CN115078790A - 交流电子负载装置及其三角形负载实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流电子负载装置及其三角形负载实现方法，该方法基于功率单元、数字信号处理单元和检测单元，其中数字信号处理单元包括三相三角形接法处理模块，功率单元包含三个可独立控制的功率模组，每个功率模组为一相，三个功率模组可以组成三相四线制Y形电子负载或三相三线制三角形电子负载，功率单元输出到数字信号处理单元，信号经处理后传输至三相三角形接法处理模块，构造三角形负载与待测电源三相三线制连接的数学模型，三角形负载与待测电源的连接电路上挂载虚拟阻抗或并联Y形虚拟阻抗。本发明采用独立式拓扑结构，具有回收功能，非共母线拓扑，既可以用于三相四线接法，又可以用于三相三线接法，且每相独立控制。

Description

交流电子负载装置及其三角形负载实现方法
技术领域
本发明涉及交流电子负载技术领域，具体涉及一种交流电子负载装置及其三角形负载实现方法。
背景技术
目前，市场上主要是真实负载，三相电子负载和三相非独立式拓扑负载。
真实负载是由电阻、电感元器件串并联组成的负载，不具有回收功能，负载产生电流的时候进行大量发热，需要有专门的散热处理。真实负载可以用于Y形负载、三角形负载接法。三相电子负载是由电子器件模拟电阻、电感元器件，也不具有回收功能，负载产生电流的时候进行大量发热，需要有专门的散热处理。三相电子负载可以用于Y形负载、三角形负载接法。三相非独立式拓扑负载，可以进行回收，发热较少，但难以独立控制，一般用于对称性负载，控制较为复杂。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种交流电子负载装置及其三角形负载的实现方法，相较于现有技术，本发明采用独立式拓扑结构，具有回收功能，非共母线拓扑，单独母线，既可以用于Y形(三相四线)接法，又可以用于三角形(三相三线)接法，且每相独立控制。
本发明公开的交流电子负载装置，包括功率单元、数字信号处理单元和检测单元，其中数字信号处理单元包括三相三角形接法处理模块，所述的功率单元耦接外部待测物，所述的数字信号处理单元耦接功率单元，所述的检测单元一端耦接于功率单元及待测物之间，另一端耦接数字信号处理单元，所述的检测单元将外部待测物输出的电压、电流信号转换为所述的数字信号处理单元可识别的信号，数字信号处理单元对电压、电流信号进行三角形控制算法设计后输出控制信号，控制功率单元，功率单元对待测物进行拉载测试；
所述的功率单元包含三个可独立控制的功率模组，每个功率模组为一相，各相电流独立调节，控制三个功率模组不进行中性点接线，形成Y形不带中线连接方式，等效成三相三角形连接方式，通过相应控制算法控制每相电流，形成三相三角形负载输出控制；
所述的三相三角形接法处理模块，用于建立三相三角形负载与待测电源三相三线制连接的控制算法模型，将三相Y形不带中线的电路模型等效成三相三角形电路模型，通过三相三角形接法处理模块控制负载每相输出电流，得到三角形负载的稳定电流。
所述功率模组包括整流侧全桥PWM变换器和逆变侧全桥PWM变换器，所述的整流侧全桥PWM变换器连接待测电源，所述的逆变侧全桥PWM变换器连接电网。
所述三相Y形电子负载的三相正端分别连接待测电源的三相输出端，三相负端分别连接中线，电子负载的中线与待测电源的中线相互连接。
所述三相三角形电子负载的三相正端分别连接待测电源的三相输出端，三相负端相互连接。
所述三个功率模组，将其中性点连接，形成两相串联模式。
交流电子三角形负载实现方法，基于交流电子负载装置，包括以下步骤：
步骤1：设置三相三角形负载每相相电流；
步骤2：根据KCL定律，三相三角形负载连接节点的电流等于零，再根据步骤1中设置的每相相电流，计算得出各相的线电流；
