CN1847865A - 能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子负载模拟装置，特别是一种交直流通用，能实现任意负载特性模拟、能量回馈型电子负载模拟装置，该装置以具有公共直流母线的两级PWM逆变器为核心构成，输入级PWM逆变器经输入滤波电感接被试电源构成电子负载的负载特性模拟部分；输出级PWM逆变器经隔离变压器、输出滤波电感接电网，构成电子负载的能量回馈部分；负载特性模拟部分和能量回馈部分在控制上互相独立，负载特性模拟采用单一的电流瞬时值控制方式来控制输入负载电流的幅值和波形，能量回馈采用包含锁相环的电压电流双闭环控制方式来控制输出网侧电流的波形及直流侧母线电压，本发明自身损耗小，网侧功率因数高，是一种节能型交直流通用电子负载模拟装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子负载模拟装置，具体涉及一种通过电力电子变换电路实现任意负载特性模拟及能量回馈电网的节能型交直流通用电子负载模拟装置。
背景技术
各类交流电源、直流电源在研发过程中或产品出厂前都需要进行带载实验，以检验电源的电气性能。负载的构成方式有两种：一种是由电阻器、电感器、电容器等无源器件组成，这是最传统的负载构成方式，这种负载存在以下缺点：
1)负载大小参数调节不便，不易精确控制；
2)负载大小及参数的稳定度不高，随负载温度的变化而变化；
3)负载发热会使环境稳温度升高。
另一种是由电力电子器件及电阻器组成的电子负载，现有的电子负载虽然克服了传统负载存在的参数调节不便、稳定度不高的缺点，但仍存在以下缺点：
1)通用性不强。直流电子负载仅适用于直流电源，交流电子负载仅适用于交流电源，还没有一种电子负载能同时适用于直流电源和交流电源；
2)目前交流电子负载仅能模拟阻性负载及整流负载，不能模拟任意功率因数线性负载的外特性；
3)功耗大。功耗来自两个方面，包括工作于线性区的电力电子器件的功耗和电阻器的功耗，仍然存在负载发热使环境温度升高的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有电子负载通用性不强，不能模拟任意功率因数的线性负载以及功耗大的缺点，提供一种电子负载解决方案。该方案能同时适用于直流电源和交流电源，不仅能模拟任意功率因数的线性负载，而且能模拟任意波形的非线性负载，同时能将输入电能中的大部分回送电网，自身损耗也很小。
本发明通过设计一种能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置并通过其技术方案实现其目的。
能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置以具有公共直流母线的两级PWM逆变器构成，其中：输入全桥PWM逆变器经输入滤波电感L1接被试电源u1构成电子负载的负载特性模拟部分；输出全桥PWM逆变器经隔离变压器T、输出滤波电感Ls接电网us，构成电子负载的能量回馈部分，输入全桥PWM逆变器通过电容C与输出全桥PWM逆变器并联连接。
负载特性模拟部分和能量回馈部分在控制上互相独立，负载特性模拟控制部分控制输入负载电流的幅值和波形，能量回馈控制部分控制输出网侧电流的波形及直流侧母线电压。
负载特性模拟控制部分包括负载电流波形指令产生单元和负载电流跟踪控制单元；其中：负载电流波形指令产生单元根据模拟的负载特性实时产生与被试电源电压同步的负载电流指令；负载电流跟踪控制单元是将负载电流指令i1*和负载电流i1通过瞬时值检测信号进行比较，其信号通过调节器Ki1放大，然后和三角波发生器所发生的三角波通过比较器比较产生PWM波，经驱动电路产生Q1～Q4驱动信号控制Q1～Q4的开通与关断。
