CN103091645B - 具有电能回馈功能的交流400Hz中频电源测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源测试系统领域，具体地说是一种具有将电能回馈至电网功能的交流400Hz中频电源测试系统，特征在于设有测试主电路和测试控制平台，测试主电路是由回馈式电子负载和直流母排组成，通过测试控制平台控制回馈式电子负载进行加减载操作，同时存储所测参数，并输出测试结果，测试控制平台实现了可编制加载流程，自动加载，自动输出测试结果的功能，同时回馈式电子负载又将测试过程中的电能回馈至电网，本发明采用上述结构，使交流400Hz中频电源测试系统在进行待测电源加载测试并输出测试结果的过程中，将加载测试所需消耗的电能回馈至电网，相对于传统的电阻负载，可以节省90%以上的能量，降低实验成本，减小排放和污染。

Description

具有电能回馈功能的交流400Hz中频电源测试系统

技术领域

本发明涉及电源测试系统领域，具体地说是一种具有将电能回馈至电网功能的交流400Hz中频电源测试系统。

背景技术

目前，军用与民用的飞机地面供电电源均要求为200V400Hz交流供电电源。电力电子技术的发展推动了电力电子变频电源类产品的普及，民航机场一般采用的是静止变频电源，即由地面50Hz市电来供电，经静止变频电源转化输出200V400Hz交流电来供飞机使用。

而军用飞机由于其特殊的环境要求，一般不采用市电而采用中频柴油机组来独立发电，输出200V400Hz交流电源。

无论军用还是民用飞机，由于其设备的特殊性，对中频电源的选择是相当严格的，这就要求静止变频电源与中频柴油机组的出厂必须经过严格的性能测试与长期带载实验。

一般来讲，电源的性能测试与带载实验的传统方式是在电阻、电感和电容负载上进行，如图1所示，待测电源经过一系列接触器来连接到电阻丝组合、电抗器组合以及电容器组合。通过开关相应的接触器来的按档位投入和切出相应的负载。其中，有功功率在电阻丝上以热量的形式消耗散发，电抗器上消耗感性无功，电容器上消耗容性无功。再另外配合相关检测设备完成电源的性能试验，输出测试结果。

以上方法优点在于电阻丝等负载成本很低，因而一次性投入较低，其明显的缺点在于之后每一次的试验成本高，发电机输出的电能变成热能消耗掉，当进行大功率实验时，由于电阻等负载体积很大，需配备专门的负载室进行散热。另外，由于电阻丝等负载由开关来控制，其加载精度很低，仅能按档位进行加载，增加档位精度需额外增加接触器等开关电路，增加了实验成本。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明采用回馈式电子负载来代替传统的电阻、电感和电容负载，通过独特的拓扑结构，在完成模拟阻性，阻感性或阻容性负载的同时，将电能回馈电网节省能源，能够有效降低试验成本，在长期带载实验中，节能效果更加明显，同时，测试控制平台本身具有测量电压、电流、功率等功能，能够将加减载动态过程中的试验数据及时保存，节省检测步骤与时间而提供的一种结构新颖、性能稳定、重量轻、体积小、测试成本低的400Hz中频电源测试系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有电能回馈功能的交流400Hz中频电源测试系统，其特征在于设有测试主电路和测试控制平台，测试主电路是由回馈式电子负载和直流母排组成，通过测试控制平台控制回馈式电子负载进行加减载操作，同时存储所测参数，并输出测试结果，测试控制平台实现了可编制加载流程，自动加载，自动输出测试结果的功能，同时回馈式电子负载又将测试过程中的电能回馈至电网，相对于传统的电阻负载，可以节省90%以上的能量，降低实验成本，减小排放和污染，

所述回馈式电子负载包括电流调节模块与能量回馈模块，电流调节模块与能量回馈模块并联在直流母排上，电流调节模块由PWM整流电路和滤波电感组成，由三相全桥电路组成PWM（脉宽调制）整流电路，由六只绝缘栅双极性功率管（IGBT）组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断从而实现电流大小相位的调节，以利于将200V±15%，400Hz±15%的输入交流电压由PWM整流电路整流升压至成750V直流，再根据测试控制平台的设定信号来精确调节通过整流电路的电流值，实现加载功能，同时，由滤波电感来滤波，滤除电流中高频的电流谐波，能量回馈模块由PWM逆变电路和LC滤波电路组成，由三相全桥电路组成PWM（脉宽调制）逆变电路，由六只绝缘栅双极性功率管（IGBT）组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断从而实现能量的回馈电网，以使750V直流电压通过三相全桥逆变电路转换为380V、50Hz的三相交流电压，与电网进行并网，回馈电能，直流母排由三条铜排与直流滤波电容组成，对电流调节模块整流生成的750V直流电压进行滤波同时起到能量缓冲的作用，另外，直流母排可并联多个电流调节模块和能量回馈模块，来实现多路交流输入同时检测与多路并联回馈，

