单相馈能式电子负载电路原理分析

摘要：馈能式电子负载主要通过电力电子器件来控制电压或电流的，从而得到了对任意负载的模拟。待测试验电源在电源测试过程中释放的电能，最终以单位功率因数返回于电网中，从而实现能源的再生利用。本文介绍了单相馈能式电子负载的电路结构，并对其两级PWM整流器的运行原理进行了重点分析。

关键词：馈能式电子负载;功率因数;PWM整流器

中图分类号：TM714

Principle Analysis for Singlephase Energy Feedback Electronic Load

Sun Qingxiu

Shaanxi Railway InstituteShanxiWeinan714000

Abstract：The energy feedback electronic load can be controlled by the voltage or current through power electronic device，so that the simulation of any load is obtained.The electrical energy of the measured power supply is finally fed back to the power grid with a unit power factor，thereby realizing energy regeneration.This paper introduces the structure of a singlephase energy feedback electronic load，and analyzes the operating principle of its twostage PWM rectifier.

Key words：Energy feedback electronic load;power factor;PWM rectifier

为了避免在使用传统电阻、电容、电感及其组合的负载时难以修改参数、精度差以及能源浪费等问题[1，2]，馈能式电子负载应运而生。馈能式电子负载不仅可以模拟任意特性的线性或非线性负载，而且可以实现被测电源的输出能量的回收和再利用[3]，既节约了能源，又不产生大量的热量，保护了环境节约了散热成本。

1 主电路拓扑

单相馈能式电子负载的主电路原理结构如图1所示。采用AC/DC/AC背靠背两级变换结构[4，5]。因为两级通过中间的直流母线电容连接，所以前后两级变换器可以分别独立控制，并且可工作在不同的频率。第一级为负载模拟侧，第二级为并网逆变侧。

图中，us表示待测的试验电源两端电压，ug表示并网逆变侧的并网电压，is表示第一级电路中电流，ig表示为并网电流，Ls、Lg分别为交流输入和输出端的滤波电感，Cd为直流侧两级共用的母线电容。Vi（i=1、2、3…7、8）为PWM变换器开关管。

2 运行原理

2.1 负载模拟侧运行原理

单相馈能式电子负载中，任意特性负载的模拟主要通过图1中的第一级完成。根据被测电源的试验需要，可以确定所需要模拟的负载类型及其相应的参数，该负载可以是线性负载也可以是非线性负载。因此待测的试验电源两端电压us和负载模拟侧的输出电流is，他们二者之间的函数关系可表示为：

f（us，is）=0（1）

当待测的试验电源确定后，待测的试验电源两端电压（us）或电流（is）随之被确定。根据式（1）从而可以确定指令电流（is*）或指令电压（us*）。通过对电力电子器件V1～V4的控制，使得电路中的实际电流（is）或实际电压（us）完全追踪指令电流（is*）或指令电压（us*），达到模拟任意负载特性的功能。由于电路中的高次谐波只会使电流产生很小波动，且电路中寄生电阻较小，因此可以忽略[6]。第一级电路的等效图如图2（a），各電路参数之间的相量关系图如图2（b）。

图中，U·s表示待测试验电源电压相量，I·s表示第一级电路中交流电流相量，U·Ls表示滤波电感两端的电压相量，U·AB表示交流输入端电压相量。由图2（b）可知，满足关系式U·s=U·AB+U·Ls。假如使交流输入端的电流幅值I·s为固定的某一值，根据U·Ls=ωLsI·s，交流输入端滤波电感两端的电压幅值也恒定不变。因此，以U·s终点为圆心，以U·Ls幅值大小为半径的圆就是交流侧调制电压相量U·AB的各终点集合。

通过控制交流输入端UAB的幅值大小和相位角，U·s就可超前或滞后I·s任意相位角，控制能量的流向和任意功率因数角。因此，通过控制交流电流或者交流电压的幅值和相位，使实际电流矢量或实际电压矢量四象限运行，从而达到模拟任意负载的目的。几种典型负载的矢量关系图如图3所示，其中分别为：

2.2 并网逆变侧运行原理

并网逆变侧将电能返回电网，实现能源再生利用，电路需工作于单位功率因数的状态[6]。此时，第二级电路的等效电路图为图4（a），电路各参数对应的相量关系如图4（b）所示。

图中，U·EF为并网逆变侧交流调制电压相量，U·Lg为第二级电路中滤波电感两端电压相量，I·g并网电流相量。同样只考虑电路中基波分量，此时PWM逆变器的工作状态满足U·EF=U·Lg+U·g。采用控制交流侧调制电压U·EF，使并网电流I·g与并网电网U·g相位相差180°，实现功率因数为1，最终将能量由直流侧流向交流测，达到能源再生利用。

3 结语

本文主要介绍了常用的单相馈能式电子负载，其工作电路采用AC/DC/AC，中间共用母线电容的拓扑结构，重点对其负载模拟侧和并网逆变侧的运行原理分别进行了分析。在负载特性的模拟和能量回馈的基础上，馈能式电子负载完全可实现对谐波的补偿，达到单位功率因数并网。

参考文献：

[1]贾月朋，任稷林，祁承超.能量回馈型单相交流电子负载的研究[J].电力电子技术，2011，6（45）：9193.

[2]李卫华，谢珩.关于电子模拟负载研究现状的探讨[J].新余高专学报，2005，2（10）：4749.

[3]张厚升，李素玲，赵艳雷.能馈型双PWM变换器交流电子负载研究[J].电力系统保护与控制，2011（11）：129132.

[4]王洪希，鲁长贺，田伟.基于双PWM变换器的能馈型交流电子负载研究[J].现代电子技术，2018（02）.

[5]李芬，邹旭东，王成智，等.基于双PWM变换器的交流电子负载研究[J].高电压技术，2008，5（34）：930934.

[6]李照，师延飞.单相能馈型交流电子负载的研究[J].通信电源技术，2017（01）.

作者简介：孙青秀（1989—），女，硕士，助教，研究方向：铁道通信信号。