文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.041
中文引用格式: 于自溪,謝岳. 應(yīng)用于電源測(cè)試的非線(xiàn)性電子負(fù)載設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(3):147-150.
英文引用格式: Yu Zixi,Xie Yue. Design of nonlinear electronic load for power supply test[J].Application of Electronic Technique,2016,42(3):147-150.
0 引言
隨著具有非線(xiàn)性特性的電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,電流諧波給電源帶來(lái)輸出電壓失真和負(fù)載效應(yīng)問(wèn)題越來(lái)越不容忽視,故電源出廠前要進(jìn)行非線(xiàn)性帶載能力測(cè)試以評(píng)價(jià)電源的穩(wěn)態(tài)性能[1]。傳統(tǒng)的非線(xiàn)性負(fù)載由整流橋和耗能電阻等無(wú)源器件搭建,其裝置自動(dòng)化程度低,參數(shù)不易調(diào)節(jié)。而電子負(fù)載具有體積小、阻抗不受溫度影響等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)改變電流指令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬負(fù)載性質(zhì)和大小的靈活調(diào)節(jié)[2-3]。電子負(fù)載對(duì)非線(xiàn)性負(fù)載模擬的難點(diǎn)在于非線(xiàn)性目標(biāo)電流的生成[4],而目前對(duì)這方面的研究較少。文獻(xiàn)[5]通過(guò)將周期電流函數(shù)用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi),求解出各次電流諧波的幅值和相位,能夠精確再現(xiàn)出非線(xiàn)性負(fù)載的電流波形,但該方法計(jì)算繁瑣,不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]利用CORDIC算法結(jié)合插值算法求解整流電路導(dǎo)通角和關(guān)斷角,但該方法占用大量RAM,不利于提高計(jì)算速度,目前只有相應(yīng)的仿真研究。文獻(xiàn)[7]將單相不可控整流電路輸入電流的斷續(xù)狀態(tài)等效為非線(xiàn)性系統(tǒng)中的死區(qū)效應(yīng),建立了非線(xiàn)性負(fù)載電流指令映射關(guān)系表,通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā),但該方法不能反映電源的動(dòng)態(tài)變化。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種根據(jù)被測(cè)電源電壓實(shí)時(shí)求解非線(xiàn)性負(fù)載目標(biāo)電流的數(shù)值算法,算法產(chǎn)生的目標(biāo)電流和被測(cè)電源電壓的關(guān)系滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)GB/T7260.3-2003規(guī)定的非線(xiàn)性負(fù)載的阻抗特性[8]。通過(guò)數(shù)字滯環(huán)電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載輸入電流對(duì)目標(biāo)電流的快速跟蹤,并搭建了一臺(tái)基于STM32F103控制器的1.5 kVA非線(xiàn)性電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了電子負(fù)載對(duì)基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載的可靠模擬,同時(shí)驗(yàn)證了算法的可行性。
1 基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載模型分析
國(guó)標(biāo)GB/T7260.3-2003規(guī)定的單相基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載電路如圖1所示,該非線(xiàn)性負(fù)載由一個(gè)二極管整流橋及輸出端電容、電阻并聯(lián)電路組成,其中uin為被測(cè)試電源電壓,r為串聯(lián)線(xiàn)性電阻,K1~K4為整流二極管,C為穩(wěn)壓電容,R為調(diào)節(jié)負(fù)載輸出功率的滑動(dòng)電阻,i1為負(fù)載電流,i2為二極管整流電流。國(guó)標(biāo)規(guī)定,被測(cè)試電源的測(cè)試條件滿(mǎn)足額定電壓和額定功率時(shí),電路參數(shù)的取值按下述方法計(jì)算:UC=1.22Uin,C=7.5/fR,其中Uin,S,f分別為被測(cè)試電源的額定電壓有效值、額定視在功率及工作頻率;UC為直流電容電壓平均值。
