基于交流固态负载的低压电器电寿命试验系统设计

杜太行，刘旭林，孙曙光，郝立林，纪学玲，王佳兴

(河北工业大学人工智能与数据科学学院，天津 300130)

0 引言

在低压配电系统中，低压电器能否正常运行直接影响系统能否能正常供电配电，低压电器电寿命试验是保证低压电器产品质量的重要手段。低压电器电寿命试验系统主要分为测控单元以及模拟负载，测控单元采用工控机、采集卡、信号采集模块等，实现试验信号的采集与输出、数据计算处理等功能；模拟负载通常采用电阻器、电感器的组合来实现阻性、阻感性的试验负载。但模拟负载存在以下方面的问题：模拟负载为了满足多规格试品试验要求，增强设备通用性，需要设计成多段电阻、电感串并联来满足调节要求，即使采用优化设计，避免不了体积大，造价高的缺点，同时这种方式电流调节有级性不能避免的，存在调节误差；能耗大，由于采用能耗型元件进行试验，大量的电能以热能的方式浪费掉，还可能导致试验场所温度过高，需要外加降温设备如空调、风扇等，又增加了功率损耗[1-4]。目前,电力电子技术在电力系统的应用广泛，在低压电器领域，利用晶闸管作为主回路的固态接触器、继电器、断路器[5]等产品已得到广泛应用；同时,在电源设备检测等方面得到进一步应用，如为检测电源质量，设计了电力电子负载，通过控制功率MOSFET或晶体管的导通量，精确调整负载电流，模拟感性、阻性负载[6-7]。

本文设计了一种基于交流固态负载的低压电器电寿命试验系统。测控单元实现控制系统运行,数据采集、存储、处理等功能。交流固态负载代替了模拟负载，利用电流发生单元控制电压、电流及功率因数，满足不同规格试品的电寿命试验要求；能量回馈单元将电寿命试验过程中未损耗的能量通过逆变器回馈至电网，实现能量回馈，达到节能目的。本文对系统的整体结构进行设计，并对各部分软硬件设计进行分析，最后进行系统仿真及试验测试。

1 低压电器电寿命试验系统结构

1.1 常规电寿命试验装置

常规电寿命装置分为测控单元和模拟负载，测控单元利用计算机、采集卡、电压电流采集电路以及控制电路等，实现对试验参数设置、信号的采集与输出、数据计算处理等。模拟负载采用可调电阻、电感，不同试品的试验要求不同，负载设计也不同，以继电器为例[8-9]，继电器电寿命试验装置如图1所示。该负载设计采用多段可调电阻、电感串并联，以满足调节要求，存在如前所述的问题。

图1 继电器电寿命试验装置

参考继电器使用类别AC-12、AC-14、AC-15，继电器电寿命负载主要包括：阻性负载、阻感性负载以及变负载模拟。如图1中负载，通过调节可调电阻以及电感，对试验电流以及功率因数进行调节，实现阻感性模拟负载试验；通过开关K1、K2切换不同的负载，实现变负载模拟，如冲击电流模拟试验，其控制时序如图2所示。

图2 控制时序图

1.2 基于交流固态负载的电寿命系统结构

针对常规电寿命试验装置的不足，设计了基于交流固态负载的低压电器电寿命试验系统，该系统包括测控单元和交流固态负载两部分。测控单元利用工控机操控PCI-1712高速多功能数据采集卡的数字输出功能，驱动由固态继电器组成的控制电路，从而实现对试品导通、关断的控制；选用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器进行电压、电流的信号检测，通过信号调理模块将信号传输到数据采集卡，对试品触点电压电流、交流固态负载能耗等实时监控。交流固态负载包括电流发生单元和能量回馈单元，在试验时，工控机通过通信端口将试验参数传输给电流发生单元，电流发生单元根据试验参数控制试验电压、电流及功率因数；能量回馈单元实现能量回馈。系统的整体结构框图如图3所示。

图3 系统的整体结构框图

2 交流固态负载设计

本系统以PWM VSR为主体实现固态负载的电流发生单元，能量回馈单元采用逆变电路，中间环节采用直流母线电容，保持直流母线电压稳定，起到两级解耦作用，使前后级分开控制[10]，如图4所示。

图4 交流固态负载结构图

试验电流发生单元即单相可控整流电路，将其等效为一个电压源uab，试验电源电压为u。在试验时，根据不同试验要求，设置试验电流给定，根据试验电流给定与实际电流i反馈，利用PWM技术，控制单相可控整流电路交流侧uab，即可达到控制电流i的目的，实现负载模拟。实际中电流发生单元可根据不同试验要求，设置电流给定，利用PWM技术产生任意形状的试验电流，增强设备通用性与灵活性；结合电力电子器件的良好开关特性以及先进的控制方法，可以克服模拟负载试验电流有级调节的缺点；同时当前电力电子功率器件具有很高的集成度，性价比高，克服了传统负载体积大、造价高的缺点。

