電流轉換電路等構件，而可模擬任何複合性負載的電流波形，包括整流性負載、整流性與電感性複合、整流性與電容性複合等，且模擬的電流波形正負半周對稱。在功率因素方面，可控制的功率因素達-1.000～0～+1.000。
本發明的目的可以按下述方式實現，本發明一種交流電子負載模擬裝置，其特徵在於包括有一電壓零交越偵測電路，兩輸入端是跨接於交流電源，以在交流電源每一周波的正半周時，由其輸出端送出一個計數脈波；一電流波形產生電路，接收該電壓零交越偵測電路所產生的計數脈波，並依據一電流相位設定電路的設定，產生一相位控制信號；一電壓電流相位控制電路，分別接收該電流波形產生電路所產生的相位控制信號與電壓零交越偵測電路所產生的計數脈波，而由其輸出端產生一第一及第二開關控制信號；一開關電路，其包括有四個切換開關，其中第一切換開關及第四切換開關是呈對配置，受該電壓電流相位控制電路的第一開關控制信號所控制，而第二切換開關及第三切換開關是呈對配置，受該電壓電流相位控制電路的第二開關控制信號所控制；一整流電路，並接在該開關電路的兩輸出端，將開關電路所送出的交流電源予以整流，在輸出端產生一直流電壓；一電壓至電流轉換電路，連接在整流電路的輸出端，在相位控制信號的控制之下，該整流電路所輸出的直流電壓轉換為一負載電流。更包括有一電流準位控制電路，連接在電流波形產生電路的輸出端，用以調節該電流波形產生電路所產生的相位控制波形的信號準位。該交流電源電流是與交流電源的電壓同相。該交流電源電流是落後或超前交流電源的電壓一相位角。
以下將配合本發明的較佳實施例電路圖及波形圖，對本發明作進一步的說明如後，其中
圖1是本發明的較佳實施例電路圖；圖2是本發明模擬純電阻性負載時各相關節點的波形圖；圖3是本發明模擬電感性負載時各相關節點的波形圖；圖4是本發明在模擬電容負載時各相關節點的波形圖。
1……交流電源 2……開關電路
3……整流電路 4……電壓至電流轉換電路5……電壓零交越偵測電路 6……電流波形產生電路61……電流相位設定電路7……電流準位控制電路71……電流準位設定電路8……電壓電流相位控制電路如圖1所示，是本發明電路圖。本發明的交流電子負載模擬裝置主要包括有一開關電路2、一整流電路3、一電壓至電流轉換電路4、一電壓零交越偵測電路5、一電流波形產生電路6、一電流相位設定電路61、一電流準位控制電路7、一電流準位設定電路71、一電壓電流相位控制電路8。
其中開關電路2是跨接於交流電源1，其包括有四個切換開關SWA～SWD，其中第一切換開關SWA及第四切換開關SWD是呈對配置，可受電壓電流相位控制電路8所輸出的第一開關控制信號SWAD所控制；而第二切換開關SWB及第三切換開關SWC是呈對配置，可受電壓電流相位控制電路8所輸出的第二開關控制信號SWBC所控制。故當交流電源1的電壓VS在正半周時，可經由第一切換開關SWA及第四切換開關SWD形成一迴路；而當交流電源1的電壓VS在負半周時，可經由第三切換開關SWC及第二切換開關SWB形成一迴路。
整流電路3是並接在該開關電路2的兩輸出端，用以將開關電路2所送出的交流電壓VL予以整流，以在輸出端產生一直流電壓VD。該整流電路3內部包括有四個二極體，形成一全波整流電路。
電壓至電流轉換電路4連接在整流電路3的輸出端，在相位控制信號的控制之下，將該整流電路3所輸出的直流電壓VD轉換為一負載電流IL。
電壓零交越偵測電路5的兩輸入端是跨接於交流電源1，每當該交流電源1的相角為0時，即可由該偵測電路5予以偵測出，並在交流電源1每送出一個周波時，即可由電壓零交越偵測電路5的輸出端送出一個計數脈波至輸出端。故可在該電壓零交越偵測電路5的輸出端產生一串的計數脈波VA。
電流波形產生電路6接收該電壓零交越偵測電路所產生的計數脈波VA，並依據電流相位設定電路61的設定，產生一與交流電源的電壓VS同相、落後或超前的相位控制信號VP。在本發明的實施例中，該電流波形產生電路6的內部可包括有一波形資料記憶體、計數器、以及數字至類比轉換器，藉由此一電路結構，可很容易產生所需的與交流電源電壓VS同相、落後或超前的輸出波形。
該電流波形產生電路6所產生的相位控制信號VP可再經由一電流準位控制電路，用以調節該相位控制信號VP的信號準位。此一功能實際上即是設定所需的負載電流準位。
電壓電流相位控制電路8的兩輸入端分別接收該電流波形產生電路6所產生的相位控制信號VP與電壓零交越偵測電路5所產生的計數脈波VA，而由其輸出端產生第一開關控制信號SWAD及第二開關控制信號SWBC。