忽略二極管的導(dǎo)通壓降,對(duì)基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載進(jìn)行分析。設(shè)Q為二極管的導(dǎo)通函數(shù),當(dāng)uin≥UC時(shí),K1、K4導(dǎo)通,Q=1;當(dāng)uin≤-UC,K2、K3導(dǎo)通,Q=-1;當(dāng)|uin|<UC時(shí),K1~K4均不導(dǎo)通,Q=0。取整流電流i2和電容電壓UC作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量,當(dāng)非線(xiàn)性負(fù)載進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,可得電路的狀態(tài)方程為:
由上式可知,基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載輸入電流存在斷續(xù)狀態(tài),其對(duì)電源呈現(xiàn)的阻抗特性隨電壓瞬時(shí)值而變化。
2 單相非線(xiàn)性電子負(fù)載模型分析
單相非線(xiàn)性電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中uin為被測(cè)試電源電壓,iL為電子負(fù)載的輸入電流,Udc為直流母線(xiàn)電壓,功率MOSFET管V1~V4及續(xù)流二極管D1~D4共同組成了橋式電路的四個(gè)橋臂,L為電子負(fù)載的輸入電感,它用于儲(chǔ)能和濾波,CD為電子負(fù)載的輸出穩(wěn)壓電容,其后端連接能量轉(zhuǎn)換模塊。對(duì)于能量回饋型電子負(fù)載,該能量轉(zhuǎn)換模塊為DC/AC并網(wǎng)逆變器,一般以單位功率因數(shù)運(yùn)行向電網(wǎng)回饋電能;對(duì)于能量消耗型電子負(fù)載,能量轉(zhuǎn)換模塊為耗能電阻。
Q=0時(shí),i1(n)=0。
在目標(biāo)電流的具體生成過(guò)程中,先對(duì)被測(cè)試電源電壓uin進(jìn)行采樣,把|uin|等于1.22Uin時(shí)刻記為0時(shí)刻,此時(shí)滿(mǎn)足|uin(0)|=UC(0)=1.22Uin。在下一個(gè)采樣中斷中,根據(jù)電壓特性,將uin(1)和UC(0)代入式(4)或式(5)得到和UC(1)。同理,可得第k個(gè)采樣時(shí)刻的
當(dāng)被測(cè)電源電壓的采樣值|uin(u)|小于直流電容電壓計(jì)算值UC(n)時(shí),
當(dāng)采樣速度較高時(shí),不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精確采樣,同時(shí)也保證生成的目標(biāo)電流對(duì)被測(cè)電源電壓的實(shí)時(shí)跟蹤響應(yīng),使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。
3 非線(xiàn)性電子負(fù)載的控制
3.1 輸入電流的控制
通常電子負(fù)載對(duì)目標(biāo)電流指令采用單電流環(huán)控制,使電子負(fù)載對(duì)被測(cè)電源呈現(xiàn)出設(shè)定的iL=f(uin)負(fù)載特性。滯環(huán)電流控制以反饋電流作為控制對(duì)象,當(dāng)功率管的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí),能使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和快速性。這里選擇單極性數(shù)字滯環(huán)控制方法對(duì)電子負(fù)載的輸入電流iL進(jìn)行控制,首先對(duì)輸入電流iL采樣,將iL與非線(xiàn)性負(fù)載目標(biāo)電流做差,其差值送入放大系數(shù)為KP的比例環(huán)節(jié),得到放大后的電流誤差ΔI(n):
與模擬滯環(huán)電流控制方法相比,數(shù)字滯環(huán)電流控制具有算法簡(jiǎn)單,不需要比較器、觸發(fā)器和控制開(kāi)關(guān)等模擬器件的優(yōu)點(diǎn)。而且控制器輸出指令只在中斷期間更新,能起到限制開(kāi)關(guān)頻率的控制效果。
3.2 直流母線(xiàn)電壓的控制
電子負(fù)載正常工作的條件是直流電容電壓Udc大于輸入電壓的幅值。在圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,當(dāng)uin>0時(shí),V3,D4,D1,L,CD組成了一個(gè)Boost升壓結(jié)構(gòu);當(dāng)uin<0時(shí),V4,D3,D2,L,CD組成另一個(gè)Boost升壓結(jié)構(gòu)。若控制不當(dāng),Udc可能比交流電壓峰值高出很多,威脅到開(kāi)關(guān)管的安全運(yùn)行;若Udc低于交流電壓峰值,則不能實(shí)現(xiàn)對(duì)iL的有效控制。對(duì)于能量消耗型非線(xiàn)性電子負(fù)載,被測(cè)試電源發(fā)出的電能在電阻上轉(zhuǎn)換為熱能釋放,據(jù)此設(shè)計(jì)了直流母線(xiàn)電壓控制電路,如圖4所示。
