CN111458581A - 全工况智能模拟rlc试验负载 - Google Patents

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盛建科
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刘湘
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及一种全工况智能模拟RLC试验负载，用于广泛且精确地模拟真实负载情况，包括A、B、C三相独立的负载模块，每个负载模块均设有功率连续可调负载单元以及多个电阻器单元、电感单元、电容器单元、切换开关；在每个负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的一端并联后连接至其所在负载模块的输入节点，另一端分别与各个切换开关串联后共同连接至其所在负载模块的输出节点，功率连续可调负载单元的两端跨接在其所在负载模块的输入节点、输出节点上；相邻两个负载模块的输入节点之间、输出节点之间均跨接有转换开关。

Description

全工况智能模拟RLC试验负载
技术领域
本发明涉及一种电性能的测试装置，尤其涉及一种全工况智能模拟RLC试验负载。
背景技术
可调模拟RLC试验负载是用于模拟实际负载运行特性的装置，广泛应用于大功率交流电源、柴油发电机组、变压器、通信电源、不间断电源(UPS)、光伏、风电变流器等设备的功率试验、电气试验、老化试验及可靠性试验等领域，以测试上述设备的各项电气性能指标。
现有的可调模拟RLC试验负载包括阻性负载、感性负载、容性负载三种负载形式及其组合，负载容量的匹配方法通常是通过确定负载内部各功耗元器件的电阻值、电容值、电感值，控制方式是通过手动或电动控制相应负载的控制继电器/接触器实现相应元件加减载，满足所需要的可调模拟RLC试验负载功率。
上述负载控制方式存在以下不足：
1.多数元器件性能需要元器件在额定电压和额定负荷条件才能达到固有设计参数，特别是负荷条件对元器件的电气性能和功能影响较大，在此情况下，为了能满足元器件性能需要，需要配套很大的模拟RLC试验负载，而大容量的模拟RLC试验负载不仅成本高，而且体积大；
2.受限于RLC试验负载的物理参数固定的情况，只能模拟实际负荷的若干个负载点，要提高RLC试验负载的加载分辨率，只能增加切换档位，导致RLC试验负载体积、成本和复杂度的增加；
3.由于RLC试验负载上器件寄生参数及温漂的影响，传统RLC试验负载的精度有限，对寄生参数及温漂的动态补偿一直是一个问题，影响了模拟负载试验的准确性与可信度。
目前，针对大容量可调模拟组合负载，对于需要精确实时匹配与控制的应用情况，尚未提出一种有效的解决方案，也未见有公开的论文或专利文献。
因此，研究能够满足不同类型设备试验要求、能实现容量实时调节、精确匹配与控制的大容量可调模拟RLC试验负载，是一项有重要应用价值的课题。
发明内容
本发明为改善或部分改善现有技术的不足之处，而提供一种全工况智能模拟RLC试验负载，用于广泛且精确地模拟真实负载情况。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
提供一种全工况智能模拟RLC试验负载，包括A相负载模块、B相负载模块、C相负载模块，每个所述负载模块均设有功率连续可调负载单元以及多个电阻器单元、电感单元、电容器单元、切换开关；在每个所述负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的一端并联后连接至其所在负载模块的输入节点，另一端分别与各个切换开关串联后共同连接至其所在负载模块的输出节点，功率连续可调负载单元的两端跨接在其所在负载模块的输入节点、输出节点上；相邻两个所述负载模块的输入节点之间、输出节点之间均跨接有转换开关。
通过上述结构设置，可实现本发明的全工况智能模拟RLC试验负载既能为三相交流实现负载模拟，也能为直流电源实现负载模拟，并且，可达到阻性、感性、容性负载独立控制，功率输出连续可靠，调节精度高、输出容量大、加载功率分辨率高，可有效补偿器件寄生参数及温漂的影响。
进一步地，为实现有功功率可调，所述功率连续可调负载单元包括调压器TR、电阻器Rp，调压器TR的原边一端与其所在负载模块的输入节点连接，另一端与其所在负载模块的输出节点连接；调压器TR的次边与电阻器Rp并联。
进一步地，为实现无功功率可调，所述功率连续可调负载单元包括调压器TL、调压器TC、电感Lp、电容器Cp，调压器TL、调压器TC的原边一端均与其所在负载模块的输入节点连接，另一端均与其所在负载模块的输出节点连接；调压器TL、调压器TC的次边一端分别与电感Lp、电容器Cp的一端连接，次边另一端分别与电感Lp、电容器Cp的另一端连接。
进一步地，为实现三相对称负载及三相不对称负载测试，每个所述负载模块还设有短路开关，短路开关的两端分别连接至其所在负载模块的输入节点与输出节点。
进一步地，为实现参数粗调，在每个所述负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的参数互不相同。
进一步地，为尽可能降低系统成本，减少支路切换开关的个数，在每个所述负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的取值均形成等比数列。
