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能量回馈型电子负载的原理介绍.doc

能量回馈型电子负载的原理介绍

一瞬间化作永恒
2017-10-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《能量回馈型电子负载的原理介绍doc》,可适用于社会民生领域

能量回馈型电子负载的原理介绍党三磊~丘东元~张波,华南理工大学电力学院广州,StudyontheTheoryofEnergyRecyclingElectronicLoadDANGSanlei,QIUDongyuan(ElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,China)摘要:能量回馈型电子负载是一种用于各种电源出厂试验的的前提下将被测电源的输出能量循环再生利用能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置。它能够实既节约了能源又不产生大量的热量避免了试验场现对所模拟电阻值的无级调节并能够实现电能的再生利所环境温度升高的问题。该电子负载未将试验功率用具有节能、体积小、重量轻、节省安装空间、试验性能转变为热能因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷优良等优点。本文简要描述了交直流电子负载的结构、原理却设备节约了安装空间。由于采用的是能量回馈和控制方式并对主要影响系统性能的PWM整流器的工作的方式因此试验场所不必配备较大的电源容量原理和控制方法进行了重点分析。。降低了供电容量的成本关键字:电子负载能量回馈PWM整流器本文分别介绍了交直流电子负载的结构工作ABSTRACT:Theenergyrecyclingelectronicloadisanew原理和相应的控制方式并重点分析了PWM整流器typepowerelectronicsinstrumentthatcanrunwiththesame的工作原理和不同控制方式的优缺点。functionasresistorsintheallkindsofpowersourceburnin能量回馈型交流电子负载testItcanberegardedasaresistorwhosevaluecanchangesmoothlyThedevicesavesenergybyfeedingburnintest图给出了单相能量回馈型交流电子负载系统powerbacktotheutilitysystemItislighter,smallerandhas结构图采用具有中间直流环节的ACDCAC双级abetterperformanceinthetestthanthenormalelectronicload变换结构分开控制电子负载的输入电流i、输出uThispaperdescribesthestructure,principleandcontrol电流i并且能使输入和输出工作在不同的频率满rstrategyofACandDCenergyrecyclingelectronicloadbriefly足某些特殊电源测试需要。ACDC整流单元与TheprincipleandcontrolstrategyofthePWMrectifierareDCAC逆变单元均采用电压型PWM整流器前级studiedindepth整流单元控制被测电源的输出电流i模拟被测电uKEYWORDS:electronicload,energyrecycling,PWM源需要的负载特性后级整流单元控制直流侧电压rectifierV和并网电流i。控制上前后级是解耦的可以分dcr开进行分析和设计。引言iu电子负载是指能模拟真实负载某些特性的电被测VSVu子设备它不仅可模拟不同数值的电阻、电感、电ir电源容及它们的组合而且可模拟非线性负载的某些特整AC性。电子负载具有调节方便、通用性强、精度高、流LrVr单稳定性好等优点是电源试验测试用负载的发展方DC元向。