大功率交流电子负载设计。-综合电源技术-世纪电源网社区

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2017-8-4 15:23:03

从二十世纪九十年代起到今天，电力电子负载在国内外已被广泛地研究。通常按照被测电源的不同，可以将其划分为直流电力电子负载和交流电力电子负载两种。继上世纪90年代，一种UPS老化试验装置被学者提出后，越来越多的学者提出并进一步改进了基于电力电子变换器的各种电负载模拟装置。最初的方案由S. C. Gupta等人于1990年提出，拓扑结构图如下图1.1所示。它相当于在UPS和电网间串入一个可控注入源，通过注入源来改变可控电抗器XP上电压的幅值和相位，从而对电源设备与电网间的有功和无功进行调控，其中注入源可以是变压器或者可控逆变电压源。这种控制方案类似于电压源并入电网，控制方案不够直观，控制策略复杂，调节精度不高，且被测电源输出电压的频率相位应与电网相同。

图1.1 UPS老化试验设备拓扑结构图

针对采用全控半导体器件的电力电子负载装置，其模拟负载特性功能的实现，主要取决于对前级电压型PWM整流器的控制策略。主要为对电流指令的生成和电流指令的跟踪两方面的研究。

本次设计指标如下：

输入电压	有效值	220VAC±10%
输入电压	频率	50Hz±1%
输入电流	最大峰值电流	瞬时值不大于300A
输入电流	功率因数	0.7(滞后)~0.95(超前) 连续可调
额定容量	单相额定容量	10kVA
额定容量	三相额定容量	30kVA
其他功能	1. 单相、三相电力电子负载 2. 能根据实际要求设置负载电路波形 3. 具有通讯功能

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		2 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-4 15:24:57
		本次设计采用全桥拓扑，能耗型。回复 \| 举报 \|

			14 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：94017 \| 主题：115 \| 帖子：27448 访问空间发消息积分:94017 版主 2017-8-6 15:16:07 倒数10
			能耗型就是个APFC电源，还是馈入电网才有意义。回复 \| 举报 \|

				16 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-6 15:33:46 倒数8
				您说的是。其实这个的话，他更多的是PWM整流器，电流指令能够快速的跟随电压的变化，从而实现很好的负载模拟。因为使用场合的电网条件限制，所以最终是用的电阻耗能。回复 \| 举报 \|

		3 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-4 15:29:38
		TIM图片20170804152538.png (202.4 KB, 下载次数: 28) 下载附件 2017-8-4 15:29 上传暂时上一张图前来镇楼。回复 \| 举报 \|