进一步地，为实现自动控制，所述开关均为电控开关，还包括控制器，控制器分别连接所述开关的受控端；同时，还设置上位机、用于采集各个负载模块中温度的温度测控模块及用于采集各个负载模块电参数的电参数测控模块，所述温度测控模块及电参数测控模块分别与控制器通讯连接，上位机与控制器通讯连接。
进一步地，为避免误操作，各个所述负载模块的内部组成设为一致。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明的全工况智能RLC试验负载的电路图；
图2示出了本发明的调压器TR、TL、TC的电路图；
图3示出了本发明的控制系统图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本实施例旨在介绍一种全工况智能RLC试验负载，其中，所谓全工况智能，是指在控制器的综合控制下，本负载装置即可实现三相对称负载，也可实现三相不对称负载，还能模拟三相对称短路或任意相间的相间短路，能为三相交流实现负载模拟，也能为直流电源实现负载模拟，实现的负载阻抗值既能按档粗调，还能精调，达到各相阻抗值连续可调从而实现负载有功或无功连续可调的效果，为所有检测试验系统提供一个控制调节方便灵活，能广泛模拟真实负载情况的模拟负载系统。
具体地，见图1，本实施例的全工况智能RLC试验负载，包括A、B、C三相独立的负载模块、智能控制器、上位机、温度测控模块及图中未示出的电参数测控模块，各相负载模块的内部组成一致。
以A相负载模块为示例，A相负载模块均由电阻器单元R1到Rn、Rp，电感单元L1到Ln、Lp，电容器单元C1到Cn、Cp，电阻支路切换开关KR1到KRn，电感支路切换开关KL1到KLn，电容支路切换开关KC1到KCn，调压器TR、TL、TC组成。
对于电阻器单元R1到Rn、电感单元L1到Ln、电容器单元C1到Cn这些元器件，取其一端并联后连接至A相负载模块的输入节点A0，取其另一端分别与所述切换开关KR1到KRn、KL1到KLn、KC1到KCn串联后连接至A相负载模块的输出节点A1。
调压器TR、TL、TC的原边一端均与输入节点A0连接，另一端均与输出节点A1连接；调压器TR、TL、TC的次边一端分别与电阻器Rp、电感Lp、电容器Cp的一端连接，次边另一端分别与电阻器Rp、电感Lp、电容器Cp的另一端连接。
另外，A相负载模块中，还设有一短路开关K0，短路开关K0的两端分别连接至输入节点A0与输出节点A1，从而构成可直通的短路支路。
上述A、B、C三相负载模块，均具有输入节点及输出节点，其中，A相负载模块的输入节点A0经转换开关Kab0连接至B相负载模块的输入节点B0，输入节点B0再经转换开关Kbc0连接至C相负载模块的输入节点C0；同样，A相负载模块的输出节点A1经转换开关Kab1连接至B相负载模块的输出节点B1，输出节点B1再经转换开关Kbc1连接至C相负载模块的输出节点C0。
对于控制及采集方面，如图所示，智能控制器一方面分别连接切换开关KR1到KRn、KL1到KLn、KC1到KCn的受控端，从而实施开关控制；另一方面分别连接调压器TR、TL、TC的调压电机，从而实施功率调整，此外，智能控制器还与上位机通讯连接。
温度测控模块包含多个温度传感器，分别分布于各相负载模块内部从而采集温度数据，并分别与上位机、智能控制器通讯连接，同样，电参数测控模块用于采集各相负载模块内部线路的电流、电压参数，并分别与上位机、智能控制器通讯连接。
基于上述结构，全工况智能RLC试验负载可根据功率或电流控制中对阻抗值调节的需要，通过控制各相各支路开关的通断来实现粗调各相负载的阻抗值大小，各相的各个切换开关可独立控制，从而可实现三相对称负载，三相不对称负载；通过控制短路开关的通断，可模拟三相或相间短路情况；通过各相的调压器TR、TL、TC的输出电压的调节(等效改变调压比)可实现调压器原边等效阻抗的精调。
基于上述原理，理论上可实现极限值范围内的各相阻抗值任意值需求，亦即阻抗值连续可调。
本实施例的全工况智能RLC试验负载，每相负载采用编码式RLC配合阵列开关的切换来实现参数粗调，采取调压器来实现参数细调，加载时，由编码式阵列开关确定基本负载，调压器来满足负载精度、最小负载功率分辨率，以及对电路器件寄生参数和温漂的修正，具体地，可参照以下方法进行实施：
(1)参数粗调方案
为实现参数粗调，各相电阻、电感、电容由多个不同参数的电阻单元、电感单元与电容单元支路并联而成，进一步地，为尽可能降低系统成本，减少支路切换开关的个数，各电阻单元，电感单元以及电容单元的取值按一定规律的编码形式，优先选择采取比值为2的等比数列方式取值:
如电阻最小单元取值为r0的话，R1单元到Rn单元的取值为：
Rn＝2n*r0
如电感最小单元取值为L0的话，L1单元到Ln单元的取值为：
Ln＝2n*L0
如电容最小单元取值为C0的话，C1单元到Cn单元的取值为：
Cn＝2n*C0
设交流相电压有效值为U，角频率为ω，对于每相负载而言，设电阻支路的切换开关KRi闭合时，取kr_i为1，KRi关断时取0，则该相实现的有功负载为：
P＝U2*[kr_1/R1+kr_2/R2+...kr_n/Rn]
＝[kr_1*2n-1+kr_2*2n-2+...+kr_n*20]*U2/Rn
可见电阻各支路切换控制时负载功率的粗调精度为U2/Rn。
设电感支路的切换开关KLi闭合时，取kl_i为1，KLi关断时取0，则该相实现的感性无功负载为：
QL＝U2*[1/(kl_1*jωL1)+1/(kl_2*jωL2)+...+1/(kl_n**jωLn)]
＝[kl_1*2n-1+kl_2*2n-2+...+kl_n*20]*U2/(jωLn)
可见电感各支路切换控制时感性无功的粗调精度为U2/(ωLn)。
