能量自循环用电力电子负载在低压开关测试中的应用研究

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根 据 国 家 标 准 GB14048.5-2008的 规 定 .开 关 器 件 都 要进 行温 升试验 、接通 和分 断能力 试 验 、短 路接 通 和分断 能力试 验与功 能试 验等 。在试验 系统 中 ，电源和 负载 是 最 主 要 的 测 试 设 备 ，开 关 器 件 连 接 在 电 源 和 负 载之 间 ，由 电 源 和 负 载 给 开 关 器 件 提 供 测 试 电 流 。根 据 开关器件 的试 验要求 来设 置 电源 的电压 、频率 、负 载 的电流 与 功 率 因 数 . 目 的是 检 测 开 关 器 件 在 不 同 的 测 试 条件 下 的 接 通 和 分 断 能 力 [1-3]。

传 统 按 钮 开 关 试 验 的 技 术 方 案 都 是 采 用 变 压 器 、调 压器 等作 为 电源 ，电阻器 、电抗器 和 电容器 等设 备作为 负 载 组 合 实 现 的 。随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ，采 用 现 代 控制 技术 和 电子 负载 技术 实现按 钮 开关 的电气 性能测试 方案 已成 为新 方 向和大 趋势 。该 方案 中 以电子 负载代替 传统 的无 源负 载 。电子负 载检测 到 电源 的 电压信 号 ，对 电压信号 的相位 角 度和振 幅进 行定位 ，根据设置 的 电 流 值 和 功 率 因数 计 算 出 电 子 负 载 的输 出 电 压 振 幅和相 位 角度 。电子负 载和 电源 的 电压 对接 即可产生开关 器件 测试需要 的电流 和功率 因数 ]。本文 以开关测 试 为 研 究 对 象 ，实 现 了 电 源 -开 关 -电 子 负 载 -电 源的 内部 能 量 循 环 ，减 少 整 个 系 统 的 功 耗 ，同 时 增 加 友 好 的 人 机 交 互 界 面 ，方 便 了技 术 人 员 的 控 制 调 节 ，达 到 了节 能 、经 济 、控 制 方 便 的 效 果 。

1 系统原理介绍如 图 1所 示 ，市 电 在 电 源 内 部 经 整 流 逆 变 后 给 被试开 关提供 电源 ，电子负载 对 电源 电压 进行 采样 ，根 据设 定 的 电 流 和 功 率 因数 ，实 现 对 流 过 开 关 的 电 流 和 功率 因数的控 制 。能 量进 入 电子 负载 后 。被 电子 负载 回馈到 电源 内部 ，实现 整个 系统 的 内循 环 ，减少 系统从 电网吸 收 的 能 量 ，从 而 达 到 了 经 济 节 能 的 目的 。

2 系统组成及布局图国家质检总局公益性项目(编号：20100K284)收稿 日期：2012年 lO月2013/3该 系 统 由 电源 、电子负 载 、人 机交 互 系 统组 成 ，电源 由模 拟 量 信 号 采 样 板 、控 制 电 路 板 、IGBT驱 动 板 、整流桥 电路 、平波 电容 、IGBT逆 变单 元 、隔离 变压器 及输出滤 波 电路 组成 。 电子 负载 的直 流母线 直接 连接 到 电源 的直流母 线上 .通过 模拟量 采样 板对 电压 信号 、电流信 号 、温 度 信 号 进 行 采 样 ，经 过 调 理 电 路 和 A/D 转 换器 送 入 CPU，CPU 根 据 测 量 到 的 电 压 信 号 来 控 制 电 子负载 的电压 输 出 ，实现 对 接 ，产 生 电流 ，系 统要 有 很 高的 控 制 精 度 和 反 应 速 度 。人 机 交 互 系 统 采 用 液 晶 面 板显示 。用 CAN总 线 通信 与 主控 部 分进 行 通 信 ，通 过 人机交 互 系统 即 可设定 电流 和功率 因数等 。

3 软件部分设计方案为 了 提 高 电 源 的输 出 电 压 质 量 ，在 电 源 控 制 系 统中 采 取 了 软 件 闭 环 控 制 算 法 和 快 速 的 硬 件 瞬 时 反 馈 控制 .主 程 序 流 程 图设 计 见 图 3。

机械制造51卷 第583期 电子负 载 因为要 实 现与 电源 输 出电压 进行 对 接控制 ，所 以 首 先 要 实 现 电 源 电压 的 定 位 ，包 括 相 位 角 度 定位 和 振 幅 定 位 。 在 本 设 计 中 ，为 了 达 到 快 速 定 位 ，采 用了硬件 电压 过 零点 检测 ，当检 tin.4信 号 发送 至 CPU，CPU根 据 电压 信 号 的过 零 点 对 电压 全 相 位 角 度进 行 估 计 。