能量回馈以单相电压型逆变电路为主体，将试验中未损耗的能量回馈至电流发生单元输入端，达到节能目的。

2.1 交流固态负载电路设计

2.1.1 电流发生单元设计

交流固态负载整体电路如图5所示，图中电流发生单元主体为单相可控整流电路，通过单相调压器调节试验电压，满足试验电压要求；通过单相可控整流电路控制试品电流大小以及功率因数，满足不同规格试品的电寿命试验要求，除进行必要的电压电流测量外，还包括：

图5 交流固态负载整体电路

2.1.1.1 交流侧电感

针对不同规格试品，在试验过程中试验电流变化较大，为更好地控制电流和抑制电流纹波，在单相整流电路的交流侧串接L1与L2，通过控制固态继电器SSR分断或导通，以选取不同的电感值，从而有效的控制试验电流。

2.1.1.2 预充电电路

在启动电流发生单元前，控制交流接触器KM2断开，之后闭合KM1，通过不控整流电路对直流母线电容C进行充电，缓冲电阻R3保护直流母线电容C，减小直流母线电容C在充电过程中的冲击，在直流母线电容C充电完成后，闭合KM2。

2.1.1.3 保护电路

为保护器件以及有效控制试验电流，直流母线电压应保持在一定范围内，设计了由IGBT Q1和功率电阻R4组成的放电电路。通过控制Q1的导通、关断，实现对直流母线电容的充放电，从而保证直流母线电压始终保持在设定区域内。

2.1.1.4 锁相模块

通过锁相模块检测试验电压过零点，对试验电压相位进行监测。

2.1.1.5 试品触点电压测量

在电寿命试验过程中，测控单元通过对试品触点吸合与分断电压测量，判断试品是否失效；同时电流发生单元通过对试品触点端电压测量，进而判断试品状态，因此对试品触点端电压的有效测量很重要。

以R2、调压器、试品触点形成回路，不论单相可控整流电路工作与否，均可实现试品触点电压的有效测量；同时在试品分断时，R1释放调压器二次侧电感电能，R2释放L1、L2电能，有效抑制试品触点分断瞬间电压冲击。

2.1.2 能量回馈单元设计

能量回馈单元直流侧输入端为电流发生单元的直流输出端，交流侧输出端为电流发生单元输入端。如图5中能量回馈单元所示。

2.2 交流固态负载控制方案

交流固态负载上电时，首先进行预充电，预充电完成后，启动电流发生单元以及能量回馈单元。

针对电流发生单元，控制器通过锁相模块检测到试验电压的过零点，使得电流参考值与试验电压的相位差为试验设置的功率因数角。

控制器采集试品触点端电压、电流，实时计算试品触点的等效电阻R，触点正常闭合时R为一极小值，触点正常分断时R为一极大值，据此值大小可实时判断触点的闭合与分断状态。控制器根据试验参数及试品触点状态，确定试验电流参考值，利用PWM技术控制单相可控整流电路的交流侧电压值，使得在试品触点正常闭合时流经试品触点的电流幅值以及功率因数为设定值，在试品触点正常分断时，流经试品触点的电流接近于0。从而实现试验电流幅值可依据参考值的幅值大小动态连续调节以及功率因数调节。电流发生单元控制流程图如图6所示。

能量回馈单元将电流发生单元输入电流is作为给定值，利用PWM技术，控制单相逆变电路输出电流if与电流发生单元输入端电流is相位一致，将试验中未损耗的能量回馈到电流发生单元输入端，实现能量循环利用，降低电寿命试验中用电损耗。能量回馈单元控制流程序如图7所示。

图6 电流发生单元控制流程图

图7 能量回馈单元控制流程图

3 测控单元软件设计

本系统测控单元软件设计使用LabVIEW平台，实现控制系统运行、试验参数设置、信号的采集与输出、数据处理等功能。试验开始前，对试验参数进行设置，并通过串口将试验参数发送给电流发生单元；开始试验后，控制试品动作，启动AD对电压电流信号采集；并将采集的数据进行存储及处理；当判断试品失效或者停止试验时，结束试验。测控单元控制流程图如图8所示。测控单元软件主要包括试验参数设置及串口发送，信号输出、采集及数据存储等模块。

图8 测控单元控制流程图

3.1 试验参数设置及串口发送

系统的试验参数主要包括试验次数、试验频率、通断占空比、试验电压、试验电流、功率因数等。通过串口通信方式将试验参数发送到电流发生单元。串口通信中，采用数据帧的通信协议格式：帧头、参数码、数据、CRC校验，电流发生单元通过参数码识别不同的试验参数，根据试验参数进行控制。试验参数设置及串口发送程序如图9所示。