所述测试控制平台包括CPU控制模块、模拟量检测模块、功率驱动模块、显示/通讯模块，模拟量检测模块、功率驱动模块和显示/通讯模块分别通过多芯屏蔽电缆连接到CPU控制模块，模拟量检测模块完成输入三相电压与三相电流，直流母排电压，并网三相电压与三相电流的检测，通过多芯屏蔽电缆送到CPU控制模块，CPU控制模块通过A/D采样芯片，将模拟量转化成数字量，同时由片上数字信号处理器单元（DSP）进行计算处理，计算出所需要的实时检测数据，产生控制IGBT开通关断的PWM（脉宽调制）信号，然后通过16芯电缆分别向两个功率驱动模块送出PWM信号来控制整流电路与逆变电路中的绝缘栅双极性功率管（IGBT）的开通关断，以此种方式来控制整个系统中的能量流动，显示/通讯模块通过16芯电缆，与CPU控制模块通过RS232使用MODBUS通讯协议相连，向其传达加载命令以及相关参数设置，同时，将从CPU控制模块得到的实时检测数据通过显示屏显示，并可以通过RS485通讯电路传输至外部工控机进行控制。

本发明中的电流调节模块可以采用三相三线制电流控制模块，即不接N线，回馈式电子负载可自动配置为三相三线制的测试方式。

本发明中的电流调节模块还可以采用三相四线制电流控制模块，即从直流母排电压中性点引出N线，将回馈式电子负载配置为三相四线制的测试方式。

本发明中的电流调节模块还可以采用三相三线制电流控制模块和三相四线制电流控制模块共享直流母排的测试方式，使电流精确控制并送至母排，实现多路小功率待测电源同时加载的功能，通过一个大功率能量回馈模块11则可以同时把三相三线制电流控制模块和三相四线制电流控制模块送来的能量集中回馈至电网，保证母排电压的稳定，这样只采用一个回馈模块的形式就可以有效地降低成本。

本发明中的电流调节模块可采用三相瞬时功率控制策略，将abc三相坐标系通过Clarke变换转化成三个正交轴坐标系，即αβ0坐标系，即p-q理论，采用这种控制策略的PWM整流器既可以保证输入电压大范围波动情况下进行精确的加载操作，又可以通过控制三相电流与输入电压的相位差来实现加载时功率因数可调，实现模拟阻感性负载以及阻容性负载。

本发明的有益效果是：由于采用了这种能量回馈的电源测试系统，具有结构新颖体积小、重量轻、设备成本低等优点，可以将以往变成热量消耗的90%以上的能量回馈至电网，大大节省了实验成本与占地面积。

附图说明

图1是现有负载技术中的电阻电感电容模式示意图。

图2是本发明采用的交流400Hz中频电源测试系统示意图。

图3是本发明采用的回馈式负载三相三线制拓扑结构图。

图4是本发明采用的回馈式负载三相四线制拓扑结构图。

图5是本发明采用的400Hz中频电源测试控制平台功能结构图。

图6是本发明中多输入模块并联的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，一种具有电能回馈功能的交流400Hz中频电源测试系统，其特征在于设有测试主电路和测试控制平台46，测试主电路是由回馈式电子负载和直流母排2组成，通过测试控制平台46控制回馈式电子负载进行加减载操作，同时存储所测参数，并输出测试结果，测试控制平台46实现了可编制加载流程，自动加载，自动输出测试结果的功能，同时回馈式电子负载又将测试过程中的电能回馈至电网，相对于传统的电阻负载，可以节省90%以上的能量，降低实验成本，减小排放和污染，

