CN1137536C - 交流电子负载模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种交流电子负载模拟装置，特别是指一种可模拟电阻性、电感性、及电容性等不同交流负载性的交流电子负载模拟装置。其特征在于包括有：一电压零交越侦测电路，两输入端是跨接于交流电源，一电流波形产生电路，一电压电流相位控制电路，一开关电路，其包括有四个切换开关，一整流电路，并接在该开关电路的两输出端，一电压至电流转换电路，连接在整流电路的输出端。以相位控制来产生一与电源电压同相、落后或超前的电流控制波形，而可模拟任何复合性负载的电流波形。
Description
技术领域
本发明是关于一种交流电子负载模拟装置，特别是指一种可模拟电阻性、电感性、及电容性等不同交流负载性的交流电子负载模拟装置。
背景技术
在现代工业仪器、电气设备中经常都需要使用交流电源设备。例如目前工业界中经常所使用的交流电源设备，包括有不断电电源(UPS)、反相器(INVERTER)、稳压器(VOLTAGE REGULATOR)、放大器(AMPLIFIER)等。这些各式交流电源设备在设计、组装完成之后，为了要了解其各项电气特性，经常都需要连接实际的电气负载，来作各项电气特性的测试、记录、改进。由于必需要准备各式的交流电子负载模拟装置，以便实际连接至该交流电源设备，故在进行测试时，极为不便，工作效率无法提升。
因此，为了要克服常用技术中采用实体负载连接的不便，故有交流电子负载模拟装置的研发。然而，在一般常用的交流电子负载模拟装置中，一般仅用于电热器电灯泡等电阻性负载的测试，并不适合用于电感性或电容性负载的测试，亦不适合用于复合性负载的电流波形测试。而在部分宣称可以作电感生或电容性测试的常用交流电子负载模拟装置中，实际上在进行测试时，都会有电磁干扰等问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种交流电子负载模拟装置的电路设计，其可模拟各式电阻性、电感性、及电容性等不同交流负载特性的交流电子负载模拟装置。本发明适合用于测试各式交流电源，例如不断电电源(UPS)、反相器(INVERTER)、稳压器(VOLTAGE REGULATOR)、放大器(AMPLIFIER)等交流电源设备。
本发明的另一目的是提供一种可任意调整负载形态的交流电子负载模拟装置。在本发明中，以相位控制来产生一与电源电压同相、落后或超前的电流控制波形，再配合电压电流相位控制电路、开关电路、整流电路、电压至电流转换电路等构件，而可模拟任何复合性负载的电流波形，包括整流性负载、整流性与电感性复合、整流性与电容性复合等，且模拟的电流波形正负半周对称。在功率因子方面，可控制的功率因子达-1.000～0～+1.000。
本发明的目的可以按下述方式实现，本发明一种交流电子负载模拟装置，其特征在于包括有：一电压零交越侦测电路，两输入端是连接于交流电源，以在交流电源每一周波的正半周时，由其输出端送出一个计数脉波；一电流波形产生电路，接收该电压零交越侦测电路所产生的计数脉波，并依据一电流相位设定电路的设定，产生一与交流电源的电压同相、落后或超前的相位控制信号；一电压电流相位控制电路，分别接收该电流波形产生电路所产生的相位控制信号与电压零交越侦测电路所产生的计数脉波，而由其输出端产生一第一及第二开关控制信号；一开关电路，其包括有四个切换开关，其中第一切换开关及第四切换开关是呈对配置，受该电压电流相位控制电路的第一开关控制信号所控制，而第二切换开关及第三切换开关是呈对配置，受该电压电流相位控制电路的第二开关控制信号所控制；一整流电路，并联在该开关电路的两输出端，将开关电路所送出的交流电源予以整流，在输出端产生一直流电压；一电压至电流转换电路，连接在整流电路的输出端，在相位控制信号的控制之下，该整流电路所输出的直流电压转换为一负载电流。更包括有一电流准位控制电路，连接在电流波形产生电路的输出端，用以调节该电流波形产生电路所产生的相位控制波形的信号准位。该交流电源电流是与交流电源的电压同相。该交流电源电流是落后或超前交流电源的电压一相位角。
