能量自循環用電力電子負載在低壓開關測試中的應用研究*

□ 孫 斌 □ 張全成 □ 陳蘇生 □ 莊 駿

上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 200072

根據國家標準GB14048.5-2008的規定，開關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。在試驗系統中，電源和負載是最主要的測試設備，開關器件連接在電源和負載之間，由電源和負載給開關器件提供測試電流。根據開關器件的試驗要求來設置電源的電壓、頻率、負載的電流與功率因數，目的是檢測開關器件在不同的測試條件下的接通和分斷能力［1-3］。

傳統按鈕開關試驗的技術方案都是采用變壓器、調壓器等作為電源，電阻器、電抗器和電容器等設備作為負載組合實現的。隨著電力電子技術的發展，采用現代控制技術和電子負載技術實現按鈕開關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傳統的無源負載，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，根據設置的電流值和功率因數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生開關器件測試需要的電流和功率因數［4-6］。本文以開關測試為研究對象，實現了電源-開關-電子負載-電源的內部能量循環，減少整個系統的功耗，同時增加友好的人機交互界面，方便了技術人員的控制調節，達到了節能、經濟、控制方便的效果。

1 系統原理介紹

如圖1所示，市電在電源內部經整流逆變后給被試開關提供電源，電子負載對電源電壓進行采樣，根據設定的電流和功率因數，實現對流過開關的電流和功率因數的控制。能量進入電子負載后，被電子負載回饋到電源內部，實現整個系統的內循環，減少系統從電網吸收的能量，從而達到了經濟節能的目的。

2 系統組成及布局圖

▲圖1 開關試驗系統原理圖

▲圖2 系統布局圖

該系統由電源、電子負載、人機交互系統組成，電源由模擬量信號采樣板、控制電路板、IGBT驅動板、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，經過調理電路和A/D轉換器送入CPU，CPU根據測量到的電壓信號來控制電子負載的電壓輸出，實現對接，產生電流，系統要有很高的控制精度和反應速度。人機交互系統采用液晶面板顯示，用CAN總線通信與主控部分進行通信，通過人機交互系統即可設定電流和功率因數等。

3 軟件部分設計方案

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

▲圖3 主程序流程圖

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

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

軟件中除了控制算法外，還利用了CPU中的CAN總線接口外設，通過對外設寄存器的設置可實現CAN總線通信，當有數據傳輸到CPU，CPU會進入中斷程序，接收外部傳輸的數據，對數據進行解析，設置輸出電壓值、電流值或者功率因數。

4 硬件設計方案

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控，用CPLD的查表方式產生波形，實現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?？刂瓢寮軜嬋鐖D4所示。

▲圖4 控制板設計架構

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波形產生電路及死區補償部分等。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內做DDS核，經外部DAC及低通濾波后產生正弦波和三角波。兩種波形經過比較電路后產生所需要的兩兩互補的四路SPWM波形，信號輸出給IGBT驅動電路，實現控制功能。系統中采用的逆變單元的核心器件是IGBT，也是整個系統的核心器件，同時采用直流儲能電容穩定直流電壓，減少紋波。為了提高阻抗匹配能力，增加電氣濾波功能，系統增加隔離變壓器。

5 應用效果驗證

根據開關測試要求，開關需要承受6倍的沖擊電流，即測試系統具備模擬開關合閘時的電流情況，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測試系統進行開關測試，將啟動電流設定為額定電流的6倍，啟動時間的周波數設定為4，同時測試時間t任意，被試開關通斷時通過的電流波形如圖5所示，滿足開關測試相關要求。通過電表計量，電能消耗為傳統負載系統的30%，主要消耗為開關和電子負載本身的熱能損耗。

▲圖5 新型負載測試系統的測試波形圖

6 結論

本文研制的能量自循環電子負載，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，并改善了工作環境，實現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調問題，實現了直流能量回饋主、從變換器間功率自動均衡，控制簡單，系統的可靠性提高。實際使用效果表明，測試系統電流值和測試周期可以任意設定，滿足開關測試相關要求。

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