CN114583748A - 一种基于ipos结构及串口通讯的直流电子负载 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流电子负载。该电子负载是一种PC通过串口通讯发送目标负载控制指令控制直流电子负载，它能完成恒流、恒阻、恒功率模式的任意切换，并且参数可调，实现了直流电子负载的友好人机界面。此外，本发明采用IPOS结构，将多个双向交错并联结构直流电子负载单元的输入端并联且输出端串联，输入端并联可实现大电流输入且大幅度降低电流纹波，输出端串联可实现高电压输出，减小了输出电流。同时，采用IPOS结构将多个直流电子负载单元组合在一起，若出现一个单元损坏，其他单元仍然可以工作运行，提高直流电子负载的可靠性。

Description

一种基于IPOS结构及串口通讯的直流电子负载
技术领域
本发明关于一种直流电子负载，具体来讲，涉及一种基于IPOS结构及串口通讯的直流电子负载。
背景技术
随着科学与技术迅速发展的需求，电源行业的测试要求也逐渐严格，研发出的电源产品都需要通过负载测试来判断其电源输出性能指标是否合格。直流电子负载是用来测试直流电源的一种虚拟负载，通过合理设计电路拓扑和电流跟踪算法，被测电源设备的输出电流可以被大范围地调节，从而模拟各种目标负载。直流电子负载不仅可以模拟出稳态负载，还能模拟一些特殊负载曲线，用来检测电源设备的瞬态性能和动态性能。
传统的直流电子负载是通过手动按键或者触摸屏手动操作对工作模式或模式参数进行修改，这两种修改方式占用单片机的IO口资源较多，每一个按键都独占一个IO口，并且操作较为麻烦。同时，传统的直流电子负载要想达到输入低压大电流且输出电压较高的目的，对电子元件的要求则较为苛刻，相应的成本会增加许多，如制作一个关于光伏发电系统的直流电子负载，制作成本较为昂贵。此外，传统的直流电子负载结构稳定性偏弱，在电源测试中，一旦某个元器件发生损坏，整个直流电子负载系统将会瘫痪，无法进行工作。
本发明提出一种PC通过串口通讯发送目标负载控制指令控制直流电子负载，它能完成恒流、恒阻、恒功率模式的任意切换，并且参数可调，实现了直流电子负载的友好人机界面。同时，本发明将多个双相交错并联结构直流电子负载单元的输入端并联且输出端串联，即采用了IPOS结构，输入端并联可实现大电流输入且大幅度降低电流纹波，输出端串联可实现高电压输出，减小了输出电流。此外，将多个直流电子负载单元组合在一起，若出现一个单元损坏，其他单元仍然可以工作运行，这将大大提高直流电子负载的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于IPOS结构及串口通讯的直流电子负载，通过串口通讯从PC发送目标负载控制指定控制直流电子负载，实现恒流、恒阻、恒功率模式的任意切换以及参数可调。
本发明的另一目的是提高系统的稳定性、降低输入电流纹波以及增大系统容量。将多个双相交错并联结构直流电子负载单元的输入端并联且输出端串联(IPOS)，其中若出现某个单元损坏，其他单元仍可继续工作，使得装置稳定性更高；多个双相交错并联结构直流电子负载单元的输入端并联可以使输入电流的纹波降低；采用IPOS结构输入端并联且输出端串联可增大整个直流电子负载装置的容量。
本发明的目的可以按下述方式实现，直流电子负载装置包括以下单元：负载模拟单元、直流母线电容、能量回馈单元、控制单元、IPOS结构。负载模拟单元与直流电源相连接以作为测试负载；直流母线电容与负载模拟单元相连接以作为储能；能量回馈单元与直流母线电容相连接以作为能量回馈；控制单元与负载模拟单元及能量回馈单元相连接，一方面用于通讯调节输入电流以使待测电源处于不同负载模式下工作，另一方面控制能量回馈单元将直流母线电容的电能回馈电网；采用IPOS结构将多个直流电子负载单元相连接，输入端并联连接被测直流电源，输出端串联回馈电网。
本发明提供一种直流电子负载，其不同工作模式的定义为：
恒流工作模式(CC)：电子负载所对应的负载电流和在此工作模式下所设定的电流值保持相同，电流的大小与电压大小无关。
Iref＝Iset (1)
恒电阻工作模式(CR)：电子负载的输入电流和输入电压成正线性的比例的关系。不管电压和电流怎么变化，电阻值都保持不变。
Figure BDA0003531321210000021
恒功率工作模式(CP)：在恒定功率的工作模式下，功率的值与电流采样和电压采样值的乘积的值相同。