以下将配合本发明的较佳实施例电路图及波形图，对本发明作进一步的说明如后，其中：
附图说明
图1是本发明的较佳实施例电路图；
图2是本发明模拟纯电阻性负载时各相关节点的波形图；
图3是本发明模拟电感性负载时各相关节点的波形图；
图4是本发明在模拟电容负载时各相关节点的波形图。
附图说明：
1……交流电源 2……开关电路
3……整流电路 4……电压至电流转换电路
5……电压零交越侦测电路 6……电流波形产生电路
61……电流相位设定电路 7……电流准位控制电路
71……电流准位设定电路 8……电压电流相位控制电路
具体实现方式
如图1所示，是本发明电路图。本发明的交流电子负载模拟装置主要包括有一开关电路2、一整流电路3、一电压至电流转换电路4、一电压零交越侦测电路5、一电流波形产生电路6、一电流相位设定电路61、一电流准位控制电路7、一电流准位设定电路71、一电压电流相位控制电路8。
其中开关电路2是连接于交流电源1，其包括有四个切换开关SWA～SWD，其中第一切换开关SWA及第四切换开关SWD是呈对配置，可受电压电流相位控制电路8所输出的第一开关控制信号SWAD所控制；而第二切换开关SWB及第三切换开关SWC是呈对配置，可受电压电流相位控制电路8所输出的第二开关控制信号SWBC所控制。故当交流电源1的电压VS在正半周时，可经由第一切换开关SWA及第四切换开关SWD形成一回路；而当交流电源1的电压VS在负半周时，可经由第三切换开关SWC及第二切换开关SWB形成一回路。
整流电路3是并联在该开关电路2的两输出端，用以将开关电路2所送出的交流电压VL予以整流，以在输出端产生一直流电压VD。该整流电路3内部包括有四个二极管，形成一全波整流电路。
电压至电流转换电路4连接在整流电路3的输出端，在相位控制信号的控制之下，将该整流电路3所输出的直流电压VD转换为一负载电流IL。
电压零交越侦测电路5的两输入端是连接于交流电源1，每当该交流电源1的相角为0时，即可由该侦测电路5予以侦测出，并在交流电源1每送出一个周波时，即可由电压零交越侦测电路5的输出端送出一个计数脉波至输出端。故可在该电压零交越侦测电路5的输出端产生一串的计数脉波VA。
电流波形产生电路6接收该电压零交越侦测电路所产生的计数脉波VA，并依据电流相位设定电路61的设定，产生一与交流电源的电压VS同相、落后或超前的相位控制信号VP。在本发明的实施例中，该电流波形产生电路6的内部可包括有一波形资料记忆体、计数器、以及数字至类比转换器，藉由此一电路结构，可很容易产生所需的与交流电源电压VS同相、落后或超前的输出波形。
该电流波形产生电路6所产生的相位控制信号VP可再经由一电流准位控制电路，用以调节该相位控制信号VP的信号准位。此一功能实际上即是设定所需的负载电流准位。
电压电流相位控制电路8的两输入端分别接收该电流波形产生电路6所产生的相位控制信号VP与电压零交越侦测电路5所产生的计数脉波VA，而由其输出端产生第一开关控制信号SWAD及第二开关控制信号SWBC。
由于交流负载可能为电阻性、电感性、电容性等不同特性的负载，故在模拟一电子负载时，必需要能符合这些特性，才能符合实际的需求，以下将分别以纯电阻性、电感性、电容性的负载特性说明如后。
一、电阻性负载：
电阻性负载的特性乃是电流与电压同相。因此，本发明必需要产生一个与交流电源电压VS同相的交流电流IS。兹同时参阅图1的电路及图2所示的波形，说明如下：
电压零交越侦测电路5的两输入端是连接于交流电源1，而在其输出端可送出一序列的计数脉波VA。计数脉波VA送至电流波形产生电路6之后，由于是模拟电阻性负载，故此时该电流相位设定电路61乃设定为电阻性。因此，该电流波形产生电路6即会依据电流相位设定电路61的设定，而产生一与交流电源电压VS同相的相位控制波形VP。