能量回馈部分的控制采用带锁相环的电压电流双闭环控制方式，其中，所述的锁相环是指通过鉴相器进行相位比较，相位误差信号经低通滤波器滤波，低通滤波器输出的平均电压信号控制压控振荡器的输出频率变化，使鉴相器输入两信号相位差不断减小，直至差值为零，从而实现锁相，得到与电网电压同频同相的网侧电流指令iS*，锁相环用来产生与电网电压同频同相的网侧正弦波电流指令；电流环是指网侧电流指令iS*和网侧电流iS的瞬时值检测信号进行误差比较，误差信号通过调节器KiS放大，然后和三角波比较产生PWM波，经驱动电路产生Q5～Q8驱动信号控制Q5～Q8的开通与关断。
该装置的输入全桥PWM逆变器是由自关断器件Q1、Q2、Q3、Q4组成的桥式电路；输出全桥PWM逆变器是由自关断器件Q5、Q6、Q7、Q8组成的桥式电路；
该装置的负载电流波形指令产生单元以高速的数字信号处理器DSP为核心构成。
本发明的有益效果是，能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置能同时适用于直流电源和交流电源，不仅能模拟任意功率因数的线性负载，而且能模拟任意波形的非线性负载，同时能将输入电能中的大部分以正弦有功电流的形式回送电网，自身损耗小，网侧功率因数高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明的功率变换电路原理图
图2为本发明的负载电流跟踪控制单元原理图
图3为本发明的能量回馈部分控制原理图
具体实施方式：
本发明的工作原理是模拟装置的功率变换电路以具有公共直流母线的输入输出全桥PWM逆变器为核心构成，输入全桥PWM逆变器经输入滤波电感接被试电源，构成电子负载的负载特性模拟部分。输出全桥PWM逆变器经隔离变压器、输出滤波电感接电网，构成电子负载的能量回馈部分。
对于电子负载的负载特性模拟部分而言，当直流母线电压足够高时(其值至少应大于被试电源电压的峰值)，输入滤波电感电流即所模拟的负载电流的幅值和波形是完全可控的。负载电流波形指令产生单元采用锁相的方式产生与输入电源电压同步的电流波形指令，负载电流跟踪控制单元对输入滤波电感电流进行瞬时值控制，使所模拟的负载电流幅值和波形与期望值相同。
电子负载的能量回馈部分采用双环控制结构，对网侧电流波形及直流母线电压进行控制。控制部分包括直流母线电压控制环，正弦波发生器和网侧电流跟踪控制单元，控制部分采用锁相的方式产生与电网电压同频同相的正弦电流波形指令，控制输出全桥PWM逆变器，使直流母线电压维持恒定，同时使电能以正弦有功电流的形式回馈电网。
图1所示是实现本发明能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置的主电路拓扑结构，从图中可以看出，该电子负载模拟装置的功率变换电路包括的主要元器件及相互连接关系如下：
输入全桥PWM逆变器经输入滤波电感L1接被试电源u1构成电子负载的负载特性模拟部分；输出全桥PWM逆变器经隔离变压器T、输出滤波电感Ls接电网us，构成电子负载的能量回馈部分，负载特性模拟部分和能量回馈部分在控制上互相独立，负载特性模拟部分控制输入负载电流的幅值和波形，能量回馈部分控制输出网侧电流的波形及直流侧母线电压，输入全桥PWM逆变器通过电容C与输出全桥PWM逆变器并联。
负载特性模拟部分和能量回馈部分在控制上互相独立，负载特性模拟控制部分控制输入负载电流的幅值和波形，能量回馈控制部分控制输出网侧电流的波形及直流侧母线电压。
图1中输入滤波电感L1，自关断器件Q1，Q2，Q3，Q4构成电子负载的负载特性模拟部分。输入全桥PWM逆变器是由自关断器件Q1、Q2、Q3、Q4组成的桥式电路；输出全桥PWM逆变器是由自关断器件Q5、Q6、Q7、Q8组成的桥式电路。
