CN105449988A - 机车电源测试用交流并网型直流电子负载 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机车电源测试用交流并网型直流电子负载，包括移相全桥模块、全桥逆变器、数字控制单元、逻辑控制模块、开关量输入信号模块、和开关量输出信号输出模块，所述移相全桥模块是通过控制输入电流的大小完成电子负载的模拟功能，所述全桥逆变器是通过实现在对600V电源测试过程中把消耗能量回馈到电网的功能。在控制部分采用所述数字控制单元与逻辑控制模块相结合的控制方法，所述数字控制单元主要完成整个装置的算法控制部分、软件保护功能、数据采集功能，以及与上位机建立通讯功能，所述逻辑控制模块主要完成对IGBT驱动脉冲处理功能、关键信号的硬件保护功能。本发明体积小、可靠性高，电能转换效率有效提高。

Description

机车电源测试用交流并网型直流电子负载
【技术领域】
本发明涉及机车电源测试技术领域，特别涉及一种机车电源测试用交流并网型直流电子负载。
【背景技术】
目前现有的电子负载在拓扑结构上，BOOST、CUK拓扑结构应用的较为普遍，由于其控制方便，但是能馈型电子负载需要与电网进行隔离，对于大功率的电子负载假设采用BOOST拓扑结构模拟电子负载，那么就要使用工频变压器与电网进行隔离，显然不论从效率还是从装置的体积上都有缺陷。在大功率电子负载研制上采用单一的单相或是三相并网，这样装置在故障排除和故障维护方面很不占优势。在控制电路方面，目前电子负载控制控制器采用单一的数字控制器，完成模拟量的采用、脉冲输出、电子负载的保护、开关量控制，由于数字控制器在软件保护上对于重大故障(比如IGBT的短路保护)的处理在还不是很及时存在一定的风险。
【发明内容】
有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明提供一种机车电源测试用交流并网型直流电子负载，不同于以往的BOOST、CUK为主的电子负载，体积小、可靠性高，电能转换效率有效提高。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
机车电源测试用交流并网型直流电子负载，包括移相全桥模块、全桥逆变器、数字控制单元、逻辑控制单元、开关量输入信号模块和开关量输出信号模块，所述移相全桥模块的输入端连接待测电源，其输出端连接所述全桥逆变器，所述全桥逆变器再连接IGBT驱动模块，所述IGBT驱动模块连接逻辑控制单元，所述逻辑控制单元与数字控制单元相连，所述开关量输入信号模块和开关量输出信号模块将接触器的控制信号与所述数字控制单元相连，实现接触器的数字开通与关断，全桥逆变器将待测电源测试过程中的能量回馈到电网。
还包括模拟量电路处理模块，其一端与所述数字控制单元相连，另一端连接硬件保护电路模块。
所述硬件保护电路模块与所述逻辑控制单元相连，以实现硬件保护功能。
还包括CAN通讯电路模块，其一端与所述数字控制单元相连，另一端连接上位机。
所述上位机通过传输模块与数字控制单元相连，所述传输模块为485通讯模块。
还设置开关量输入预留模块与开关量输出预留模块，所述开关量输入预留模块一端连接外部PLC控制器，另一端连接所述数字控制单元，所述开关量输出预留模块一端连接外部PLC控制器，另一端连接所述数字控制单元或逻辑控制单元。
进一步，大功率交流并网型直流电子负载可由多个小功率单相交流并网型直流电子负载模块并联组成。如400KW交流并网型直流电子负载分为由六个70KW单相交流并网型直流电子负载模块组成。
本发明的有益效果是，可靠性高，体积小，在电能回馈效率方面显著提高，具有以下方面优点：
(1)400KW交流并网型直流电子负载分为由六个单相70KW交流并网型直流电子负载模块组成，六个模块之间不论在主电路还是在控制电路结构方面而言相对独立，之间互不影响。这样以来不论是哪一个模块发生故障都不会对其他模块造成重大影响，对装置以后的容量扩充性也提供了方便。