该相位控制波形VP与计数脉波VA会同时送到电压电流相位控制电路8中，再由电压电流相位控制电路8的输出端产生一组开关控制信号SWAD、SWBC。为了要得到该开关控制信号SWAD、SWBC，该电压电流相位控制电路8可采用一般已知的逻辑电路(例如互斥或闸)来设计。
开关控制信号SWAD即用来控制开关电路2中的第一切换开关SWA、及第四切换开关SWD的开关状态；而开关控制信号SWBC即用来控制开关电路2中的第二切换开关SWB、及第三切换开关SWC的开关状态。
在电阻性负载时，该开关控制信号SWAD乃恒为高态，而开关控制信号SWBC乃恒为低态。因此，可以在开关电路2的输出端产生一与交流电源的电压VS相同的电压波形VL。该电压波形VL会经由整流电路3作全波整流，而产生了一整流输出波形VD。
该整流输出波形VD送到电压至电流转换电路4的两端，然后，再配合前述相位控制信号VP′的控制，使该电压至电流转换电路4产生一个负载电流IL。在取得该负载电流IL之后，由于其相位乃与交流电源的电压VS同相，故实际上即是在交流电源端得到一与交流电源电压VS同相的电源电流IS。
二、电感生负载
电感性负载的特性乃是电流落后电压某一相位角。因此，本发明必需要产生一个落后交流电源电压VS某一相位角的交流电流IS。在电感生负载时，各相关波形如图3所示。
电压零交越侦测电路5的两输入端是连接于交流电源1，而在某输出端可送出一序列的计数脉波VA。计数脉波VA送至电流波形产生电路6之后，由于是模拟电感性负载，故此时该电流相位设定电路61乃设定为电感性。因此，该电流波形产生电路6即会依据电流相位设定电路61的设定，而产生一落后于交流电源电压VS某一角度θ的相位控制波形VP。
该相位控制波形VP与计数脉波VA会同时送到电压电流相位控制电路8中，再由电压电流相位控制电路8的输出端产生一组开关控制信号SWAD、SWBC。
该相位控制波形VP与计数脉波VA会同时送到电压电流相位控制电路8中，再由电压电流相位控制电路8的输出端产生一组开关控制信号SWAD、SWBC。
该开关控制信号SWAD即用来控制开关电路2中的第一切换开关SWA、及第四切换开关SWD的开关状态；而开关控制信号SWBC即用来控制开关电路2中的第二切换开关SWB、及第三切换开关SWC的开关状态。
在电感性负载时，该开关控制信号SWAD与SWBC的时序关系如图3所示。在开关控制信号SWAD及SWBC控制开关电路2中的各个切换开关SWA～SWD动作的结果，使得该开关电路2的输出端产生电压波形VL。例如，以第一个周波为例，当第一及第四切换开关SWA及SWD闭合、而第二及第三切换开关SWB及SWC截止时，交流电源1的电压VS得以送至整流电路3的输入端。而当交流电源1的电压VS隆至0时，第一及第四切换开关SWA及SWD截止、第二及第三切换开关SWB及SWC闭合。在此期间，在该开关电路2的输出端产生一正向的电压波形VL′。
接着，当电流的相位为0时，第一及第四切换开关SWA、SWD再度闭合，第二及第三切换开关SWB、SWC则开路，故该交流电源电压VS的负半周出现在该开关电路2的输出端。以此类似的动作原理，而在开关电路2的输出端得到如图所示的电压波形VL。
经由上述的波形处理之后，该电压波形VL再经由整流电路3作全波整流，而产生了一整流输出波形VD。
该整流输出波形VD送到电压至电流转换电路4的两端，然后，再配合前述相位控制信号VP的控制，使该电压至电流转换电路4产生一个负载电流IL。在取得该负载电流IL之后，由于其相位乃落后交流电源的电压VS一相位角θ，故实际上即是在交流电源端得到一落后于交流电源电压VS某一相位角的电源电流IS。
三、电容性负载
电容性负载的特性乃是电流超前电压某一相位角。因此，本发明必需要产生一个超前交流电源电压VS某一相位角的交流电流IS。在电容性负载时，各相关波形如图4所示。