被试电源的输出即电子负载的输入u1串联接入输入滤波电感L1，连接至由Q1～Q4四个高速自关断器件组成的输入全桥PWM逆变器的交流侧；高速自关断器件Q1～Q4可选用MOSFET或IGBT。输入滤波电感L1的主要作用是抑制由开关器件Q1～Q4在开关过程中产生的高次谐波电流，使输入电流波形光滑，避免对被试电源产生影响。
输入全桥PWM逆变器的主要作用是通过开关器件Q1～Q4的高频开关将输入电流i1控制为所期望的波形。
图1中C，Q5，Q6，Q7，Q8，T，LS构成电子负载的能量回馈部分。
输入全桥PWM逆变器的直流侧分别接电解电容器C的正负两端，同时接由Q5～Q8四个高速自关断器件构成的输出全桥PWM逆变器的直流侧，输出全桥PWM逆变器的交流侧直接接至输出隔离变压器T的原边，输出隔离变压器T的副边串联接入输出滤波电感LS，然后接至电网us，实现能量回馈。Q5～Q8高速开关器件可选用MOSFET或IGBT。直流母线电容器C主要作用为平滑直流侧电压和缓冲能量。
输出全桥PWM逆变器的主要作用是在控制直流母线电压恒定的同时，将电子负载输入侧吸收的能量回馈电网，同时控制回馈电网的电流是与电网电压同频同相的正弦波。
输出隔离变压器T的主要作用是实现电子负载输入输出之间的电压匹配及电气隔离，便于电子负载的并联使用。
输出滤波电感LS的主要作用是抑制由开关器件Q5～Q8在开关过程中产生的高次谐波电流，使回馈电网的电流波形光滑，减小电子负载对电网的谐波污染。
如图1和图2所示，负载特性模拟控制部分包括负载电流波形指令产生单元和负载电流跟踪控制单元；其中：负载电流波形指令产生单元根据模拟的负载特性实时产生与被试电源电压同步的负载电流指令。负载电流波形指令产生单元以高速的数字信号处理器DSP为核心构成，它根据需模拟的负载特性及电子负载输入电压信号实时地计算并发出负载电流波形指令i1*。当需模拟直流电源的负载时，i1*为相应的直流量。针对交流电源，需要模拟阻性负载时，i1*与被试电源u1同相；需模拟感性负载时，i1*滞后被试电源u1相应的角度；需模拟容性负载时，i1*超前被试电源u1相应的角度；需模拟非线性负载如整流负载时，i1*为相应的脉冲波形。
负载电流跟踪控制单元采用单一的电流瞬时值控制方式。负载电流指令i1*和负载电流i1的瞬时值检测信号进行比较，其误差信号通过调节器Ki1放大，然后和三角波发生器所发生的三角波通过比较器比较产生的PWM波，此PWM波经驱动电路进行信号调理及死区电路处理产生Q1～Q4驱动信号，来控制Q1～Q4的开通与关断。当调节器增益Ki1足够大时，可使负载电流检测信号和负载电流指令i1*误差足够小，即可控制负载电流i1为所期望的电流波形。
参照图1、图2和图3，能量回馈部分控制原理如图3所示。这是一个包含锁相环在内的电压电流双环控制系统。其中锁相环控制网测电流指令iS*的相位检测，包括电网电压uS相位检测、网侧电流指令iS*相位检测、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、地址信号发生器、正弦波数据存储器、D/A转换器、信号调理等。电网电压uS经相位检测得到含有电网电压相位信息的方波信号，此方波信号和网侧电流指令iS*相位检测信号通过鉴相器进行比较，可得到正比于两信号相位差的方波信号，再通过低通滤波器得到此方波信号的平均电压作为压控振荡器的输入，压控振荡器输出的高频信号经地址信号发生器产生地址信号，对正弦波数据存储器进行寻址读数，正弦波数据存储器的输出数据经D/A转换器及信号调理得到相应的正弦信号。其中低通滤波器输出的平均电压信号控制压控振荡器的输出频率变化，使鉴相器输入两信号相位差不断减小，直至差值为零，从而实现锁相，得到与电网电压同频同相的网侧电流指令iS*，iS*的幅值Vref由直流母线电压调节器的输出控制；电压调节器的输出作为网侧电流指令的幅值参考，电压调节器选用PI调节器。
