單相饋能式電子負載電路原理分析

摘要：饋能式電子負載主要通過電力電子器件來控制電壓或電流的，從而得到了對任意負載的模擬。待測試驗電源在電源測試過程中釋放的電能，最終以單位功率因數返回于電網中，從而實現能源的再生利用。本文介紹了單相饋能式電子負載的電路結構，并對其兩級PWM整流器的運行原理進行了重點分析。

關鍵詞：饋能式電子負載;功率因數;PWM整流器

中圖分類號：TM714

Principle Analysis for Singlephase Energy Feedback Electronic Load

Sun Qingxiu

Shaanxi Railway InstituteShanxiWeinan714000

Abstract：The energy feedback electronic load can be controlled by the voltage or current through power electronic device，so that the simulation of any load is obtained.The electrical energy of the measured power supply is finally fed back to the power grid with a unit power factor，thereby realizing energy regeneration.This paper introduces the structure of a singlephase energy feedback electronic load，and analyzes the operating principle of its twostage PWM rectifier.

Key words：Energy feedback electronic load;power factor;PWM rectifier

為了避免在使用傳統電阻、電容、電感及其組合的負載時難以修改參數、精度差以及能源浪費等問題[1，2]，饋能式電子負載應運而生。饋能式電子負載不僅可以模擬任意特性的線性或非線性負載，而且可以實現被測電源的輸出能量的回收和再利用[3]，既節約了能源，又不產生大量的熱量，保護了環境節約了散熱成本。

1 主電路拓撲

單相饋能式電子負載的主電路原理結構如圖1所示。采用AC/DC/AC背靠背兩級變換結構[4，5]。因為兩級通過中間的直流母線電容連接，所以前后兩級變換器可以分別獨立控制，并且可工作在不同的頻率。第一級為負載模擬側，第二級為并網逆變側。

圖中，us表示待測的試驗電源兩端電壓，ug表示并網逆變側的并網電壓，is表示第一級電路中電流，ig表示為并網電流，Ls、Lg分別為交流輸入和輸出端的濾波電感，Cd為直流側兩級共用的母線電容。Vi（i=1、2、3…7、8）為PWM變換器開關管。

2 運行原理

2.1 負載模擬側運行原理

單相饋能式電子負載中，任意特性負載的模擬主要通過圖1中的第一級完成。根據被測電源的試驗需要，可以確定所需要模擬的負載類型及其相應的參數，該負載可以是線性負載也可以是非線性負載。因此待測的試驗電源兩端電壓us和負載模擬側的輸出電流is，他們二者之間的函數關系可表示為：

f（us，is）=0（1）

當待測的試驗電源確定后，待測的試驗電源兩端電壓（us）或電流（is）隨之被確定。根據式（1）從而可以確定指令電流（is*）或指令電壓（us*）。通過對電力電子器件V1～V4的控制，使得電路中的實際電流（is）或實際電壓（us）完全追蹤指令電流（is*）或指令電壓（us*），達到模擬任意負載特性的功能。由于電路中的高次諧波只會使電流產生很小波動，且電路中寄生電阻較小，因此可以忽略[6]。第一級電路的等效圖如圖2（a），各電路參數之間的相量關系圖如圖2（b）。

圖中，U·s表示待測試驗電源電壓相量，I·s表示第一級電路中交流電流相量，U·Ls表示濾波電感兩端的電壓相量，U·AB表示交流輸入端電壓相量。由圖2（b）可知，滿足關系式U·s=U·AB+U·Ls。假如使交流輸入端的電流幅值I·s為固定的某一值，根據U·Ls=ωLsI·s，交流輸入端濾波電感兩端的電壓幅值也恒定不變。因此，以U·s終點為圓心，以U·Ls幅值大小為半徑的圓就是交流側調制電壓相量U·AB的各終點集合。

通過控制交流輸入端UAB的幅值大小和相位角，U·s就可超前或滯后I·s任意相位角，控制能量的流向和任意功率因數角。因此，通過控制交流電流或者交流電壓的幅值和相位，使實際電流矢量或實際電壓矢量四象限運行，從而達到模擬任意負載的目的。幾種典型負載的矢量關系圖如圖3所示，其中分別為：

2.2 并網逆變側運行原理

并網逆變側將電能返回電網，實現能源再生利用，電路需工作于單位功率因數的狀態[6]。此時，第二級電路的等效電路圖為圖4（a），電路各參數對應的相量關系如圖4（b）所示。

圖中，U·EF為并網逆變側交流調制電壓相量，U·Lg為第二級電路中濾波電感兩端電壓相量，I·g并網電流相量。同樣只考慮電路中基波分量，此時PWM逆變器的工作狀態滿足U·EF=U·Lg+U·g。采用控制交流側調制電壓U·EF，使并網電流I·g與并網電網U·g相位相差180°，實現功率因數為1，最終將能量由直流側流向交流測，達到能源再生利用。

3 結語

本文主要介紹了常用的單相饋能式電子負載，其工作電路采用AC/DC/AC，中間共用母線電容的拓撲結構，重點對其負載模擬側和并網逆變側的運行原理分別進行了分析。在負載特性的模擬和能量回饋的基礎上，饋能式電子負載完全可實現對諧波的補償，達到單位功率因數并網。

參考文獻：

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[2]李衛華，謝珩.關于電子模擬負載研究現狀的探討[J].新余高專學報，2005，2（10）：4749.

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作者簡介：孫青秀（1989—），女，碩士，助教，研究方向：鐵道通信信號。