由於交流負載可能為電阻性、電感性、電容性等不同特性的負載，故在模擬一電子負載時，必需要能符合這些特性，才能符合實際的需求，以下將分別以純電阻性、電感性、電容性的負載特性說明如後。
一、電阻性負載電阻性負載的特性乃是電流與電壓同相。因此，本發明必需要產生一個與交流電源電壓VS同相的交流電流IS。茲同時參閱圖1的電路及圖2所示的波形，說明如下電壓零交越偵測電路5的兩輸入端是跨接於交流電源1，而在其輸出端可送出一序列的計數脈波VA。計數脈波VA送至電流波形產生電路6之後，由於是模擬電阻性負載，故此時該電流相位設定電路61乃設定為電阻性。因此，該電流波形產生電路6即會依據電流相位設定電路61的設定，而產生一與交流電源電壓VS同相的相位控制波形VP。
該相位控制波形VP與計數脈波VA會同時送到電壓電流相位控制電路8中，再由電壓電流相位控制電路8的輸出端產生一組開關控制信號SWAD、SWBC。為了要得到該開關控制信號SWAD、SWBC，該電壓電流相位控制電路8可採用一般已知的邏輯電路(例如互斥或閘)來設計。
開關控制信號SWAD即用來控制開關電路2中的第一切換開關SWA、及第四切換開關SWD的開關狀態；而開關控制信號SWBC即用來控制開關電路2中的第二切換開關SWB、及第三切換開關SWC的開關狀態。
在電阻性負載時，該開關控制信號SWAD乃恆為高態，而開關控制信號SWBC乃恆為低態。因此，可以在開關電路2的輸出端產生一與交流電源的電壓VS相同的電壓波形VL。該電壓波形VL會經由整流電路3作全波整流，而產生了一整流輸出波形VD。
該整流輸出波形VD送到電壓至電流轉換電路4的兩端，然後，再配合前述相位控制信號VP′的控制，使該電壓至電流轉換電路4產生一個負載電流11。在取得該負載電流IL之後，由於其相位乃與交流電源的電壓VS同相，故實際上即是在交流電源端得到一與交流電源電壓VS同相的電源電流IS。
二、電感生負載電感性負載的特性乃是電流落後電壓某一相位角。因此，本發明必需要產生一個落後交流電源電壓VS某一相位角的交流電流IS。在電感生負載時，各相關波形如圖3所示。
電壓零交越偵測電路5的兩輸入端是跨接於交流電源1，而在某輸出端可送出一序列的計數脈波VA。計數脈波VA送至電流波形產生電路6之後，由於是模擬電感性負載，故此時該電流相位設定電路61乃設定為電感性。因此，該電流波形產生電路6即會依據電流相位設定電路61的設定，而產生一落後於交流電源電壓VS某一角度θ的相位控制波形VP。
該相位控制波形VP與計數脈波VA會同時送到電壓電流相位控制電路8中，再由電壓電流相位控制電路8的輸出端產生一組開關控制信號SWAD、SWBC。
該相位控制波形VP與計數脈波VA會同時送到電壓電流相位控制電路8中，再由電壓電流相位控制電路8的輸出端產生一組開關控制信號SWAD、SWBC。
該開關控制信號SWAD即用來控制開關電路2中的第一切換開關SWA、及第四切換開關SWD的開關狀態；而開關控制信號SWBC即用來控制開關電路2中的第二切換開關SWB、及第三切換開關SWC的開關狀態。
在電感性負載時，該開關控制信號SWAD與SWBC的時序關係如圖3所示。在開關控制信號SWAD及SWBC控制開關電路2中的各個切換開關SWA～SWD動作的結果，使得該開關電路2的輸出端產生電壓波形VL。例如，以第一個周波為例，當第一及第四切換開關SWA及SWD閉合、而第二及第三切換開關SWB及SWC截止時，交流電源1的電壓VS得以送至整流電路3的輸入端。而當交流電源1的電壓VS隆至0時，第一及第四切換開關SWA及SWD截止、第二及第三切換開關SWB及SWC閉合。在此期間，在該開關電路2的輸出端產生一正向的電壓波形VL′。
接著，當電流的相位為0時，第一及第四切換開關SWA、SWD再度閉合，第二及第三切換開關SWB、SWC則開路，故該交流電源電壓VS的負半周出現在該開關電路2的輸出端。以此類似的動作原理，而在開關電路2的輸出端得到如圖所示的電壓波形VL。
經由上述的波形處理之後，該電壓波形VL再經由整流電路3作全波整流，而產生了一整流輸出波形VD。
該整流輸出波形VD送到電壓至電流轉換電路4的兩端，然後，再配合前述相位控制信號VP的控制，使該電壓至電流轉換電路4產生一個負載電流IL。在取得該負載電流IL之後，由於其相位乃落後交流電源的電壓VS一相位角θ，故實際上即是在交流電源端得到一落後於交流電源電壓VS某一相位角的電源電流IS。
三、電容性負載電容性負載的特性乃是電流超前電壓某一相位角。因此，本發明必需要產生一個超前交流電源電壓VS某一相位角的交流電流IS。在電容性負載時，各相關波形如圖4所示。