步骤3：通过三相三角形负载并联三相Y形虚拟阻抗，得出三相三角形负载的电流重心点，在设置三相三角形电流为零时，电流重心点能保持稳态电流零点；
步骤4：将三相三角形负载的线电流叠加三相Y形虚拟阻抗的电流作为等效控制电流。
进一步地，外部电源给定含有电压正弦角度信息的电压信号，控制电流设定量与电压正弦角度信息一致，完成三角形负载锁相控制，输出相位角，通过电压正弦角度信息控制电流，产生功率因数较高的负载，等效成理想的电阻，再根据等效控制电流幅度设置，按照控制周期设置电流不断的变化，产生电流参考。
进一步地，将电流参考与负载电流反馈进行比较，得出的偏差经误差调节器进行调节，产生调节信号，调节信号控制开关管，完成输出电流的控制。
所述三相Y形虚拟阻抗的阻值给定的足够大，则Y形虚拟阻抗的电流均趋近于零。
本发明技术方案带来的有益效果有：
1、本发明三相负载独立控制，支持输入电源不平衡输入，支持三相非平衡负载输出。
2、本发明易于控制，每相电流单独可调，可以用于三相Y形负载接法和三相三角形负载接法。
3、本发明不用改变电路拓扑，节省了相应设计开支。
4、本发明不用改变控制算法就可以实现平衡及非平衡控制，减小了控制系统的复杂度。
附图说明
图1为本发明的交流电子负载装置示意图。
图2为本发明的功率单元的整体拓扑结构示意图。
图3为本发明的电子负载装置连接待测电源的三相Y形接法示意图。
图4为本发明的电子负载装置连接待测电源的三相三角形接法示意图。
图5为本发明的三相三角形负载与待测电源的连接电路上挂载虚拟阻抗示意图。
图6为本发明的三相三角形负载并联Y形虚拟阻抗示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1 所示，本发明公开了一种交流电子负载装置，包括功率单元、数字信号处理单元和检测单元，其中数字信号处理单元包括三相三角形接法处理模块，所述的功率单元耦接外部待测物，所述的数字信号处理单元耦接功率单元，所述的检测单元一端耦接于功率单元及待测物之间，另一端耦接数字信号处理单元，所述的检测单元将外部待测物输出的电压、电流信号转换为所述的数字信号处理单元可识别的信号，数字信号处理单元对电压、电流信号进行三角形控制算法设计后输出控制信号，控制功率单元，功率单元对待测物进行拉载测试。
如图2所示，功率单元包含三个可独立控制的功率模组，功率模组包括整流侧全桥PWM变换器和逆变侧全桥PWM变换器，整流侧全桥PWM变换器连接待测电源，逆变侧全桥PWM变换器连接电网。每个功率模组为一相，三个功率模组可以组成三相四线制Y形电子负载或三相三线制三角形电子负载。具体地，三个功率模组整流侧的正端A、B、C分别连接到三相待测电源的输出端，三个功率模组整流侧的负端相互连接在一起形成中线N，三个功率模组逆变侧分别连接Uab、Ubc、Uca三相的电网端。
三相Y形电子负载的三相正端分别连接待测电源的三相输出端，三相负端分别连接中线，电子负载的中线与待测电源的中线相互连接。电子负载装置连接待测电源的三相Y形接法如图3所示，三相Y形电子负载的三相正端A、B、C分别连接待测电源的Ua、Ub、Uc三相输出端，三相负端X、Y、Z连接到中线N，电子负载的中线N与待测电源的中线N连接。
三相三角形电子负载的三相正端分别连接待测电源的三相输出端，三相负端相互连接。电子负载装置连接待测电源的三相三角形接法如图4所示，三相三角形电子负载的三相正端A、B、C分别连接待测电源的Ua、Ub、Uc三相输出端，三相负端X、Y、Z互相连接。