电子负载作为电源测试的重要手段随着电源AC测试集成化、一体化的发展趋势其重要性越发明VidcCV显。DC能量回馈型电子负载既能模拟各种负载特性逆变单元图交流电子负载系统又能将电能无污染的回馈电网是当前电子负载发FigACelectronicloadsystem展的必然趋势。与普通电阻负载相比它的工作方前级整流器的功率因数在至间可调后级式是利用电力电子变换技术在完成测试功率实验逆变器功率因数一般为被测电源输出的电能(除Vs去开关损耗)经逆变回馈电网。PWM发Vrefrrefrii负载特性模拟功能的实现电流调乘法PI调功率生及驱动节器器管节器电路图给出了负载特性模拟控制系统图其中irfVdcP、V和i分别指模拟负载的功率、被测电源输refuu三角波出电压和被测电源输出电流i和i分别指被测urefuf噪声滤波和a电源输出电流控制目标值和被测电源输出电流反凹槽滤波器馈值。前级PWM整流的主要目的是模拟阻感负载图能量回馈控制系统特性并把能量从被测电源传递给能量回馈单元。FigControlsystemofenergyfeedbackunit对于前级整流单元而言后级整流单元相当于直流电压源只有一个控制量i对i进行闭环控制。改善电子负载的性能。一步减少谐波含量uu电子负载作为被测电源的负载要能模拟RL负载电压型PWM整流器特性因而图中移相电路是必需的。P经过移相ref后与V通过乘法器产生模拟负载输入电流(即被交流电子负载中的负载特性模拟和能量回馈u测电源输出电流)控制目标值ii再与反馈电两个功能的实现都依赖于电压型PWM整流器因而urefuref流i比较生成电流误差值误差值经过电流调节器选择合适的PWM整流器拓扑结构和相应有效的控uf和PWM发生器形成相应的PWM脉冲使开关管开制方式决定了电子负载的性能。通或关断达到i对i快速跟踪这样就实现了PWM整流器是应用脉宽调制技术(PWM)发uuref展起来的一种新型电源变流器既可以将电网输入Vu的交流整流为输出的直流也可方便地将直流逆变为交流回馈到电网中去因而PWM整流器也被称PWM发urefirefuP移相乘法i电流调功率生及驱动为脉冲变流器或四象限变流器。目前应用最为广节器电路器电路管泛的是电压型桥式变流器三相电压型PWM整流器iuf即是其中的一种交流电子负载的负载特性模拟单三角波Vdc元与能量回馈单元直流电子负载的逆变部分都采图负载特性模拟控制系统用这种整流器。对于此类电压型桥式电路的分析FigControlsystemofloadcharacteristicsimulation应当从其基本的组成单元半桥单元入手。unit由三相电压型PWM整流器三相电压的对称性负载特性的模拟功能。可以知道直流侧中点电位与电网中线等电位。以此电位为参考地电位理想情况下三相电压型PWM能量回馈功能的实现整流器半桥单元的理想拓扑结构如图所示。若以图给出了能量回馈系统控制系统图。后级整正弦脉宽调制规律控制开关S、S可在A点得到流单元控制直流侧电压V和并网电流i使并网基波为正弦波的脉宽调制波U其基波幅值:dcrs()U,,U电流正弦化和并保持功率因数为是后级控制的Sd,为调制比相位和频率都可以控制。如果控主要目标。如控制系统框图所示V为直流母线ref制的频率与网压频率相同则可以得到如下电US给定电压V为直流母线电压i为并网电流dcr压矢量关系式:V为与电网电压同相的单位正弦信号。根据对直流s()UjI,LUs,NN母线电压误差的比例积分调节控制系统自动选取对应的电压矢量图如图所示。图中可以看出能量流动方向PI调节器的输出与V相乘生成的s调节的幅值和相角可使在四个象限内随意UISN正弦信号作为并网电流的控制目标值电流目标值'变化。图中给出和两种情况相应得到的UUI与反馈值的电流误差经过电流调节器调节后生成SNS'和各在II、IV象限对应于整流和逆变两种状I信号波与载波比较产生驱动信号。只要选择合适的N态。