通 过 A/D转 换器 送 过 来 的瞬 时 电压 值 信 号 ，恢 复 出 电源 的输 出 电压 信号 。

直 接数 字合 成波 形技 术 指从 相位 量化 概念 出发 直接 合成 所需 波 形 。预先 在存 储器 内部 存储 - 个正 弦 波表 格 ，表格 的地 址 为正 弦波 的Nice。其 关 系 可用 yf(x)表 示 ，其 中 为 相 位 ，Y为 幅 值 ，每 个 相 位 对 应 不 同 幅值 ，得 到相 位信 息 即可得 到 表格 中量 化 的正 弦波 ，根 据振 幅信 号 ，乘 以-个 系 数 即可得 到需 要 的正 弦波 数字量 ，经 过 D/A 转 化 后 转 化 为 正 弦 波 模 拟 量 。

软 件 中 除 了 控 制 算 法 外 ，还 利 用 了 CPU 中 的 CAN总 线接 口外设 。通过 对 外 设 寄存 器 的设 置 可 实现 CAN总 线 通信 ，当有 数据 传输 到 CPU。CPU会 进 人 中断 程序 ，接 收 外 部传 输 的数据 ，对 数据 进 行 解 析 ，设 置输 出电压值 、电流值 或者 功 率 因数 。

4 硬件设计方案控 制 电 路 采 用 ARMCPLD 的 组 合 控 制 方 案 ，利 用ARM 对 ADC采 样 过来 的 电压 电流 信 号 进 行 监 控 ，用CPLD 的 查 表 方 式 产 生 波 形 ， 实 现 逻 辑 控 制 和 相 位 快速 同 步 跟 踪 及 逆 变 控 制 和 各 种 保 护 电 路 控 制 。 控 制 板 架 构如 图 4所 示 。

机械制造51卷 第583期硬件 部分 主要 包括 信号 采集 电路 、信号 处理 电路 、逻辑 部 分 电路 、SPWM 波 形 产生 电路 及死 区补 偿 部 分等 。CPU通 过 采 集 的信 号 计 算 出 电 压 电 流 相 位 等 信息 ，通 过 高 速 SPI总 线 传 递 到 CPLD，CPLD 内 做 DDS核 .经外 部 DAC及 低通 滤波 后产 生正 弦 波和 三角 波 。

两 种 波 形 经 过 比较 电路 后 产 生 所 需 要 的 两 两 互 补 的 四路 SPWM 波 形 ，信号 输 出给 IGBT驱动 电路 ，实 现控 制功 能 。 系 统 中 采 用 的 逆 变 单 元 的 核 心 器 件 是 IGBT。也是 整 个 系 统 的 核 心 器 件 . 同 时 采 用 直 流 储 能 电 容 稳 定直 流 电 压 ，减 少 纹 波 。 为 了提 高 阻 抗 匹 配 能 力 ，增 加 电气 滤 波 功 能 ，系 统 增 加 隔 离 变 压 器 。

5 应用效果验证根据 开关 测试 要求 ，开 关需 要承 受 6倍 的冲 击 电流 .即 测 试 系 统 具 备 模 拟 开 关 合 闸 时 的 电 流 情 况 .且 时间 为 4～6个 周 波 ，合 闸 后 通 过 的 是 额 定 电 流 。采 用 研制 的新 能开 关测试 系 统进行 开 关测试 ，将 启 动 电流设定 为额 定 电流 的 6倍 。启动 时 间 的周 波数 设 定为 4，同时 On.0试 时 间 t任 意 ，被 试 开 关 通 断 时 通 过 的 电 流 波 形如 图 5所 示 。 满 足开 关 测 试 相 关 要求 。通 过 电表计 量 ，电能 消 耗 为 传 统 负载 系 统 的 30% .主要 消 耗 为 开 关 和 电子 负 载 本 身 的 热 能损 耗 。

6 结论本 文 研 制 的 能 量 自循 环 电 子 负 载 ，解 决 了 电 阻/电感 型假 负载 对供 配 电容量 的苛 刻要求 ，以及进 行 实验时 能源 浪费 的 问题 ，并 改善 了工 作环境 ，实现 可程控 的自动化检 测 ♀决 了能馈 型 电子负载 二级 变换 器 间 的控 制 协 调 问 题 .实 现 了 直 流 能 量 回馈 主 、从 变 换 器 间 功率 自动 均衡 ，控 制简单 ，系统 的可靠性 提 高 。实际 使用效 果表 明 ，测 试 系统 电流值 和测 试周 期可 以任 意设 定 。