三相三角形接法处理模块是构造三角形负载与待测电源三相三线制连接的算法模型。三相三角形负载中，每相负载的末端和另一相负载的首端连接，组成三角形。每相负载的相电流表示为iab、ibc、ica，相应的线电流表示为ia、ib、ic。如图5所示，三相三角形负载与待测电源的连接电路上挂载虚拟阻抗，每相虚拟负载的正端分别连接三相待测电源的输出端A、B、C，每相虚拟负载的负端接地。如图6所示，三相三角形负载并联Y形虚拟阻抗，Y形虚拟阻抗的三相正端分别连接到三相待测电源的输出端A、B、C，每相负端相连并接地。从三相三线制源来说，三角形负载的控制点为A相电源输出点，B相电源输出点，C相电源输出点，本实施例负载也能提供该连接点，因此，图5的三相三角形负载与待测电源的连接电路上挂载虚拟阻抗与图6的三相三角形负载并联Y形虚拟阻抗可以进行等效。
本发明还公开了一种交流电子三角形负载实现方法，基于交流电子负载装置，包括以下步骤：
步骤1：设置三相三角形负载每相相电流分别为iab，ibc，ica。
步骤2：三相三角形负载连接节点的电流根据KCL定律等于零，再根据步骤1中设置的每相相电流，计算得出各相的线电流，以计算ia为例，根据KCL定律，iab+ica+ia=0，通过计算得出三角形负载的线电流ia，同理计算出ib，ic，得到三角形负载的线电流分别为ia，ib，ic。
步骤3：通过三相三角形负载并联三相Y形虚拟阻抗，得出三相三角形负载的电流重心点，在设置电流为零时，电流重心点能保持稳态电流零点，通过稳态电流零点获得控制基准点，对设定电流进行控制，当给定三相Y形虚拟阻抗R的阻值足够大，则Y形虚拟阻抗的电流Ua/R、Ub/R、Uc/R均趋近于零。
步骤4：将计算得出的三相三角形负载的线电流ia，ib，ic叠加三相Y形虚拟阻抗的电流Ua/R、Ub/R、Uc/R作为等效控制电流。
具体地，即A相功率模组的等效控制电流等于ia+Ua/R，B相功率模组的等效控制电流等于ib+ Ub/R，C相功率模组的等效控制电流等于ic+Uc/R，三相三角形负载的线电流ia，ib，ic叠加三相Y形虚拟阻抗的电流Ua/R、Ub/R、Uc/R通过芯片不断地按照控制周期进行加法运算，控制周期可以为检测单元将外部待测物输出的电压、电流信号转换为所述的数字信号处理单元可识别的信号的采样周期。
外部电源给定含有电压正弦角度信息的电压信号，控制电流设定量即用户拉载电流交流有效值与电压正弦角度信息一致，完成三角形负载锁相控制，输出相位角，通过电压正弦角度信息控制电流，此处电流为交流电流瞬时值，转化为该电流后按该电流进行控制，产生功率因数较高的负载，等效成理想的电阻，再根据等效控制电流幅度设置，按照控制周期设置电流不断的变化，幅度值代表不同的电流，幅度越大电流越大，产生电流参考。
电流参考与负载电流反馈进行比较，得出的偏差经误差调节器进行调节，产生调节信号，调节信号控制开关管，完成输出电流的控制。
负载电流反馈为检测单元采样的功率模组拉载外部待测电源的电流信号；调节信号控制的开关管为与待测电源连接侧的全桥PWM 变换器的开关管。
本发明公开的交流电子负载装置及其三角形负载实现方法，由三个全桥拓扑组成三个逆变器，中性点互相连接，拓扑上面可以实现三相Y形负载输出控制，各相电流独立调节，也容易实现单相并联控制，或者不进行中性点接线，形成Y形不带中线连接方式，等效成三相三角形连接方式，通过相应控制算法就可以控制每相电流，形成三角形负载，每相电流独立可调，还可以只工作三相中的两个相，中性点连接到一块，形成两相串联模式。本发明无需将负载物理连接成三角形，电流拉载值只要能进行实时计算和控制，就可以实现三角形负载，本申请接法简单，Y形、三角形两种负载方便切换，节省了接线复杂度，但也等效实现了三角形接法负载，增加了控制灵活度，不需要单独设计就可以实现三角形不平衡控制。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.交流电子负载装置，其特征在于，包括功率单元、数字信号处理单元和检测单元，其中数字信号处理单元包括三相三角形接法处理模块，所述的功率单元耦接外部待测物，所述的数字信号处理单元耦接功率单元，所述的检测单元一端耦接于功率单元及待测物之间，另一端耦接数字信号处理单元，所述的检测单元将外部待测物输出的电压、电流信号转换为所述的数字信号处理单元可识别的信号，数字信号处理单元对电压、电流信号进行三角形控制算法设计后输出控制信号，控制功率单元，功率单元对待测物进行拉载测试；
