能量自循環(huán)用電力電子負載在低壓開關(guān)測試中的應(yīng)用研究*

□ 孫 斌 □ 張全成 □ 陳蘇生 □ 莊 駿

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200072

根據(jù)國家標準GB14048.5-2008的規(guī)定，開關(guān)器件都要進行溫升試驗、接通和分斷能力試驗、短路接通和分斷能力試驗與功能試驗等。在試驗系統(tǒng)中，電源和負載是最主要的測試設(shè)備，開關(guān)器件連接在電源和負載之間，由電源和負載給開關(guān)器件提供測試電流。根據(jù)開關(guān)器件的試驗要求來設(shè)置電源的電壓、頻率、負載的電流與功率因數(shù)，目的是檢測開關(guān)器件在不同的測試條件下的接通和分斷能力［1-3］。

傳統(tǒng)按鈕開關(guān)試驗的技術(shù)方案都是采用變壓器、調(diào)壓器等作為電源，電阻器、電抗器和電容器等設(shè)備作為負載組合實現(xiàn)的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子負載技術(shù)實現(xiàn)按鈕開關(guān)的電氣性能測試方案已成為新方向和大趨勢。該方案中以電子負載代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無源負載，電子負載檢測到電源的電壓信號，對電壓信號的相位角度和振幅進行定位，根據(jù)設(shè)置的電流值和功率因數(shù)計算出電子負載的輸出電壓振幅和相位角度，電子負載和電源的電壓對接即可產(chǎn)生開關(guān)器件測試需要的電流和功率因數(shù)［4-6］。本文以開關(guān)測試為研究對象，實現(xiàn)了電源-開關(guān)-電子負載-電源的內(nèi)部能量循環(huán)，減少整個系統(tǒng)的功耗，同時增加友好的人機交互界面，方便了技術(shù)人員的控制調(diào)節(jié)，達到了節(jié)能、經(jīng)濟、控制方便的效果。

1 系統(tǒng)原理介紹

如圖1所示，市電在電源內(nèi)部經(jīng)整流逆變后給被試開關(guān)提供電源，電子負載對電源電壓進行采樣，根據(jù)設(shè)定的電流和功率因數(shù)，實現(xiàn)對流過開關(guān)的電流和功率因數(shù)的控制。能量進入電子負載后，被電子負載回饋到電源內(nèi)部，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)，減少系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量，從而達到了經(jīng)濟節(jié)能的目的。

2 系統(tǒng)組成及布局圖

▲圖1 開關(guān)試驗系統(tǒng)原理圖

▲圖2 系統(tǒng)布局圖

該系統(tǒng)由電源、電子負載、人機交互系統(tǒng)組成，電源由模擬量信號采樣板、控制電路板、IGBT驅(qū)動板、整流橋電路、平波電容、IGBT逆變單元、隔離變壓器及輸出濾波電路組成。電子負載的直流母線直接連接到電源的直流母線上，通過模擬量采樣板對電壓信號、電流信號、溫度信號進行采樣，經(jīng)過調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器送入CPU，CPU根據(jù)測量到的電壓信號來控制電子負載的電壓輸出，實現(xiàn)對接，產(chǎn)生電流，系統(tǒng)要有很高的控制精度和反應(yīng)速度。人機交互系統(tǒng)采用液晶面板顯示，用CAN總線通信與主控部分進行通信，通過人機交互系統(tǒng)即可設(shè)定電流和功率因數(shù)等。

3 軟件部分設(shè)計方案

為了提高電源的輸出電壓質(zhì)量，在電源控制系統(tǒng)中采取了軟件閉環(huán)控制算法和快速的硬件瞬時反饋控制，主程序流程圖設(shè)計見圖3。

▲圖3 主程序流程圖

電子負載因為要實現(xiàn)與電源輸出電壓進行對接控制，所以首先要實現(xiàn)電源電壓的定位，包括相位角度定位和振幅定位。在本設(shè)計中，為了達到快速定位，采用了硬件電壓過零點檢測，當檢測信號發(fā)送至CPU，CPU根據(jù)電壓信號的過零點對電壓全相位角度進行估計，通過A/D轉(zhuǎn)換器送過來的瞬時電壓值信號，恢復(fù)出電源的輸出電壓信號。