Figure BDA0003531321210000022
本发明的工作原理是：PC端给定工作模式与输入参数，通过负载不同工作模式定义公式(1)、公式(2)、公式(3)计算出相应的输入电流，随后与电源总电流进行比较形成误差，误差经过PI控制调节形成单个电感电流的参考值，电感电流的参考值与实际电感电流进行比较形成误差，误差再次经过PI控制形成PWM的占空比，最后经过脉宽调制生成PWM控制信号，控制每个电感相连的MOS管，从而达到负载模拟功能。被测电源电能经过负载模拟单元测试后会停留在与负载模拟单元连接的直流母线电容上，当直流母线电容电压与给定电压相接近时，直流母线电容上的直流电压会通过逆变全桥转变为交流电压，在逆变后加隔离变压器用以隔离，且在输出端并联电磁继电器，将多个单元的隔离变压器输出端串联，最终交流电压经过串联的隔离变压器以及滤波电感后，并入电网，从而实现了能量的回馈。输入端并联连接被测直流电源，输出端串联连接电网，当单模块正常工作时并联在变压器的继电器断开，当判定模块故障时，控制并联在变压器的继电器吸合以切除故障模块，提高系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明内容描述中所需要使用的附图作以简单的介绍：
图1为电路拓扑图；
图2为负载模拟单元控制流程图；
图3为能量回馈单元控制流程图；
图1中：1.被测直流电源DC；2.电感L1；3.电感L2；4.电感L3；5.电感L4；6.MOS管Q1；7.MOS管Q2；8.MOS管Q3；9.MOS管Q4；10.二极管D1；11.二极管D2；12.二极管D3；13.二极管D4；14.直流母线电容C1；15.直流母线电容C2；16.MOS管Q5；17.MOS管Q6；18.MOS管Q7；19.MOS管Q8；20.MOS管Q9；21.MOS管Q10；22.MOS管Q11；23.MOS管Q12；24.隔离变压器T1；25.隔离变压器T2；26.电磁继电器S1；27.电磁继电器S2；28.滤波电感L5；29.并网电源AC；30.控制信号PWMA；31.控制信号PWMB；32.控制信号PWMC；33.控制信号PWMD；34.控制信号PWM1；35.控制信号PWM2；36.控制信号PWM3；37.控制信号PWM4；38.控制信号PWM2；39.控制信号PWM1；40.控制信号PWM4；41.控制信号PWM3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
基于IPOS结构及串口通讯的直流电子负载的构建方法，步骤如下：
S1搭建模型，基于IPOS结构下的串口通讯直流电子负载的拓扑结构如图1所示，该结构是将两个直流电子负载单元进行输入端并联，输出端串联，下面对拓扑结构进行模块化介绍。
前级负载模拟单元是两个双相交错并联BOOS电路构成，由电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成。被测直流电源1经过并联的电感L1、电感L2、电感L3、电感L4进行分流，四个电感的并联可以使输入电流的纹波大大降低，同时可以增大输入电流的范围提高系统的额定功率。通过控制信号PWMA、控制信号PWMB、控制信号PWMC、控制信号PWMD分别对MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4进行控制，实现模拟负载的功能效果。
储能单元与前级负载单元相连接，前级负载模拟单元测试后的电能会累积在直流母线电容C1与直流母线电容C2中，当直流母线电容上达到一定的电能后，可由后级的能量回馈单元将电能反馈到电网中，实现能量的回收。
后级能量回馈单元与储能单元相连接，能量回馈单元是两个逆变全桥构成，由MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8、MOS管Q9、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、隔离变压器T1、隔离变压器T2、电磁继电器S1、电磁继电器S2、滤波电感L5构成。储能单元直流母线电容C1与直流母线电容C2上的电压一旦达到设定值，便会通过两个全桥逆变转化为交流电。两个逆变全桥逆变出的交流电经过隔离变压器T1、隔离变压器T2后进行串联，增大输出交流电压，并且经过滤波电感L5后并入电网29。电磁继电器S1与磁继电器S2并联在隔离变压器T1、隔离变压器T2上，当单模块正常工作时并联在变压器的继电器断开，当判定模块故障时，控制并联在变压器的继电器吸合以切除故障模块，达到提高系统稳定性与提高输出电压的目的。