(2)在拓扑结构方面，相对目前工业中主流电子负载拓扑结构而言本次发明采用的是移相全桥作为前级模拟电子负载结构，采用全桥结构代替BOOST结构有明显的优势：全桥结构不但能完成BOOST结构所能完成的模拟电子负载的功能，由于移相全桥采用高频变压器结构实现与电网的隔离，直接省略了大体积的工频变压器。采用全桥结构在实现软开关的条件下电能的转换效率能被提高，对于大功率电子负载而言对于整机效率能大大提高。
(3)在控制装置方面，本次设计采用数字控制器DSP与逻辑控制器CPLD相结合使用，其优势在于充分发挥DSP高速数字处理的优势以及CPLD硬件逻辑动作迅速的特点。对于装置的保护本次发明做了软件保护和硬件保护双重保护，对于重大故障的保护(比如：IGBT短路保护故障、输出过流故障等等)采用逻辑控制器做硬件保护利用其反应动作迅速的优势，双重保护使得本次发明的装置可靠性更高。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明400KW交流并网型直流电子负载的结构示意图。
图2为本发明单相70KW电子负载模块的结构示意图。
图中，1、移相全桥模块，2、全桥逆变器，3、滤波器模块，4、开关量输入信号模块，5、开关量输出信号模块，6、数字控制单元，7、逻辑控制单元，8、IGBT驱动模块，9、模拟量处理电路模块，10、CAN通讯电路模块，11、传输模块，12、上位机，13、硬件保护电路模块，14、开关量输入预留模块，15、开关量输出预留模块，16、PLC控制器。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1与图2，400KW交流并网型直流电子负载，采用六个单相70KW交流并网型直流电子负载模块并联组成，所述六个模块之间不论在主电路还是在控制电路结构方面而言相对独立，之间互不影响。
如图2所示，单相70KW交流并网型直流电子负载包括移相全桥模块1、全桥逆变器2、滤波器模块3、开关量输入信号模块4、开关量输出信号模块5，数字控制单元6、逻辑控制单元7、IGBT驱动模块8、模拟量处理电路模块9、CAN通讯电路模块10、传输模块11、硬件保护电路模块13、开关量输入预留模块14与开关量输出预留模块15，外部相连的模块的有上位机12与PLC控制器16。
移相全桥模块1的输入端连接待测电源，其输出端连接所述全桥逆变器2，所述全桥逆变器2再连接IGBT驱动模块8，所述IGBT驱动模块8连接逻辑控制单元7，所述逻辑控制单元7与数字控制单元6相连，所述开关量输入信号模块4和开关量输出信号模块5将接触器的控制信号与所述数字控制单元6相连，实现接触器的数字开通与关断，全桥逆变器2将待测电源测试过程中的能量回馈到电网，得到重新利用。
模拟量电路处理模块9，其一端与所述数字控制单元6相连，另一端连接硬件保护电路模块13。硬件保护电路模块13与所述逻辑控制单元7相连，以实现硬件保护功能。
CAN通讯电路模块10一端与所述数字控制单元6相连，另一端连接上位机12。上位机12通过传输模块11与数字控制单元6相连，所述传输模块11为485通讯模块。
还设置开关量输入预留模块14与开关量输出预留模块15，所述开关量输入预留模块14一端连接外部PLC控制器16，另一端连接数字控制单元6，所述开关量输出预留模块15一端连接外部PLC控制器16，另一端连接所述数字控制单元6或逻辑控制单元7。
上述移相全桥模块1主要是通过控制输入电流的大小完成电子负载的模拟功能，全桥逆变器2主要是通过实现在对600V电源测试过程中把消耗能量回馈到电网的功能。
在控制部分采用数字控制单元6与逻辑控制单元7相结合的控制方法，所述数字控制单元6主要完成整个装置的算法控制部分、软件保护功能、数据采集功能，以及与上位机12建立通讯功能，所述逻辑控制单元7主要完成对IGBT驱动脉冲处理功能、关键信号的硬件保护功能。
在电力电子主电路方面采用与以往模拟电子负载BOOST拓扑结构不同，而是采用移相全桥拓扑结构，不仅仅能够完成BOOST结构电子负载模拟的功能，与此同时在使用全桥高频变压器的同时省掉了工频变压器减小整个装置的体积；控制部分采用数字控制单元与逻辑控制单元7相结合方式，能够是装置运行更加可靠。总之，本次发明在新能源研究的基础上实现交流并网型电子负载不仅增加了测试电源负载的连续可调性，而且还能将测试过过程中将能量回馈至电网，实现能量循环利用，节约能源。