電壓零交越偵測電路5的兩輸入端是跨接於交流電源1，而在其輸出端可送出一序列的計數脈波VA。計數脈波VA送至電流波形產生電路6之後，由於是模擬電容性負載，故此時該電流相位設定電路61乃設定為電容性。因此，該電流波形產生電路6即會依據電流相位設定電路61的設定，而產生一超前於交流電源電壓VS某一角度θ的相位控制波形VP。
該相位控制波形VP與計數脈波VA會同時送到電壓電流相位控制電路8中，再由電壓電流相位控制電路8的輸出端產生一組開關控制信號SWAD、SWBC。
該相位控制波形VP與計數脈波VA會同時送到電壓電流相位控制電路8中，再由電壓電流相位控制電路8的輸出端產生一組開關控制信號SWAD、SWBC。
該開關控制信號SWAD即用來控制開關電路2中的第一切換開關SWA、及第四切換開關SWD的開關狀態；而開關控制信號SWBC即用來控制開關電路2中的第二切換開關SWB、及第三切換開關SWC的開關狀態。
在電容性負載時，該開關控制信號SWAD與SWBC的時序關係如圖4所示。在開關控制信號SWAD與SWBC控制開關電路2中的各個切換開關SWA～SWD動作的結果，使得該開關電路2的輸出端產生了一個電壓波形VL。例如，以第一個周波為例，當第一及第四切換開關SWA及SWD閉合時，交流電源1的電壓VS得以送至整流電路3的輸入端。而當交流電源1的電壓VS降至某一電壓值時(即電流值為0時)，第一及第四切換開關SWA、SWD截止，改由第二及第三切換開關SWB、SWC閉合，故在該開關電路2的輸出端會產生一負向的波形VL＂。
接著，當交流電源1的電壓VS到達零值之後，第一及第四切換開關SWA、SWD再度閉合，第二及第三切換開關SWB、SWC則開路。故該交流電源電壓VS的負半周出現在該開關電路2的輸出端。以此類似的動作原理，而在開關電路2的輸出端得到如圖所示的電壓波形VL。
經由上述的波形處理之後，該電壓波形VL再經由整流電路3作全波整流，而產生了一整流輸出波形VD。
該整流輸出波形VD送到電壓至電流轉換電路4的兩端，然後，再配合前述相位控制信號VP的控制，使該電壓至電流轉換電路4產生一個負載電流IL。在取得該負載電流IL之後，由於其相位乃超前交流電源的電壓VS一相位角θ，故實際上即是在交流電源端得到一超前於交流電源電壓VS某一要位角的電源電流IS。
權利要求
1.一種交流電子負載模擬裝置，其特徵在於包括有一電壓零交越偵測電路，兩輸入端是跨接於交流電源，以在交流電源每一周波的正半周時，由其輸出端送出一個計數脈波；一電流波形產生電路，接收該電壓零交越偵測電路所產生的計數脈波，並依據一電流相位設定電路的設定，產生一相位控制信號；一電壓電流相位控制電路，分別接收該電流波形產生電路所產生的相位控制信號與電壓零交越偵測電路所產生的計數脈波，而由其輸出端產生一第一及第二開關控制信號；一開關電路，其包括有四個切換開關，其中第一切換開關及第四切換開關是呈對配置，受該電壓電流相位控制電路的第一開關控制信號所控制，而第二切換開關及第三切換開關是呈對配置，受該電壓電流相位控制電路的第二開關控制信號所控制；一整流電路，並接在該開關電路的兩輸出端，將開關電路所送出的交流電源予以整流，在輸出端產生一直流電壓；一電壓至電流轉換電路，連接在整流電路的輸出端，在相位控制信號的控制之下，該整流電路所輸出的直流電壓轉換為一負載電流。
2.如權利要求1所述的交流電子負載模擬裝置，其特徵在於更包括有一電流準位控制電路，連接在電流波形產生電路的輸出端，用以調節該電流波形產生電路所產生的相位控制波形的信號準位。
3.如權利要求1所述的交流電子負載模擬裝置，其特徵在於該交流電源電流是與交流電源的電壓同相。
4.如權利要求1所述的交流電子負載模擬裝置，其特徵在於該交流電源電流是落後交流電源的電壓一相位角。
5.如權利要求1所述的交流電子負載模擬裝置，其特徵在於該交流電源電流是超前交流電源的電壓一相位角。
全文摘要
本發明是關於一種交流電子負載模擬裝置,特別是指一種可模擬電阻性、電感性、及電容性等不同交流負載性的交流電子負載模擬裝置。其特徵在於包括有:一電壓零交越偵測電路,兩輸入端是跨接於交流電源,一電流波形產生電路,一電壓電流相位控制電路,一開關電路,其包括有四個切換開關,一整流電路,並接在該開關電路的兩輸出端,一電壓至電流轉換電路,連接在整流電路的輸出端。以相位控制來產生一與電源電壓同相、落後或超前的電流控制波形,而可模擬任何複合性負載的電流波形。
文檔編號G01R31/00GK1259674SQ98124698
公開日2000年7月12日 申請日期1998年11月6日 優先權日1998年11月6日
發明者劉英彰 申請人:劉英彰