直接數(shù)字合成波形技術(shù)指從相位量化概念出發(fā)直接合成所需波形。預(yù)先在存儲器內(nèi)部存儲一個正弦波表格，表格的地址為正弦波的相位，其關(guān)系可用y=f（x）表示，其中x為相位，y為幅值，每個相位對應(yīng)不同幅值，得到相位信息即可得到表格中量化的正弦波，根據(jù)振幅信號，乘以一個系數(shù)即可得到需要的正弦波數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化后轉(zhuǎn)化為正弦波模擬量。

軟件中除了控制算法外，還利用了CPU中的CAN總線接口外設(shè)，通過對外設(shè)寄存器的設(shè)置可實現(xiàn)CAN總線通信，當有數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU，CPU會進入中斷程序，接收外部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析，設(shè)置輸出電壓值、電流值或者功率因數(shù)。

4 硬件設(shè)計方案

控制電路采用ARM+CPLD的組合控制方案，利用ARM對ADC采樣過來的電壓電流信號進行監(jiān)控，用CPLD的查表方式產(chǎn)生波形，實現(xiàn)邏輯控制和相位快速同步跟蹤及逆變控制和各種保護電路控制。控制板架構(gòu)如圖4所示。

▲圖4 控制板設(shè)計架構(gòu)

硬件部分主要包括信號采集電路、信號處理電路、邏輯部分電路、SPWM波形產(chǎn)生電路及死區(qū)補償部分等。CPU通過采集的信號計算出電壓電流相位等信息，通過高速SPI總線傳遞到CPLD，CPLD內(nèi)做DDS核，經(jīng)外部DAC及低通濾波后產(chǎn)生正弦波和三角波。兩種波形經(jīng)過比較電路后產(chǎn)生所需要的兩兩互補的四路SPWM波形，信號輸出給IGBT驅(qū)動電路，實現(xiàn)控制功能。系統(tǒng)中采用的逆變單元的核心器件是IGBT，也是整個系統(tǒng)的核心器件，同時采用直流儲能電容穩(wěn)定直流電壓，減少紋波。為了提高阻抗匹配能力，增加電氣濾波功能，系統(tǒng)增加隔離變壓器。

5 應(yīng)用效果驗證

根據(jù)開關(guān)測試要求，開關(guān)需要承受6倍的沖擊電流，即測試系統(tǒng)具備模擬開關(guān)合閘時的電流情況，且時間為4～6個周波，合閘后通過的是額定電流。采用研制的新能開關(guān)測試系統(tǒng)進行開關(guān)測試，將啟動電流設(shè)定為額定電流的6倍，啟動時間的周波數(shù)設(shè)定為4，同時測試時間t任意，被試開關(guān)通斷時通過的電流波形如圖5所示，滿足開關(guān)測試相關(guān)要求。通過電表計量，電能消耗為傳統(tǒng)負載系統(tǒng)的30%，主要消耗為開關(guān)和電子負載本身的熱能損耗。

▲圖5 新型負載測試系統(tǒng)的測試波形圖

6 結(jié)論

本文研制的能量自循環(huán)電子負載，解決了電阻/電感型假負載對供配電容量的苛刻要求，以及進行實驗時能源浪費的問題，并改善了工作環(huán)境，實現(xiàn)可程控的自動化檢測。解決了能饋型電子負載二級變換器間的控制協(xié)調(diào)問題，實現(xiàn)了直流能量回饋主、從變換器間功率自動均衡，控制簡單，系統(tǒng)的可靠性提高。實際使用效果表明，測試系統(tǒng)電流值和測試周期可以任意設(shè)定，滿足開關(guān)測試相關(guān)要求。

［1］ 劉杰.直流電子負載在直流電源校準中的應(yīng)用［J］.計量與測試技術(shù)，2010（10）.

［2］ 梅櫻，劉志剛，張鋼.基于CAN總線的電子負載監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)［J］.電氣應(yīng)用， 2007（8）.

［3］ 趙屹，臧小杰，檀柏紅.電能回饋型航空發(fā)電機測試用電子負載的研制［J］.中國民航大學(xué)學(xué)報,2008（5）.

［4］ 王子劍，孔峰.基于DSP的數(shù)字電子負載控制器設(shè)計［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2010（2）.

［5］ 馮寶成，蘇建徽，劉文濤.基于可變電子負載的光伏陣列特性測試技術(shù)［J］.電力電子技術(shù)， 2011（9）.

［6］ 龍厚濤，侯振義，孫剛.一種非線性電子負載基準電流的產(chǎn)生方法［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2011（6）.