		4 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-4 15:36:17
		能耗型交流电力电子负载的基本结构框图如下图所示。 TIM图片20170804151621.png (16.08 KB, 下载次数: 22) 下载附件 2017-8-4 15:32 上传前级的负载模拟变换器，可根据不同的被测电源的电源试验要求模拟不同类型的负载特性，如对于不间断电源和工频逆变电源，需要对纯阻性、阻感性、阻容性、非线性等负载类型进行模拟；对于交流调速系统，则常需要对电机的机械特性和电磁特性进行模拟；对于动态负载，则需要能快速的跟踪所需模拟的电流负载特性。总而言之，负载模拟变换器需要能快速、精确地模拟所需负载电特性，其控制系统应具有良好的动、稳态性能。后级的电路中接有电阻，被测电源发出的有功功率最后会被电阻消耗掉，故称其为能耗电路。前级的负载模拟变换器常由全桥VSR来实现，通过控制输入侧电流的幅值和相位，使VSR工作在整流状态，即可保证其能对单位功率因数、超前功率因数和滞后功率因数的各种负载特性进行有效精确地模拟。为能有效地对PWM整流器交流侧电流进行控制，直流母线电压需大于交流侧输入电压的峰值，故需对直流母线电压进行控制，防止其过高或过低。本课题所设计的单相能耗型电力电子负载拓扑图如下图所示。后级能耗电路由一个单管的IGBT和耗能电阻组成。它能根据母线电压的实时检测信号，通过控制IGBT管的开通关断，来控制能耗电阻的接入和断开，从而维持母线电压工作在正常范围内，确保整个负载模拟系统的正常运行。 TIM图片20170804151621.png (23.3 KB, 下载次数: 23) 下载附件 2017-8-4 15:33 上传将单相能耗型电力电子负载PWM整流桥交流侧电感、PWM整流桥、直流母线电容及后级能耗电路当做一个整体，定义为单相电力电子负载模块，通过对单相电力电子负载模块进行组合，可使得电力电子负载的结构更为灵活，适用范围更广，系统扩容较为方便，具体优势体现在以下几个方面： 1) 当需要模拟大功率的单相负载时，可以采用多个单相电力电子模块并联实现单相的扩容，系统接线图如图所示。由于电力电子半导体开关器件耐压耐流能力有限，使得单台电力电子负载的功率不能做得很大，而出于经济角度考虑，选择大容量开关器件是不划算的。所以，可以采用多台小功率单相电力电子负载模块并联来扩充容量，具有较高的经济性和实用性。 TIM图片20170804151621.png (32.32 KB, 下载次数: 26) 下载附件 2017-8-4 15:34 上传 2) 当需要模拟三相负载特性时，可以将三个单相电力电子负载模块通过三相四线制的接线方式组合成一个三相等效电力电子负载，系统接线图如下图所示。其接线方式简单，且各模块也均可独立运行和调控。并且也可以将多台三相负载并联实现对大功率的三相负载特性的模拟。 TIM图片20170804151621.png (21.68 KB, 下载次数: 27) 下载附件 2017-8-4 15:35 上传故本次设计的能测试单相和三相电力电子负载装置是基于上述所讲单相电力电子模块所构成的装置，所以接下来都针对单相电力电子模块的工作原理进行分析。回复 \| 举报 \|

			5 liaozhaocheng liaozhaocheng 离线 LV7 版主积分：7594 \| 主题：51 \| 帖子：1370 访问空间发消息积分:7594 版主 2017-8-5 09:19:19
			真复杂，顶楼学习。回复 \| 举报 \|

				8 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-5 10:11:51
				一起探讨回复 \| 举报 \|

		6 qadgg qadgg 离线 LV6 高级工程师积分：472 \| 主题：1 \| 帖子：78 访问空间发消息积分:472 LV6 高级工程师 2017-8-5 10:10:25
		这个东西用处还是比较大的，我来学习学习。回复 \| 举报 \|

			9 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-5 10:12:23
			欢迎一起探讨回复 \| 举报 \|

		7 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-5 10:11:14
		现如今研究的PWM整流器已经不再是传统意义上的AC/DC变换器。它能工作在整流状态，从电网中吸收电能；也能工作在有源逆变状态，向电网中输送电能。所以，PWM整流器实际上是一个交流侧和直流侧可控的四象限运行的变流装置。首先阐述单相电压型PWM整流器的基本工作原理，其拓扑结构图如下图所示。 TIM图片20170805101051.png (20.53 KB, 下载次数: 30) 下载附件 2017-8-5 10:11 上传回复 \| 举报 \|

			10 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-5 10:14:19
			可得交流电动势、交流侧电流和交流侧电压之间的矢量关系式 TIM图片20170805101051.png (1.24 KB, 下载次数: 26) 下载附件 2017-8-5 10:14 上传回复 \| 举报 \|

			11 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-5 10:17:09
			若假设电感电流矢量绝对值不变，则也固定不变，PWM整流器交流侧电压矢量的端点运动轨迹是一个以为半径的圆。圆轨迹上A、B、C、D四点分别代表了PWM整流器的四个特殊工作状态，如下图所示。 TIM图片20170805101654.png (48.18 KB, 下载次数: 26) 下载附件 2017-8-5 10:17 上传回复 \| 举报 \|

