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*

□ 孙 斌 □ 张全成 □ 陈苏生 □ 庄 骏

上海市质量监督检验技术研究院 上海 200072

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［4-6］。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

▲图1 开关试验系统原理图

▲图2 系统布局图

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。

▲图3 主程序流程图

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，当检测信号发送至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一个正弦波表格，表格的地址为正弦波的相位，其关系可用y=f（x）表示，其中x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，乘以一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会进入中断程序，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ARM+CPLD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。

▲图4 控制板设计架构

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，同时测试时间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。

▲图5 新型负载测试系统的测试波形图

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。解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，满足开关测试相关要求。

［1］ 刘杰.直流电子负载在直流电源校准中的应用［J］.计量与测试技术，2010（10）.

［2］ 梅樱，刘志刚，张钢.基于CAN总线的电子负载监控系统的设计实现［J］.电气应用， 2007（8）.

［3］ 赵屹，臧小杰，檀柏红.电能回馈型航空发电机测试用电子负载的研制［J］.中国民航大学学报,2008（5）.

［4］ 王子剑，孔峰.基于DSP的数字电子负载控制器设计［J］.计算机技术与发展，2010（2）.

［5］ 冯宝成，苏建徽，刘文涛.基于可变电子负载的光伏阵列特性测试技术［J］.电力电子技术， 2011（9）.

［6］ 龙厚涛，侯振义，孙刚.一种非线性电子负载基准电流的产生方法［J］.空军工程大学学报（自然科学版）， 2011（6）.