所述回馈式电子负载包括电流调节模块1与能量回馈模块3，电流调节模块1与能量回馈模块3并联在直流母排2上，电流调节模块1由PWM整流电路11和滤波电感12组成，PWM（脉宽调制）整流电路11是由三相全桥电路组成，由六只绝缘栅双极性功率管（IGBT）组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断从而实现电流大小相位的调节，以利于将200V±15%，400Hz±15%的输入交流电压由PWM整流电路11整流升压至成750V直流，再根据测试控制平台46的设定信号来精确调节，通过整流电路的电流值，实现加载功能，同时，由滤波电感12来滤波，滤除电流中高频的电流谐波，能量回馈模块3由PWM逆变电路31和LC滤波电路32组成，由三相全桥电路组成PWM（脉宽调制）逆变电路31，由六只绝缘栅双极性功率管（IGBT）组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断从而实现能量的回馈电网，以使750V直流电压通过三相全桥逆变电路31转换为380V、50Hz的三相交流电压，与电网5进行并网，回馈电能，直流母排2由三条铜排与直流滤波电容24、25组成，对电流调节模块1整流生成的750V直流电压进行滤波同时起到能量缓冲的作用，另外，直流母排2可并联多个电流调节模块1和能量回馈模块3，来实现多路交流输入同时检测与多路并联回馈，

所述测试控制平台46包括CPU控制模块、模拟量检测模块、功率驱动模块、显示/通讯模块，模拟量检测模块、功率驱动模块和显示/通讯模块分别通过多芯屏蔽电缆连接到CPU控制模块，模拟量检测模块完成输入三相电压与三相电流，直流母排电压，并网三相电压与三相电流的检测，通过多芯屏蔽电缆送到CPU控制模块，CPU控制模块通过A/D采样芯片，将模拟量转化成数字量，同时由片上数字信号处理器单元（DSP）进行计算处理，计算出所需要的实时检测数据，产生控制IGBT开通关断的PWM（脉宽调制）信号，然后通过16芯电缆分别向两个功率驱动模块送出PWM信号来控制整流电路11与逆变电路31中的绝缘栅双极性功率管（IGBT）的开通关断，以此种方式来控制整个系统中的能量流动，显示/通讯模块通过16芯电缆，与CPU控制模块通过RS232使用MODBUS通讯协议相连，向其传达加载命令以及相关参数设置，同时，将从CPU控制模块得到的实时检测数据通过显示屏显示，并可以通过RS485通讯电路传输至外部工控机进行控制。

本发明中的电流调节模块1可以采用三相三线制电流控制模块，即不接N线，回馈式电子负载47可自动配置为三相三线制的测试方式。

本发明中的电流调节模块1还可以采用三相四线制电流控制模块，即从直流母排2电压中性点22引出N线，将回馈式电子负载47配置为三相四线制的测试方式。

本发明中的电流调节模块1还可以采用三相三线制电流控制模块和三相四线制电流控制模块共享直流母排2的测试方式，使电流精确控制并送至母排，实现多路小功率待测电源同时加载的功能，通过一个大功率能量回馈模块11则可以同时把三相三线制电流控制模块和三相四线制电流控制模块送来的能量集中回馈至电网5，保证母排电压的稳定，这样只采用一个回馈模块的形式就可以有效地降低成本。

本发明中的电流调节模块1可采用三相瞬时功率控制策略，将abc三相坐标系通过Clarke变换转化成三个正交轴坐标系，即αβ0坐标系，即p-q理论，采用这种控制策略的PWM整流电路既可以保证输入电压大范围波动情况下进行精确的加载操作，又可以通过控制三相电流与输入电压的相位差来实现加载时功率因数可调，实现模拟阻感性负载以及阻容性负载。

1、回馈式电子负载图3所示，设有待测电源6输出的三相电压幅值200V±15%，频率400Hz±15%，电流调节模块1由PWM整流电路11，滤波电感12组成，将输入交流电压整流成750V直流，直流母排2由三条铜排：正极21,中性点22,负极23与直流滤波电容24，25组成。对电流调节模块1整流生成的750V直流电压进行滤波同时起到能量缓冲的作用。

能量回馈模块3由PWM逆变电路31，滤波电感32，滤波电容33组成，将750V直流电压转换为380V、50Hz的三相交流电源，经LC滤波器（32,33）后，与电网5进行并网。