对于电子负载能量回馈环节来说三相电压型控制系统参数可维持母线电压恒定的同时能量自脉冲整流器应工作在有源逆变的状态且其功率因动选取流动方向做到了能量平衡网侧电流可为与数应为以保证不对电网造成污染而对交流电网同相或反相的正弦波形且THD很小。反馈电电子负载的负载特性模拟环节相电压型脉冲整流流和电压通过高频噪声滤波和凹槽滤波器可以进器应工作在有整流状态且其功率因数应为至外这种方法的滞环宽度固定而开关频率不固定jI,LiNd高低悬殊有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖'USjI,LNU峰。因此采用各种改进方法是必要的。N'USPI电流控制方法将反馈电流与给定信号相比iINNu较经PI调节器输出与载频三角波比较产生PWM开USduN关信号谐波成分远比三角波频率低。一种改进的方法是把PI调节器置于dq坐标系这样所需调节的电'IN流为直流量调节器的输出经旋转坐标变换转换图半桥单元拓扑及电压矢量图成为三相正弦信号再与三角波比较输出PWM信FigHalfbridgeunitconfigurationandvoltage号但这种方法增加了系统实时运算处理的复杂vectorgraph。性普通的微处理器难以胜任输入电压为正弦波。小惯性电流跟踪(SICT)控制是近年来兴起的控制能量回馈的关键是矢量图中的或者通I一种特别适合于脉冲整流器的电流控制方法它集N过对的控制以完成对的控制或者直接对UII滞环电流控制的简单、快速性和PAC、PI电流控制SNN进行控制完成对交流侧电流、功率因数的控制方法的开关频率固定特点于一身不过需要以性能从而实现各种功能:整流器逆变器功率因数补优良PWM调制器作保证。偿器谐波补偿器等等。以上几种电流控制方式各有特点但由于滞环PWM整流器的电流控制既包含幅度控制又包电流控制简单易实现比较多的研究中采用这种含相位控制这些年来已经出现了不少有关的交方式同时通过采用限制最高开关频率的方法来避流侧电流控制的方法相位幅度控制(PAC)是一免了由于频率过高产生的电流尖峰的出现。本文中种应用较多的方法。该方法基于输入回路的稳态相所有的PWM整流器均采用这种控制方法下面主要量关系根据稳态电流向量的给定、PWM基波电压分析滞环电流控制的原理。向量的幅度与相位分别予以闭环控制进而通过工作时将正弦电流参考波形与线电流的实际SPWM电压控制实现对输入电流的控制。这种控制波形进行滞环比较比较结果决定逆变器桥臂上下方法存在几个方面的缺陷一是对PWM电压向量的开关元件的导通和关断如图所示。其基本原理幅度与相位以两个闭环分别控制加之通常出于系可以简述如下:设置滞环比较器的环宽为ΔiΔi对统稳定性的考虑两个闭环的响应速度差别较大应着设定的最大电流偏差当实际相电流i比参考a幅度与相位瞬态响应速度不同步难以保证系统具*电流i高Δi时滞环比较器的输出使对应的逆变器a有良好的动态特性二是从稳态相量关系出发进行桥臂上开关器件截止下开关器件导通迫使电流电流控制其前提条件是交流电压源不发生畸变下降当实际电流降到比参考电流低Δi时滞环比而实际上由于电网内阻抗的存在负载的变化及各较器的输出使相应逆变桥臂上开关器件导通下种非线性负载等扰动尤其是在瞬态过程中电源波开关器件关断。如此上下两开关反复通断迫使实形的畸变会直接影响着系统控制的效果三是在用际电流在一个允许的偏差范围内跟踪参考电流。于有源无功补偿的情况下由于脉冲整流器交流侧电流源非正弦相量关系及SPWM将不再适用。此i外有些基于三相坐标变换的电流控制方法往往由ia*i于其坐标变换给系统控制带来一定的复杂性。ia从这点来讲采用电流控制PWM技术可以使上述问题得到比较圆满的解决。诸如电流滞环控制t和PI电流控制等方法在电网电压畸变、电流给定a*i波形非正弦的情况下可以通过开关控制使网侧电ia*i流基本上跟踪参考电流的变化。滞环电流控制的突出特点之一是控制简单用图滞环电流控制原理模拟器件很容易实现。另外当功率器件的开关频FigPrincipleofhysteresiscurrentcontrol率很高时响应非常快并且对负载及电路参数的变化很不敏感不过模拟器件用于系统核心的电流能量回馈型直流电子负载及PWM控制与目前的全数字化趋势很不协调。