將Udc采樣并與基準(zhǔn)電壓比較,電壓誤差經(jīng)過(guò)比例調(diào)節(jié)器KU放大后與三角波交截。當(dāng)直流電容Udc高于基準(zhǔn)電壓
時(shí),增大控制開(kāi)關(guān)T的導(dǎo)通占空比,CD對(duì)RL進(jìn)行放電,直流側(cè)等效輸出功率增加,Udc下降;當(dāng)直流電容Udc低于基準(zhǔn)電壓
時(shí),減少T的導(dǎo)通占空比,輸出端對(duì)CD進(jìn)行儲(chǔ)能,直流側(cè)等效輸出功率降低,Udc升高。輸入功率與電阻能耗功率平衡時(shí),直流電壓穩(wěn)定在參考值。
3.3 微控制器軟件設(shè)計(jì)
控制器采用STM32F103,其片上有3個(gè)12位的ADC模塊,可同時(shí)對(duì)16個(gè)模擬通道進(jìn)行采樣,最高采樣頻率可達(dá)1 MHz。對(duì)非線(xiàn)性電子負(fù)載目標(biāo)電流和直流母線(xiàn)電壓的控制主要由STM32F103的TIM模塊、ADC模塊和DMA中斷功能配合完成。目標(biāo)電流合成及輸出控制流程圖如圖5所示。
系統(tǒng)初始化完成后,設(shè)置TIM工作在100 kHz的循環(huán)計(jì)數(shù)模式,TIM計(jì)滿(mǎn)產(chǎn)生溢出中斷并使能ADC對(duì)uin、iL和Udc的單次采樣。采樣完成后,數(shù)據(jù)通過(guò)DMA模塊傳輸至內(nèi)存,產(chǎn)生DMA中斷,在DMA中斷子程序里,完成目標(biāo)電流合成、誤差計(jì)算、滯環(huán)電流控制信號(hào)生成、脈寬計(jì)算、更新比較寄存器等操作。中斷程序執(zhí)行完畢,清除DMA的中斷掛起標(biāo)志位。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所提方案的正確性,搭建了如圖6所示容量為1.5 kVA的單相交流非線(xiàn)性電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置,圖中V1~V4、T均采用400 V/10 A MOSFET功率開(kāi)關(guān)器件IRF740。為了觀察非線(xiàn)性電子負(fù)載的模擬效果,同時(shí)還搭建了基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載系統(tǒng),設(shè)置兩系統(tǒng)的電路參數(shù)如表1所示,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
圖7(a)所示為基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載的電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形,圖7(b)所示為單相非線(xiàn)性電子負(fù)載模擬基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載的電壓、電流波形,圖7(c)所示為基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載和非線(xiàn)性電子負(fù)載在并聯(lián)時(shí)的電流的對(duì)比圖,圖7(d)所示為被測(cè)交流電源電壓和非線(xiàn)性電子負(fù)載直流電容電壓的波形。由圖7(a)、(b)和(d)可知,非線(xiàn)性負(fù)載電流變化劇烈,由于系統(tǒng)存在線(xiàn)路電抗,諧波電流已經(jīng)導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生畸變,說(shuō)明非線(xiàn)性負(fù)載對(duì)電源穩(wěn)定性的要求比線(xiàn)性負(fù)載更為嚴(yán)格,同時(shí)證明了本文提出的控制系統(tǒng)的良好穩(wěn)定性。
5 結(jié)論
本文在分析基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載電壓、電流關(guān)系的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于電源穩(wěn)態(tài)測(cè)試的非線(xiàn)性電子負(fù)載。電子負(fù)載用數(shù)值算法產(chǎn)生目標(biāo)電流,通過(guò)數(shù)字電流滯環(huán)對(duì)電子負(fù)載輸入電流進(jìn)行控制,并利用脈寬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制,同時(shí)搭建了基于STM32F103控制器的非線(xiàn)性電子負(fù)載試驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)字滯環(huán)電流控制技術(shù)能夠快速跟蹤非線(xiàn)性負(fù)載目標(biāo)電流,實(shí)現(xiàn)了電子負(fù)載對(duì)基準(zhǔn)非線(xiàn)性負(fù)載的模擬,具備一定的實(shí)用前景。
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