能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置的製作方法
2023-10-04 02:36:14 2
專利名稱：能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子負載模擬裝置，具體涉及一種通過電力電子變換電路實現任意負載特性模擬及能量回饋電網的節能型交直流通用電子負載模擬裝置。
背景技術：
各類交流電源、直流電源在研發過程中或產品出廠前都需要進行帶載實驗，以檢驗電源的電氣性能。負載的構成方式有兩種一種是由電阻器、電感器、電容器等無源器件組成，這是最傳統的負載構成方式，這種負載存在以下缺點1)負載大小參數調節不便，不易精確控制；2)負載大小及參數的穩定度不高，隨負載溫度的變化而變化；3)負載發熱會使環境穩溫度升高。
另一種是由電力電子器件及電阻器組成的電子負載，現有的電子負載雖然克服了傳統負載存在的參數調節不便、穩定度不高的缺點，但仍存在以下缺點1)通用性不強。直流電子負載僅適用於直流電源，交流電子負載僅適用於交流電源，還沒有一種電子負載能同時適用於直流電源和交流電源；
2)目前交流電子負載僅能模擬阻性負載及整流負載，不能模擬任意功率因數線性負載的外特性；3)功耗大。功耗來自兩個方面，包括工作於線性區的電力電子器件的功耗和電阻器的功耗，仍然存在負載發熱使環境溫度升高的問題。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有電子負載通用性不強，不能模擬任意功率因數的線性負載以及功耗大的缺點，提供一種電子負載解決方案。該方案能同時適用於直流電源和交流電源，不僅能模擬任意功率因數的線性負載，而且能模擬任意波形的非線性負載，同時能將輸入電能中的大部分回送電網，自身損耗也很小。
本發明通過設計一種能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置並通過其技術方案實現其目的。
能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置以具有公共直流母線的兩級PWM逆變器構成，其中輸入全橋PWM逆變器經輸入濾波電感L1接被試電源u1構成電子負載的負載特性模擬部分；輸出全橋PWM逆變器經隔離變壓器T、輸出濾波電感Ls接電網us，構成電子負載的能量回饋部分，輸入全橋PWM逆變器通過電容C與輸出全橋PWM逆變器並聯連接。
負載特性模擬部分和能量回饋部分在控制上互相獨立，負載特性模擬控制部分控制輸入負載電流的幅值和波形，能量回饋控制部分控制輸出網側電流的波形及直流側母線電壓。
負載特性模擬控制部分包括負載電流波形指令產生單元和負載電流跟蹤控制單元；其中負載電流波形指令產生單元根據模擬的負載特性實時產生與被試電源電壓同步的負載電流指令；負載電流跟蹤控制單元是將負載電流指令i1*和負載電流i1通過瞬時值檢測信號進行比較，其信號通過調節器Ki1放大，然後和三角波發生器所發生的三角波通過比較器比較產生PWM波，經驅動電路產生Q1～Q4驅動信號控制Q1～Q4的開通與關斷。
能量回饋部分的控制採用帶鎖相環的電壓電流雙閉環控制方式，其中，所述的鎖相環是指通過鑑相器進行相位比較，相位誤差信號經低通濾波器濾波，低通濾波器輸出的平均電壓信號控制壓控振蕩器的輸出頻率變化，使鑑相器輸入兩信號相位差不斷減小，直至差值為零，從而實現鎖相，得到與電網電壓同頻同相的網側電流指令iS*，鎖相環用來產生與電網電壓同頻同相的網側正弦波電流指令；電流環是指網側電流指令iS*和網側電流iS的瞬時值檢測信號進行誤差比較，誤差信號通過調節器KiS放大，然後和三角波比較產生PWM波，經驅動電路產生Q5～Q8驅動信號控制Q5～Q8的開通與關斷。