电压零交越侦测电路5的两输入端是连接于交流电源1，而在其输出端可送出一序列的计数脉波VA。计数脉波VA送至电流波形产生电路6之后，由于是模拟电容性负载，故此时该电流相位设定电路61乃设定为电容性。因此，该电流波形产生电路6即会依据电流相位设定电路61的设定，而产生一超前于交流电源电压VS某一角度θ的相位控制波形VP。
该相位控制波形VP与计数脉波VA会同时送到电压电流相位控制电路8中，再由电压电流相位控制电路8的输出端产生一组开关控制信号SWAD、SWBC。
该相位控制波形VP与计数脉波VA会同时送到电压电流相位控制电路8中，再由电压电流相位控制电路8的输出端产生一组开关控制信号SWAD、SWBC。
该开关控制信号SWAD即用来控制开关电路2中的第一切换开关SWA、及第四切换开关SWD的开关状态；而开关控制信号SWBC即用来控制开关电路2中的第二切换开关SWB、及第三切换开关SWC的开关状态。
在电容性负载时，该开关控制信号SWAD与SWBC的时序关系如图4所示。在开关控制信号SWAD与SWBC控制开关电路2中的各个切换开关SWA～SWD动作的结果，使得该开关电路2的输出端产生了一个电压波形VL。例如，以第一个周波为例，当第一及第四切换开关SWA及SWD闭合时，交流电源1的电压VS得以送至整流电路3的输入端。而当交流电源1的电压VS降至某一电压值时(即电流值为0时)，第一及第四切换开关SWA、SWD截止，改由第二及第三切换开关SWB、SWC闭合，故在该开关电路2的输出端会产生一负向的波形VL″。
接着，当交流电源1的电压VS到达零值之后，第一及第四切换开关SWA、SWD再度闭合，第二及第三切换开关SWB、SWC则开路。故该交流电源电压VS的负半周出现在该开关电路2的输出端。以此类似的动作原理，而在开关电路2的输出端得到如图所示的电压波形VL。
经由上述的波形处理之后，该电压波形VL再经由整流电路3作全波整流，而产生了一整流输出波形VD。
该整流输出波形VD送到电压至电流转换电路4的两端，然后，再配合前述相位控制信号VP的控制，使该电压至电流转换电路4产生一个负载电流IL。在取得该负载电流IL之后，由于其相位乃超前交流电源的电压VS一相位角θ，故实际上即是在交流电源端得到一超前于交流电源电压VS某一要位角的电源电流IS。
Claims (5)
1、一种交流电子负载模拟装置，其特征在于包括有：
一电压零交越侦测电路，两输入端是连接于交流电源，以在交流电源每一周波的正半周时，由其输出端送出一个计数脉波；
一电流波形产生电路，接收该电压零交越侦测电路所产生的计数脉波，并依据一电流相位设定电路的设定，产生一与交流电源的电压同相、落后或超前的相位控制信号；
一电压电流相位控制电路，分别接收该电流波形产生电路所产生的相位控制信号与电压零交越侦测电路所产生的计数脉波，而由其输出端产生一第一及第二开关控制信号；
一开关电路，其包括有四个切换开关，其中第一切换开关及第四切换开关是呈对配置，受该电压电流相位控制电路的第一开关控制信号所控制，而第二切换开关及第三切换开关是呈对配置，受该电压电流相位控制电路的第二开关控制信号所控制；
一整流电路，并联在该开关电路的两输出端，将开关电路所送出的交流电源予以整流，在输出端产生一直流电压；
一电压至电流转换电路，连接在整流电路的输出端，在相位控制信号的控制之下，该整流电路所输出的直流电压转换为一负载电流。
2、如权利要求1所述的交流电子负载模拟装置，其特征在于：更包括有一电流准位控制电路，连接在电流波形产生电路的输出端，用以调节该电流波形产生电路所产生的相位控制波形的信号准位。
3、如权利要求1所述的交流电子负载模拟装置，其特征在于：该交流电源电流是与交流电源的电压同相。
4、如权利要求1所述的交流电子负载模拟装置，其特征在于：该交流电源电流是落后交流电源的电压一相位角。
5、如权利要求1所述的交流电子负载模拟装置，其特征在于： 该交流电源电流是超前交流电源的电压一相位角。
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