如图2所示，70KW单相交流并网型直流电子负载装置，移相全桥模块1模拟前级被测电源的电子负载，假设被测电源输出电压恒定，给移相全桥模块1的输入给定电流大小即可模拟恒压阻性电子负载，后期全桥逆变器2将主要是将在测试电源过程中将能量以接近功率因数1将能量馈入电网，通过控制全桥逆变器IGBT的开通和关断控制逆变器输入直流母线电压的稳定，滤波器模块3主要是为了减小并网电流中的谐波以达到并网要求THD<5％。对于控制电路部分，数字控制单元6和逻辑控制单元7是控制部分的核心部分，通过开关量输入信号模块4和开关量输出信号输出模块5将接触器的控制信号与数字控制单元6相连接实现接触器的数字开通和关断，通过模拟量输出电路模块9将主电路中需要控制的电压电流信号与数字控制单元6建立联系以实现数字控制单元6对电子负载装置的电压电流的控制，此外模拟量处理电路模块9和硬件保护电路模块16将一些重要信号与逻辑控制单元7建立联系以实现硬件保护功能。通过模块13和模块14建立上位机与数字控制单元6的连接实现上位机给定电子负载的给定值，增强了电子负载的连续调节能力，与此同时将电子负载各种状态上传上位机在上位机界面中显示出来，增强人机交互性。通过开关量预留输入模块17和开关量输出预留模块18实现数字控制单元6和逻辑控制单元7与外部PLC控制器16的联系，实现电子负载的外部开关机信号的给定以及紧急情况关机操作。
本发明可靠性高，体积小，在电能回馈效率方面显著提高。采用的是移相全桥作为前级模拟电子负载结构，采用全桥结构代替BOOST结构有明显的优势：全桥结构不但能完成BOOST结构所能完成的模拟电子负载的功能，由于移相全桥采用高频变压器结构实现与电网的隔离，直接省略了大体积的工频变压器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，包括移相全桥模块、全桥逆变器、数字控制单元、逻辑控制单元、开关量输入信号模块和开关量输出信号模块，所述移相全桥模块的输入端连接待测电源，其输出端连接所述全桥逆变器，所述全桥逆变器再连接IGBT驱动模块，所述IGBT驱动模块连接逻辑控制单元，所述逻辑控制单元与数字控制单元相连，所述开关量输入信号模块和开关量输出信号模块将接触器的控制信号与所述数字控制单元相连，实现接触器的数字开通与关断。
2.根据权利要求1所述的机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，还包括模拟量电路处理模块，其一端与所述数字控制单元相连，另一端连接硬件保护电路模块。
3.根据权利要求2所述的机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，所述硬件保护电路模块与所述逻辑控制单元相连。
4.根据权利要求1所述的机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，还包括CAN通讯电路模块，其一端与所述数字控制单元相连，另一端连接上位机。
5.根据权利要求4所述的机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，所述上位机通过传输模块与数字控制单元相连。
6.根据权利要求1所述的机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，还设置开关量输入预留模块与开关量输出预留模块，所述开关量输入预留模块一端连接外部PLC，另一端连接所述数字控制单元，所述开关量输出预留模块一端连接外部PLC，另一端连接所述数字控制单元或逻辑控制单元。
7.根据权利要求1所述的机车电源测试用交流并网型直流电子负载，其特征在于，大功率交流并网型直流电子负载可由多个小功率单相交流并网型直流电子负载模块并联组成。
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