該裝置的輸入全橋PWM逆變器是由自關斷器件Q1、Q2、Q3、Q4組成的橋式電路；輸出全橋PWM逆變器是由自關斷器件Q5、Q6、Q7、Q8組成的橋式電路；該裝置的負載電流波形指令產生單元以高速的數位訊號處理器DSP為核心構成。
本發明的有益效果是，能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置能同時適用於直流電源和交流電源，不僅能模擬任意功率因數的線性負載，而且能模擬任意波形的非線性負載，同時能將輸入電能中的大部分以正弦有功電流的形式回送電網，自身損耗小，網側功率因數高。
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
圖1為本發明的功率變換電路原理2為本發明的負載電流跟蹤控制單元原理3為本發明的能量回饋部分控制原理圖
具體實施例方式本發明的工作原理是模擬裝置的功率變換電路以具有公共直流母線的輸入輸出全橋PWM逆變器為核心構成，輸入全橋PWM逆變器經輸入濾波電感接被試電源，構成電子負載的負載特性模擬部分。輸出全橋PWM逆變器經隔離變壓器、輸出濾波電感接電網，構成電子負載的能量回饋部分。
對於電子負載的負載特性模擬部分而言，當直流母線電壓足夠高時(其值至少應大於被試電源電壓的峰值)，輸入濾波電感電流即所模擬的負載電流的幅值和波形是完全可控的。負載電流波形指令產生單元採用鎖相的方式產生與輸入電源電壓同步的電流波形指令，負載電流跟蹤控制單元對輸入濾波電感電流進行瞬時值控制，使所模擬的負載電流幅值和波形與期望值相同。
電子負載的能量回饋部分採用雙環控制結構，對網側電流波形及直流母線電壓進行控制。控制部分包括直流母線電壓控制環，正弦波發生器和網側電流跟蹤控制單元，控制部分採用鎖相的方式產生與電網電壓同頻同相的正弦電流波形指令，控制輸出全橋PWM逆變器，使直流母線電壓維持恆定，同時使電能以正弦有功電流的形式回饋電網。
圖1所示是實現本發明能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置的主電路拓撲結構，從圖中可以看出，該電子負載模擬裝置的功率變換電路包括的主要元器件及相互連接關係如下輸入全橋PWM逆變器經輸入濾波電感L1接被試電源u1構成電子負載的負載特性模擬部分；輸出全橋PWM逆變器經隔離變壓器T、輸出濾波電感Ls接電網us，構成電子負載的能量回饋部分，負載特性模擬部分和能量回饋部分在控制上互相獨立，負載特性模擬部分控制輸入負載電流的幅值和波形，能量回饋部分控制輸出網側電流的波形及直流側母線電壓，輸入全橋PWM逆變器通過電容C與輸出全橋PWM逆變器並聯。
負載特性模擬部分和能量回饋部分在控制上互相獨立，負載特性模擬控制部分控制輸入負載電流的幅值和波形，能量回饋控制部分控制輸出網側電流的波形及直流側母線電壓。
圖1中輸入濾波電感L1，自關斷器件Q1，Q2，Q3，Q4構成電子負載的負載特性模擬部分。輸入全橋PWM逆變器是由自關斷器件Q1、Q2、Q3、Q4組成的橋式電路；輸出全橋PWM逆變器是由自關斷器件Q5、Q6、Q7、Q8組成的橋式電路。
被試電源的輸出即電子負載的輸入u1串聯接入輸入濾波電感L1，連接至由Q1～Q4四個高速自關斷器件組成的輸入全橋PWM逆變器的交流側；高速自關斷器件Q1～Q4可選用MOSFET或IGBT。輸入濾波電感L1的主要作用是抑制由開關器件Q1～Q4在開關過程中產生的高次諧波電流，使輸入電流波形光滑，避免對被試電源產生影響。
輸入全橋PWM逆變器的主要作用是通過開關器件Q1～Q4的高頻開關將輸入電流i1控制為所期望的波形。
圖1中C，Q5，Q6，Q7，Q8，T，LS構成電子負載的能量回饋部分。
輸入全橋PWM逆變器的直流側分別接電解電容器C的正負兩端，同時接由Q5～Q8四個高速自關斷器件構成的輸出全橋PWM逆變器的直流側，輸出全橋PWM逆變器的交流側直接接至輸出隔離變壓器T的原邊，輸出隔離變壓器T的副邊串聯接入輸出濾波電感LS，然後接至電網us，實現能量回饋。Q5～Q8高速開關器件可選用MOSFET或IGBT。直流母線電容器C主要作用為平滑直流側電壓和緩衝能量。