				12 yong yong 离线 LV1 本网技工积分：93 \| 主题：0 \| 帖子：1 访问空间发消息积分:93 LV1 本网技工 2017-8-5 13:59:20
				PWM的控制方法只能是单极性倍频吗，软件能实现单极性倍频spwm输出？回复 \| 举报 \|

					13 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-5 14:27:55
					可以的，软件既可以实现单极性倍频，也可以实现双极性。你用的是什么控制器回复 \| 举报 \|

						18 gxg1122 gxg1122 离线 LV8 副总工程师积分：9036 \| 主题：41 \| 帖子：1255 访问空间发消息积分:9036 LV8 副总工程师 2017-8-7 14:09:01 倒数6
						极性控制软件实现？还是硬件实现的？回复 \| 举报 \|

							19 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-7 14:39:38 倒数5
							软件，采用DSP28335 回复 \| 举报 \|

							20 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-7 14:40:51 倒数4
							软件用来实现各种算法比较方便。而且后期生产一致性好。回复 \| 举报 \|

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2017-8-6 15:30:39
倒数9

再作具体分析，可知PWM整流器四象限运行特性如下表所示。

PWM整流器四象限运行特征

电压矢量V端点运动轨迹	工作模式	PWM整流器工作状态
圆轨迹	整流状态	从电网吸收有功及感性无功功率
圆轨迹	整流状态	从电网吸收有功及容性无功功率
圆轨迹	有源逆变状态	向电网传输有功及容性无功功率
圆轨迹	有源逆变状态	向电网传输有功及感性无功功率

由上可见，对交流侧电流进行控制是实现PWM整流器四象限运行的关键。电流矢量与交流电动势相位的不同，使得PWM整流器交流侧端呈现不同的阻抗特性。

		17 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-7 11:00:17 倒数7
		前文已指出，实现全桥VSR四象限运行的关键在于控制交流侧电流，可以通过对VSR交流侧电流的幅值、相位进行控制来实现。对于PWM整流器，常用的调制策略是正弦脉冲宽度调制(SPWM)，它是利用面积冲量等效原理定律，在PWM调制的基础上改变了脉冲调制方式，让脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，获得谐波含量很小的正弦电压输出。正弦脉宽调制波中的谐波分量主要分布在载波频率及其整数倍附近。由于在目前常使用的电力电子装置中，由于三角波的工作频率远大于基波频率，故采用SPWM调制的输出波形中，基本不含低次谐波。SPWM的控制策略分双极性SPWM调制和单极性SPWM调制两种。这两种SPWM调制，都可以采用正弦调制波和三角载波进行比较得到调制脉冲信号，且VSR中同一桥臂的上、下两个开关管的驱动信号总是互补的(忽略死区)，只是两个桥臂间的调制规律不同。现对应所示单相全桥PWM整流电路，来说明两种控制规律，调制模式波形如下图所示。 TIM图片20170807105947.png (60.15 KB, 下载次数: 26) 下载附件 2017-8-7 11:00 上传回复 \| 举报 \|

			21 心旷神怡心旷神怡离线 LV6 高级工程师积分：936 \| 主题：2 \| 帖子：132 访问空间发消息积分:936 LV6 高级工程师 2017-8-8 11:11:31 倒数3
			MARK下回复 \| 举报 \|

				22 ls892720757 ls892720757 离线 LV6 高级工程师积分：634 \| 主题：7 \| 帖子：111 访问空间发消息积分:634 LV6 高级工程师 2017-8-8 13:49:28 倒数2
				哈哈，感觉大家对这个兴趣不大回复 \| 举报 \|

					23 gxg1122 gxg1122 离线 LV8 副总工程师积分：9036 \| 主题：41 \| 帖子：1255 访问空间发消息积分:9036 LV8 副总工程师最新回复 2017-8-15 11:33:51 倒数1
					有兴趣啊，楼主继续更新。大功率的交流输出相位因素很重要回复 \| 举报 \|