电压控制环包括直流母线电压E的电压检测及直流母线电压调节器PI调节器。直流母线电压给定E*和直流母线电压E检测信号的差值经PI调节器得到Vref。电压控制环通过调节Vref的大小使由输入全桥PWM逆变器输入到电容器C上的能量和输出全桥PWM逆变器回馈电网的能量保持平衡，从而维持直流母线电压的恒定。通过锁相环和电压环可得到网侧电流指令iS*。电流环包括网侧电流瞬时值检测，调节器KiS，三角波发生器，比较器及驱动电路。网侧电流指令iS*和网侧电流iS的瞬时值检测信号进行误差比较，误差信号通过调节器增益为KiS的调节器放大，然后和三角波比较产生PWM波，此PWM波经驱动电路进行信号调理及死区电路处理产生Q5～Q8驱动信号控制Q5～Q8的开通与关断。当调节器增益KiS足够大时，可使网侧电流检测信号和网侧电流指令iS*的误差足够小，即可控制网侧电流i1为所期望的正弦波电流值，从而实现能量的回馈。
本发明能同时适用于直流电源和交流电源，自身损耗小，网侧功率因数高。是一种通过电力电子变换电路实现任意负载特性模拟及能量回馈电网的节能型交直流通用电子负载模拟装置。
Claims (5)
1、一种能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置，其特征在于模拟装置以具有公共直流母线的两级PWM逆变器构成，其中：输入全桥PWM逆变器经输入滤波电感L1接被试电源u1构成电子负载的负载特性模拟部分；输出全桥PWM逆变器经隔离变压器T、输出滤波电感Ls接电网us，构成电子负载的能量回馈部分，输入全桥PWM逆变器通过电容C与输出全桥PWM逆变器并联连接。
负载特性模拟部分和能量回馈部分在控制上互相独立，负载特性模拟控制部分控制输入负载电流的幅值和波形，能量回馈控制部分控制输出网侧电流的波形及直流侧母线电压。
2、根据权利要求1所述的能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置，其特征在于：负载特性模拟控制部分包括负载电流波形指令产生单元和负载电流跟踪控制单元；其中：
负载电流波形指令产生单元根据模拟的负载特性实时产生与被试电源电压同步的负载电流指令；
负载电流跟踪控制单元是将负载电流指令i1 *和负载电流i1通过瞬时值检测信号进行比较，其信号通过调节器Ki1放大，然后和三角波发生器所发生的三角波通过比较器比较产生PWM波，经驱动电路产生Q1～Q4驱动信号控制Q1～Q4的开通与关断。
3、根据权利要求1所述的能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置，其特征在于：能量回馈部分的控制采用带锁相环的电压电流双闭环控制方式，其中，所述的锁相环是指通过鉴相器进行相位比较，相位误差信号经低通滤波器滤波，低通滤波器输出的平均电压信号控制压控振荡器的输出频率变化，使鉴相器输入两信号相位差不断减小，直至差值为零，从而实现锁相，得到与电网电压同频同相的网侧电流指令iS *，锁相环用来产生与电网电压同频同相的网侧正弦波电流指令。
电流环是指网侧电流指令iS *和网侧电流iS的瞬时值检测信号进行误差比较，误差信号通过调节器KiS放大，然后和三角波比较产生PWM波，经驱动电路产生Q5～Q8驱动信号控制Q5～Q8的开通与关断。
4、根据权利要求1所述的能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置，其特征在于：输入全桥PWM逆变器是由自关断器件Q1、Q2、Q3、Q4组成的桥式电路；输出全桥PWM逆变器是由自关断器件Q5、Q6、Q7、Q8组成的桥式电路。
5、根据权利要求2所述的能量回馈型交直流通用电子负载模拟装置，其特征在于：负载电流波形指令产生单元以高速的数字信号处理器DSP为核心构成。
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