輸出全橋PWM逆變器的主要作用是在控制直流母線電壓恆定的同時，將電子負載輸入側吸收的能量回饋電網，同時控制回饋電網的電流是與電網電壓同頻同相的正弦波。
輸出隔離變壓器T的主要作用是實現電子負載輸入輸出之間的電壓匹配及電氣隔離，便於電子負載的並聯使用。
輸出濾波電感LS的主要作用是抑制由開關器件Q5～Q8在開關過程中產生的高次諧波電流，使回饋電網的電流波形光滑，減小電子負載對電網的諧波汙染。
如圖1和圖2所示，負載特性模擬控制部分包括負載電流波形指令產生單元和負載電流跟蹤控制單元；其中負載電流波形指令產生單元根據模擬的負載特性實時產生與被試電源電壓同步的負載電流指令。負載電流波形指令產生單元以高速的數位訊號處理器DSP為核心構成，它根據需模擬的負載特性及電子負載輸入電壓信號實時地計算並發出負載電流波形指令i1*。當需模擬直流電源的負載時，i1*為相應的直流量。針對交流電源，需要模擬阻性負載時，i1*與被試電源u1同相；需模擬感性負載時，i1*滯後被試電源u1相應的角度；需模擬容性負載時，i1*超前被試電源u1相應的角度；需模擬非線性負載如整流負載時，i1*為相應的脈衝波形。
負載電流跟蹤控制單元採用單一的電流瞬時值控制方式。負載電流指令i1*和負載電流i1的瞬時值檢測信號進行比較，其誤差信號通過調節器Ki1放大，然後和三角波發生器所發生的三角波通過比較器比較產生的PWM波，此PWM波經驅動電路進行信號調理及死區電路處理產生Q1～Q4驅動信號，來控制Q1～Q4的開通與關斷。當調節器增益Ki1足夠大時，可使負載電流檢測信號和負載電流指令i1*誤差足夠小，即可控制負載電流i1為所期望的電流波形。
參照圖1、圖2和圖3，能量回饋部分控制原理如圖3所示。這是一個包含鎖相環在內的電壓電流雙環控制系統。其中鎖相環控制網測電流指令iS*的相位檢測，包括電網電壓uS相位檢測、網側電流指令iS*相位檢測、鑑相器、低通濾波器、壓控振蕩器、地址信號發生器、正弦波數據存儲器、D/A轉換器、信號調理等。電網電壓uS經相位檢測得到含有電網電壓相位信息的方波信號，此方波信號和網側電流指令iS*相位檢測信號通過鑑相器進行比較，可得到正比於兩信號相位差的方波信號，再通過低通濾波器得到此方波信號的平均電壓作為壓控振蕩器的輸入，壓控振蕩器輸出的高頻信號經地址信號發生器產生地址信號，對正弦波數據存儲器進行尋址讀數，正弦波數據存儲器的輸出數據經D/A轉換器及信號調理得到相應的正弦信號。其中低通濾波器輸出的平均電壓信號控制壓控振蕩器的輸出頻率變化，使鑑相器輸入兩信號相位差不斷減小，直至差值為零，從而實現鎖相，得到與電網電壓同頻同相的網側電流指令iS*，iS*的幅值Vref由直流母線電壓調節器的輸出控制；電壓調節器的輸出作為網側電流指令的幅值參考，電壓調節器選用PI調節器。
電壓控制環包括直流母線電壓E的電壓檢測及直流母線電壓調節器PI調節器。直流母線電壓給定E*和直流母線電壓E檢測信號的差值經PI調節器得到Vref。電壓控制環通過調節Vref的大小使由輸入全橋PWM逆變器輸入到電容器C上的能量和輸出全橋PWM逆變器回饋電網的能量保持平衡，從而維持直流母線電壓的恆定。通過鎖相環和電壓環可得到網側電流指令iS*。電流環包括網側電流瞬時值檢測，調節器KiS，三角波發生器，比較器及驅動電路。網側電流指令iS*和網側電流iS的瞬時值檢測信號進行誤差比較，誤差信號通過調節器增益為KiS的調節器放大，然後和三角波比較產生PWM波，此PWM波經驅動電路進行信號調理及死區電路處理產生Q5～Q8驅動信號控制Q5～Q8的開通與關斷。當調節器增益KiS足夠大時，可使網側電流檢測信號和網側電流指令iS*的誤差足夠小，即可控制網側電流i1為所期望的正弦波電流值，從而實現能量的回饋。