S2模拟负载单元控制，如图2所示，PC端通过串口助手发送一帧五字节十六进制，分别为帧头、启停、工作模式、模式参数、帧尾，MCU依据通讯协议进行解读，切换直流电子负载工作模式，将相应的模式参数经过直流电子负载工作模式定义的公式(1)、公式(2)、公式(3)转化为参考电流值Iref。由串口通讯得来的参考电流值Iref与被测直流电源1释放的总输入电流IL进行做差，得到的误差分别进行PI控制，此处为外环PI控制，起到迅速调节输入电流作用。误差经过外环PI控制后形成每个电感电流的参考值，电感电流的参考值与四个电感L1、L2、L3、L4上的电流IL1、IL2、IL3、IL4进行做差，将误差再做一次PI控制，形成PWM控制的占空比，此处为内环PI控制，作用为使每个电感电流相同，达到均流效果。其中IL2、IL4经过PI控制的形成的占空比需要进行180°的移相处理，达到减小输入电流纹波作用。将四个占空比分别进行脉宽调制形成控制信号PWMA、控制信号PWMB、控制信号PWMC、控制信号PWMD，进而控制MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4实现模拟负载功能。
S3能量回馈单元控制，如图3所示，给定两个直流母线电容C1、直流母线电容C2的参考电压值，两个直流母线电容上的电压Uc1、Uc2与参考电压值做差，所得的误差分别进行PI控制，此处为电压外环，用于直流母线电压稳定，减小两级之间的功率耦合。经过PI控制后，将会得到并网电流的参考值幅值，还需要将并网电源29进行PLL处理，得到所需的相位，此相位与并网电流参考幅值经过乘法器后得到并网电流的参考值。并网电流的参考值还需实时与并网电流进行比较，所得的误差再次经过PI控制，得到逆变全桥的占空比，此处PI控制为电流内环，是对并网电流进行控制处理，达到并网电流总谐波限制指标。最后经过脉宽调制，形成相应的控制信号PWM1、控制信号PWM2、控制信号PWM3、控制信号PWM4，进而控制逆变全桥的MOS管，实现DC到AC的转变，最终逆变后的电压经过滤波电感并入电网，完成直流电子负载的能量回馈功能。

Claims (4)

1.一种基于IPOS结构及串口通讯的直流电子负载，其特征在于：该电子负载由负载模拟单元、直流母线电容、能量回馈单元、控制单元、IPOS结构组成。负载模拟单元与电源相连接以作为测试负载；直流母线电容与负载模拟单元相连接以作为储能；能量回馈单元与直流母线电容相连接以作为能量回馈；控制单元与负载模拟单元及能量回馈单元相连接，一方面用于通讯调节输入电流以使待测电源处于不同负载模式下工作，另一方面控制能量回馈单元将直流母线电容的电能回馈电网；IPOS结构将多个直流电子负载单元相连接，输入端并联连接被测电源，输出端串联连接电网。
2.根据权利要求1所述的直流电子负载，其特征在于：所述的直流电子负载通过串口通讯从PC发送目标负载控制指令控制直流电子负载，实现恒流、恒阻、恒功率模式的任意切换以及参数可调。
3.根据权利要求1所述的直流电子负载，其特征在于：被测电源电能经过负载模拟单元测试后会停留在与负载模拟单元连接的直流母线电容上，当直流母线电容电压与给定母线电压相接近，直流母线电容上的直流电压会通过逆变全桥转化为交流电压，在逆变后加隔离变压器用以隔离，且在隔离变压器输出端并联电磁继电器，将多个单元的隔离变压器输出端串联，最终交流电压经过串联的隔离变压器以及滤波电感后，并入电网。
4.根据权利要求1所述的直流电子负载，其特征在于：多个双相交错并联结构直流电子负载单元的输入端并联且输出端串联，即采用了IPOS结构，输入端并联可实现大电流输入且大幅度降低电流纹波，输出端串联可实现高电压输出，减小了输出电流。此外，将多个直流电子负载单元组合在一起，当单模块正常工作时并联在变压器的继电器断开，当判定模块故障时，控制并联在变压器的继电器吸合以切除故障模块。若出现一个单元损坏，其他单元仍然可以工作运行，大大提高直流电子负载的可靠性。
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