2、图5所示，400Hz中频电源测试控制平台4包括CPU控制模块41、模拟量检测模块42、功率驱动模块（整流43，逆变44）、显示/通讯模块45。

模拟量检测模块42完成输入三相电压421与三相电流422，直流母排电压423，并网三相电压424与三相电流425的检测。

通过多芯屏蔽电缆送到CPU控制模块41，CPU控制模块通过A/D采样芯片，将模拟量转化成数字量，同时由片上数字信号处理器单元（DSP）进行计算处理，计算出所需要的实时检测数据，产生控制IGBT开通关断的PWM（脉宽调制）信号。

然后通过16芯电缆分别向两个功率驱动模块（整流43，逆变44）送出PWM信号来控制整流模块与逆变模块中的IGBT（绝缘栅双极性功率管）的开通关断。

显示/通讯模块45通过16芯电缆，与CPU控制模块通过RS232使用MODBUS通讯协议相连，向其传达加载命令以及相关参数设置，同时，将从CPU控制模块得到的实时检测数据通过显示屏显示，并可以通过RS485通讯电路传输至外部的工控机来实现远程遥控。

3、如图4所示，电子负载从直流母排2的中性点22可以引出N线作为三相四线制加载时不平衡负载的N线电流回路。当此N线悬空不接时，电子负载可自动配置为三相三线制的加载方式如图3所示。

4、如图6所示，由于本负载采了母排独立成模块的方式，三相四线制电流控制模块9,三相三线制电流控制模块10两类电流模块可以共享母排正极21,中性点22以及负极23，可以将电流精确控制并送至母排，实现多路小功率待测电源同时加载的功能，而采用一个大功率能量回馈模块11则可以同时把电流控制模块9,10送来的能量集中回馈至电网，保证母排电压的稳定，这样只采用一个回馈模块的形式可以有效地降低成本。

本发明的有益效果是：由于采用了这种能量回馈的电源测试系统，具有结构新颖体积小、重量轻、设备成本低等优点，可以将以往变成热量消耗的90%以上的能量回馈至电网，大大节省了实验成本与占地面积。

Claims (2)

1.一种具有电能回馈功能的交流400Hz中频电源测试系统，其特征在于设有测试主电路和测试控制平台，测试主电路是由回馈式电子负载和直流母排组成，通过测试控制平台控制回馈式电子负载进行加减载操作，同时存储所测参数，并输出测试结果，同时回馈式电子负载又将测试过程中的电能回馈至电网，所述回馈式电子负载包括电流调节模块与能量回馈模块，电流调节模块和能量回馈模块并联在直流母排上，电流调节模块由PWM整流电路和滤波电感组成，由三相全桥电路组成PWM整流电路，由六只绝缘栅双极性功率管IGBT组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断从而实现电流大小相位的调节，同时，由滤波电感来滤波，滤除电流中高频的电流谐波，能量回馈模块由PWM逆变电路和LC滤波电路组成，由三相全桥电路组成PWM逆变电路，由六只绝缘栅双极性功率管IGBT组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断从而实现能量的回馈电网，直流母排由三条铜排与直流滤波电容组成，对电流调节模块整流生成的直流电压进行滤波，所述测试控制平台包括CPU控制模块、模拟量检测模块、功率驱动模块、显示/通讯模块，模拟量检测模块、功率驱动模块和显示/通讯模块分别通过多芯屏蔽电缆连接到CPU控制模块，模拟量检测模块完成输入三相电压与三相电流，直流母排电压，并网三相电压与三相电流的检测，通过多芯屏蔽电缆送到CPU控制模块，CPU控制模块通过A/D采样芯片，将模拟量转化成数字量，同时由片上数字信号处理器单元DSP进行计算处理，计算出所需要的实时检测数据，产生控制IGBT开通关断的PWM（脉宽调制）信号，然后通过16芯电缆分别向两个功率驱动模块送出PWM信号来控制整流电路与逆变电路中的绝缘栅双极性功率管IGB的开通关断，显示/通讯模块通过16芯电缆，与CPU控制模块通过RS232使用MODBUS通讯协议相连，向其传达加载命令以及相关参数设置，同时，将从CPU控制模块得到的实时检测数据通过显示屏显示，并通过RS485通讯电路传输至外部工控机进行控制，所述电流调节模块采用三相三线制电流控制模块和三相四线制电流控制模块共享直流母排。

2.根据权利要求1所述的一种具有电能回馈功能的交流400Hz中频电源测试系统，其特征在于所述电流调节模块采用三相瞬时功率控制策略，将abc三相坐标系通过Clarke变换转化成三个正交轴坐标系，即αβ0坐标系。