所述的功率单元包含三个可独立控制的功率模组，每个功率模组为一相，各相电流独立调节，控制三个功率模组不进行中性点接线，形成Y形不带中线连接方式，等效成三相三角形连接方式，通过相应控制算法控制每相电流，形成三相三角形负载输出控制；
所述的三相三角形接法处理模块，用于建立三相三角形负载与待测电源三相三线制连接的控制算法模型，将三相Y形不带中线的电路模型等效成三相三角形电路模型，通过三相三角形接法处理模块控制负载每相输出电流，得到三角形负载的稳定电流。
2.根据权利要求1所述的交流电子负载装置，其特征在于，所述的功率模组包括整流侧全桥PWM变换器和逆变侧全桥PWM变换器，所述的整流侧全桥PWM变换器连接待测电源，所述的逆变侧全桥PWM变换器连接电网。
3.根据权利要求1所述的交流电子负载装置，其特征在于，所述的三相Y形电子负载的三相正端分别连接待测电源的三相输出端，三相负端分别连接中线，电子负载的中线与待测电源的中线相互连接。
4.根据权利要求1所述的交流电子负载装置，其特征在于，所述的三相三角形电子负载的三相正端分别连接待测电源的三相输出端，三相负端相互连接。
5.根据权利要求1所述的交流电子负载装置，其特征在于，所述的三个功率模组，将两相的中性点连接，形成两相串联模式。
6.交流电子三角形负载实现方法，基于权利要求1-5任一项所述的交流电子负载装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置三相三角形负载每相相电流；
步骤2：根据KCL定律，三相三角形负载连接节点的电流等于零，再根据步骤1中设置的每相相电流，计算得出各相的线电流；
步骤3：通过三相三角形负载并联三相Y形虚拟阻抗，得出三相三角形负载的电流重心点，在设置三相三角形负载电流为零时，电流重心点能保持稳态电流零点；
步骤4：将计算得出的三相三角形负载的线电流叠加三相Y形虚拟阻抗的电流作为等效控制电流。
7.根据权利要求6所述的交流电子三角形负载实现方法，其特征在于，外部电源给定含有电压正弦角度信息的电压信号，控制电流设定量与电压正弦角度信息一致，完成三相三角形负载锁相控制，输出相位角，通过电压正弦角度信息控制电流，产生功率因数较高的负载，等效成理想的电阻，再根据等效控制电流幅度设置，按照控制周期设置电流不断的变化，产生电流参考。
8.根据权利要求7所述的交流电子三角形负载实现方法，其特征在于，将电流参考与负载电流反馈进行比较，得出的偏差经误差调节器进行调节，产生调节信号，调节信号控制开关管，完成输出电流的控制。
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Application publication date: 20220920

Assignee: ITECH ELECTRONIC Co.,Ltd.

Assignor: ILD ELECTRONIC Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023990000218

Denomination of invention: AC electronic load device and its triangular load realization method

Granted publication date: 20221104

License type: Common License

Record date: 20230216

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