设电容支路的切换开关KCi闭合时，取kc_i为1，KCi关断时取0，则该相实现的感性无功负载为：
Q＝jU2*1/[kc_1*ωC1)+kc_2*ωC2+...+kc_n*ωCn]。
＝[kc_1*21+kc_2*22+...+kc_n*2n]*U2ωC0
可见电容各支路切换控制时容性无功的粗调精度为U2ωC0。
(2)参数细调方案
见图2，功率连续可调负载单元由调压器TR、TL、TC和电阻器Rp、电感Lp、电容器Cp组成。
由P＝U2/R，可知：当电阻值R固定，调节电阻两端电压U，即可调节电阻消耗的有功功率；
由Q＝U2/(jωL)，可知：当电感值L固定，调节电感两端电压U，即可调节电感消耗的无功功率；
由Q＝jU2ωC，可知：当电容值C固定，调节电容两端电压U，即可调节电容消耗的无功功率。
如上所述，合上KRp、KLp、KCp开关，通过调节调压器TR、TL、TC次边电压，即可实现有功/无功功率的连续调节。
(3)模拟负载短路方案
每相负载有一个短路开关，如称A相、B相及C相负载的短路开关依次为KA0、KB0及KC0，通过控制KA0、KB0或KC0闭合来实现负载短路的模拟。
见图3，上位机提供人机界面、完成系统试验功能，并与智能控制器通讯连接；智能控制器是设备控制命令发出源及设备状态接收源，并执行设备控制和状态采集，负责RLC矩阵开关切换、连续可调模块调压器电动调节及参数回馈、温度、电参数测控功能；RLC矩阵开关接收智能控制器命令，执行器件的投切操作，完成功率加载；调压器接收智能控制器命令，调节次边电压，实现RLC负载功率连续调节；温度、电参数测控模块与智能控制器连接，采集相关信号、执行各种动作命令，实现全工况智能RLC负载的测量、保护功能。
(4)直流负载模拟方案
在用于交流负载模拟时，需要先控制Kab0、Kbc0、Kab1、Kbc1，使其一直断开；而在用于直流负载模拟时，需要先断开KRp、KLp、KCp，然后闭合Kab0、Kbc0、Kab1、Kbc1，可使三相电阻负载并联成一个总负载来模拟直流负载。
需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (10)

1.全工况智能模拟RLC试验负载，包括A相负载模块、B相负载模块、C相负载模块，其特征在于：
每个所述负载模块均设有功率连续可调负载单元以及多个电阻器单元、电感单元、电容器单元、切换开关；
在每个所述负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的一端并联后连接至其所在负载模块的输入节点，另一端分别与各个切换开关串联后共同连接至其所在负载模块的输出节点，功率连续可调负载单元的两端跨接在其所在负载模块的输入节点、输出节点上；
相邻两个所述负载模块的输入节点之间、输出节点之间均跨接有转换开关。
2.根据权利要求1所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：所述功率连续可调负载单元包括调压器TR、电阻器Rp，调压器TR的原边一端与其所在负载模块的输入节点连接，另一端与其所在负载模块的输出节点连接；调压器TR的次边与电阻器Rp并联。
3.根据权利要求1或2所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：所述功率连续可调负载单元包括调压器TL、调压器TC、电感Lp、电容器Cp，调压器TL、调压器TC的原边一端均与其所在负载模块的输入节点连接，另一端均与其所在负载模块的输出节点连接；调压器TL、调压器TC的次边一端分别与电感Lp、电容器Cp的一端连接，次边另一端分别与电感Lp、电容器Cp的另一端连接。
4.根据权利要求1所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：每个所述负载模块还设有短路开关，短路开关的两端分别连接至其所在负载模块的输入节点与输出节点。
5.根据权利要求1所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：在每个所述负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的参数互不相同。
6.根据权利要求5所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：在每个所述负载模块中，各个电阻器单元、电感单元、电容器的取值均形成等比数列。
7.根据权利要求1或4所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：所述开关均为电控开关，还包括控制器，控制器分别连接所述开关的受控端。
8.根据权利要求7所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：还包括用于采集各个负载模块中温度的温度测控模块及用于采集各个负载模块电参数的电参数测控模块，所述温度测控模块及电参数测控模块分别与控制器通讯连接。
9.根据权利要求8所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：还包括上位机，上位机与控制器通讯连接。
10.根据权利要求1所述的全工况智能模拟RLC试验负载，其特征在于：各个所述负载模块的内部组成一致。
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