本發明能同時適用於直流電源和交流電源，自身損耗小，網側功率因數高。是一種通過電力電子變換電路實現任意負載特性模擬及能量回饋電網的節能型交直流通用電子負載模擬裝置。
權利要求
1.一種能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置，其特徵在於模擬裝置以具有公共直流母線的兩級PWM逆變器構成，其中輸入全橋PWM逆變器經輸入濾波電感L1接被試電源u1構成電子負載的負載特性模擬部分；輸出全橋PWM逆變器經隔離變壓器T、輸出濾波電感Ls接電網us，構成電子負載的能量回饋部分，輸入全橋PWM逆變器通過電容C與輸出全橋PWM逆變器並聯連接。負載特性模擬部分和能量回饋部分在控制上互相獨立，負載特性模擬控制部分控制輸入負載電流的幅值和波形，能量回饋控制部分控制輸出網側電流的波形及直流側母線電壓。
2.根據權利要求1所述的能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置，其特徵在於負載特性模擬控制部分包括負載電流波形指令產生單元和負載電流跟蹤控制單元；其中負載電流波形指令產生單元根據模擬的負載特性實時產生與被試電源電壓同步的負載電流指令；負載電流跟蹤控制單元是將負載電流指令i1*和負載電流i1通過瞬時值檢測信號進行比較，其信號通過調節器Ki1放大，然後和三角波發生器所發生的三角波通過比較器比較產生PWM波，經驅動電路產生Q1～Q4驅動信號控制Q1～Q4的開通與關斷。
3.根據權利要求1所述的能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置，其特徵在於能量回饋部分的控制採用帶鎖相環的電壓電流雙閉環控制方式，其中，所述的鎖相環是指通過鑑相器進行相位比較，相位誤差信號經低通濾波器濾波，低通濾波器輸出的平均電壓信號控制壓控振蕩器的輸出頻率變化，使鑑相器輸入兩信號相位差不斷減小，直至差值為零，從而實現鎖相，得到與電網電壓同頻同相的網側電流指令iS*，鎖相環用來產生與電網電壓同頻同相的網側正弦波電流指令。電流環是指網側電流指令iS*和網側電流iS的瞬時值檢測信號進行誤差比較，誤差信號通過調節器KiS放大，然後和三角波比較產生PWM波，經驅動電路產生Q5～Q8驅動信號控制Q5～Q8的開通與關斷。
4.根據權利要求1所述的能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置，其特徵在於輸入全橋PWM逆變器是由自關斷器件Q1、Q2、Q3、Q4組成的橋式電路；輸出全橋PWM逆變器是由自關斷器件Q5、Q6、Q7、Q8組成的橋式電路。
5.根據權利要求2所述的能量回饋型交直流通用電子負載模擬裝置，其特徵在於負載電流波形指令產生單元以高速的數位訊號處理器DSP為核心構成。
全文摘要
本發明公開了一種電子負載模擬裝置，特別是一種交直流通用，能實現任意負載特性模擬、能量回饋型電子負載模擬裝置，該裝置以具有公共直流母線的兩級PWM逆變器為核心構成，輸入級PWM逆變器經輸入濾波電感接被試電源構成電子負載的負載特性模擬部分；輸出級PWM逆變器經隔離變壓器、輸出濾波電感接電網，構成電子負載的能量回饋部分；負載特性模擬部分和能量回饋部分在控制上互相獨立，負載特性模擬採用單一的電流瞬時值控制方式來控制輸入負載電流的幅值和波形，能量回饋採用包含鎖相環的電壓電流雙閉環控制方式來控制輸出網側電流的波形及直流側母線電壓，本發明自身損耗小，網側功率因數高，是一種節能型交直流通用電子負載模擬裝置。
文檔編號H02M1/10GK1847865SQ200610041939
公開日2006年10月18日 申請日期2006年3月16日 優先權日2006年3月16日
發明者白小青, 石濤, 盧家林, 張建榮 申請人:西安愛科電子有限責任公司