此Rt图给出了能量回馈型直流电子负载的一般系,UdL()i,(e)统结构。由于待测直流电源一般输出为低压直流R电不能直接逆变后并入电网一般有如图所示的Ud()i,两种实现方案:)直流电通过DCDC变换后得R到高压直流电再逆变为交流如图(a)所示)DCDC直流变换环节直流电直接逆变为交流电,然后通过变压器实现电能的再生利用,如图(b)所示。由于第二种方案采用直直变换器(DCDC)部分需要将低压输入直流升压为V左右的高压直流以使得产生足够的高压提供给脉冲整流器的直流侧以供逆变之用并实现负载特性模拟。电路拓扑一般选用目前国内外直直变换电路中最常用的电路拓扑形式之一全桥变换电路也是中大功率应用场合更是首选拓扑。这主要是考虑它具有功率开关器件电压、电流额定值较小功率变压器利用率较高等明显优点。根据控制方式中反馈的电压和电流的不同有电压控制型PWM和电流控制型PWM。电压控制型PWM把反馈电压值和进行给定电压值比较根据误差值来增大或者减小占空比使输出电压和给定电压一致。而电流控制型PWM控制系统分为峰值电流型和图直流电子负载结构平均电流型两种他们检测并反馈的分别是一个导FigDCelectronicloadconfiguration通周期(T)内电流变化的峰值和平均值工作原on的工频变压器体积大质量大变比大输入电流理即把反馈值和给定值作比较根据比较结果来确大不易安装而且低压大电流逆变电路难以实现定开关管的通断。和电压控制型比较电流型控制所以一般采用第一种方案。具有动态响应快易于实现限流和过流保护允许直流电源要求电子负载能够实现电流的无级的输入电压交流纹波大多套系统并联运行时均流调节以满足被试电源对不同电流值的试验需要效果好够有效的抑制逆变变压器单向偏磁所引起通过控制保持低压直流侧电流恒定可以看作电流的饱和问题等优点但是输出电压纹波较大。直流电子负载中负载特性模拟功能由前级源交流侧直接并网当电网电压不变时交流侧可以看作恒压源交流电流随着直流电压的波动而DCDC变换部分实现其中主要控制的就是电源的输出电流(即DCDC变换的输入电流)因而采波动以实现整个系统能量的平衡。其中DCDC用电流控制型PWM更合适更容易实现。虽然电部分要完成将低压电能变为可供逆变器相电网输流控制型PWM输出电压纹波较大但是电子负载入能量的高压这部分输入端低压大电流输出高压小电流输入设计难度较大。逆变部分要实现核中的直流母线电压可以由后级PWM整流电路控心任务模拟实际电阻负载调节输出电流大小制可以维持在一个恒定值。并且要求无污染的并网。一般全桥DCDC变换器常采用PWM技术同在模拟阻感负载时直流侧电压U恒定电时开通或关断斜对角的一对开关管使其工作在硬d网电压在一定范围内恒定通讯电源输出电流的大开关方式。这种工作方式随着工作频率的上升开小直接正比于系统所模拟的功率的大小即正比于关损耗成正比上升使系统效率下降开关过程中交流侧电流的大小电流的设定值若按式()的给定产生的didt和dudt引起强烈的电磁干扰噪声进行控制则成功地控制了通讯电源输出电流的大Ldidt还会导致器件过压。为了避免这种情况的产小即成功地模拟了R、L性质的负载此时通过生对开关管常采用软开关技术常见的软开关技对R、L值的设定即可实现对模拟功率的设定。同术有串联负载串联谐振串联负载并联谐振准谐振和多谐振荡器等其中串联负载串联谐振方式应样更为简单的情况下模拟纯电阻负载时电流设定值按式()的给定取值即可。用较广并有成熟的经验。在文献中DCDC采用的全桥软开关变换电路通过在压器副边并联储能电容C的方法来实现原电流的复位即ZCS在、电压控制环功率管两端并联谐振容实现原边电压为零即恒压控制环是系统的负载量调节部分通过调ZVS据试验表明性能较好。节负载电流的大小来恒定直流侧的电压直流电压的恒定也表示了在高压直流侧流入的功率和流DCAC逆变环节出的电功率相等相当于通过调节负载电流间接地交直流电子负载这个环节的功能一样可以采调节了开关电源输出电流的大小。用相同的能量回馈方案即电流控制方式的电压(定值)为直流电压给定其工作原理为:VREFPWM整流器。实际电压通过磁平衡式电压传感器采样两者的差值通过PI调解器调整结果作为负载交流电流的幅直流电子负载控制原理值设定当直流电压大于给定时说明流入直流侧前面讨论了直直变换器和逆变部分原理在整的功率大于流出的功率DCDC对高压侧支撑电容个电子负载系统中需要将两部分与被测电源有机充电那么增大负载电流幅值即增大流出直流侧地结合在一起下面对一种系统控制方案作以论的功率使支撑电容放电直流侧电压下降反之述。减小负载电流值使直流侧电压上升以保持电压控制方案为:通过对低压直流输入电流的设恒定和系统的稳定。定来控制DCDC给定电流的大小采用闭环调两个闭环的控制实现了负载模拟原理只要节实现对被测电源的考核电流快速跟踪。通过对输设定负载电流值I电子负载系统即可自动模拟REF出交流电流的调节实现高压侧直流电压的恒压控电阻负载功能。制并使PWM整流器功率因数保持为实现能量结束语回馈。本文简要描述和分析了相关文献中能量回馈系统控制方框图如图所示:型交直流电子负载常采用的拓扑结构和控制方式可以看出能量回馈型交直流电子负载一般由负载特性模拟单元和能量回馈单元两部分组成。其中前级控制一般较为简单较易实现而后级既要实现能量的回馈还要尽量减少并网电流中的谐波含量控制较为复杂是电子负载的核心关键部分。选择一种先进PWM整流控制方式可以极大地改善图直流电子负载控制系统电子负载的各种性能指标。理论上PWM整流器完FigControlsystemofDCelectronicload全可以在实现模拟负载特性和进行能量回馈的基图中有两个闭环控制回路对被测电源输出电础上对系统的功率因数及谐波进行一定的补偿流进行电流闭环控制和对直直变换器输出高压进可使整个电源测试系统更加完善。行电压闭环控制。、电流控制环参考文献给定电流I为给定电流由电子负载用户设REF李宝昌刘志刚电流滞环控制脉冲整流器在电子负载中定所需要模拟的电阻的大小从而给定电流的幅的应用电气传动自动化,,():值反馈电流为通过磁平衡式电流传感器反馈的电李春龙,张建荣,卢家林等能量回馈型可编程交直流电流信号两者作差结果通过PI调解器的运算得到子负载的研究中国电工技术学会电力电子学会第十届直直变换器的峰值电流给定信号I以提供给电流d学术年会论文集模式控制电压型全桥变化器工作的需要。工作原理MingTsungTsai,CharlesTsaiEnergyRecyclingfor可以描述为:当直流电流给定值大于实际电流值ElectricalACPowerSourceBurnInTestIEEE时作差的结果为Δi通过PI调节得到累加值TRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS,使得I变大从而增大直直变换器输入电流的峰值d,():即相当于直直变换器的输出电流平均值变大反ShyhJierHuang,FuShengPaiDesignandOperationof之直流电流给定值小于实际电流时则减小IdBurnInTestSystemforThreePhaseUninterruptible即减小直至变换器的输入电流从而达到恒流的目PowerSuppliesIEEETRANSACTIONSON的。INDUSTRIALELECTRONICS,,():ChinELinMingTsungTsai,WenInneTsaietal现铁道学报,,():ConsumptionPowerFeedbackUnitforPowerElectronics崔莉,刘志刚,李宝昌ZVZCS电子负载的实现电子工程BurnInTestIEEETRANSACTIONSON师,:INDUSTRIALELECTRONICS,,():劳群芳电能反馈式电子模拟功率负载的研制(硕士学位论文)华北电力大学,张永丽,熊蕊基于均值反馈和同步锁相控制结合的电能反馈型电子负载研究通信电源技术,,():刘志刚,李宝昌,汪至中电能反馈型电子负载的设计与实

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