图9 试验参数设置及串口发送程序

3.2 信号输出、采集及数据存储

系统采用研华PCI-1712高速多功能数据采集卡，通过采集卡IO端口控制试品通断；利用AD采集端口对电压、电流信号实时采集，采集卡提供有多个基于LabVIEW的驱动模块和库函数，解决了LabVIEW与采集卡之间的交互问题。数据采集模块程序编写采用DMA(direct memory access)模式，DMA方式采集数据可准确的采集各个传感器输出的信号，同时提高采样速率和CPU的利用率。

在试验过程中，需要对采集到试品电压、电流等信号进行实时存储，以便于后期对试品的性能进行分析。LabVIEW中提供了多种存储方式，本系统采用TDMS存储方式。TDMS 文件是一种二进制记录文件，其文件结构符合一定的存储规律。TDMS 的逻辑结构分为3层，文件、通道组和通道，每1个层次上都可以附加特定的属性，TDM文件的存储速度很快，非常适合用来存储海量数据，可在实时系统中广泛应用。数据存储程序如图10所示。

图10 数据存储程序

4 系统仿真与试验测试

本文搭建了仿真系统，进行大功率试验，对试验方案进行了验证；同时由于试验条件限制，利用设计的试验系统进行了小功率试验测试。

4.1 系统仿真测试

本文利用Matlab软件搭建了系统仿真模型，仿真模型如图11所示。该仿真采用开关元件模拟试品。利用脉冲发生器控制试品的导通关断，利用电压电流采集模块、示波器实现信号的测量显示，以此代替测控单元。本仿真设置试品的开关频率为1 800次/h，通断占空比50%，试验电压有效值为220 V，试验电流：冲击电流有效值为125 A、冲击电流时间200 ms，额定电流有效值为25 A、额定电流时间为800 ms，功率因数角为60°，直流母线电压为400～410 V。

图11 交流固态负载仿真模型

仿真试验波形如图12所示。试品控制时序以及试验电压、电流参考波形如图12(a)、(b)所示。t0到t3为一个通断周期2 s，通断占空比为50%：

t0=0 s时刻：试品导通，电流为冲击电流125 A；

t1=0.2 s时刻：电流由冲击电流变为额定电流25 A；

t2=1 s时刻：试品关断，电流变为0 A；

t3=2 s时刻：试品导通，进入下一个通断周期。

图12 仿真试验波形

如图12(c)所示。仿真中含有冲击电流，根据试验电流不同，实时改变交流侧电感值，从而有效的控制试验电流。

试品触点端电压波形如图12(d)所示，试品处于分断状态，试品触点电压为试验电压，试品处于导通状态，试品触点电压接近于零。

通过对试品触点电压电流的有效测量，可实时计算试品触点的等效电阻R，判断试品触点的闭合与分断状态，控制试验电流大小以及功率因数。电流发生单元所产生的实际电流如图12(e)所示，试品导通时冲击电流有效值为125 A，冲击时间200 ms，额定电流有效值25 A，额定时间800 ms，图中放大部分为2.2 s处的电压电流波形，试验电流与电压的功率因数角为60°。可见电流发生单元实现了预设的试验电流产生功能，具有很高的精度。

如图12所示，(f)为电流发生单元输入电流，(g)为回馈电流，放大部分为2.2 s处电流波形。如图13所示，对电源输出端的有功功率进行测量。由图13可知，能量回馈单元的节能效果明显。

(a)无能量回馈的有功功率

(b)有能量回馈的有功功率图13 电源输出的有功功率

4.2 试验系统测试

根据设计方案搭建试验系统，进行试验系统测试。图5中，交流固态负载的开关器件为IGBT模块FF150R12ME3G模块及其对应的驱动模块2SP0115T2B0-12，控制器采用TMS320F28335芯片。R1、R2为1 000 Ω，R3为20 Ω，R4为10 Ω，L1为50 mH，L2、L2、L3为5 mH，直流母线电容C为4 700 uF。

选取交流继电器试品，进行感性负载试验。进行实际试验测试，通过LabVIEW平台设置试验频率1 800次/h，通断占空比50%，试验电压为220 V，试验电流为额定电流10 A，功率因数角为45°。试验过程中，测控系统软件界面如图14所示，试验电压、电流及功率因数与设置相符，且节能效果明显。

图14 系统界面

5 结束语

本文设计了基于交流固态负载的低压电器电寿命试验系统，通过分析常规电寿命试验的不足及试验要求，给出了系统整体设计方案，并进行了交流固态负载以及测控单元的软硬件设计。交流固态负载代替了常规电寿命试验中的模拟负载，交流固态负载的电流发生单元对试品触点端电压有效检测，实时判断试品触点动作状态，以控制在动作过程中流经试品触点的电流，实现了试验电压、电流以及功率因数的调节，可以产生任意形状的试验电流，更加契合控制实际负载，增强设备通用性与灵活性，同时降低设备的成本，具有更高的调节精度；利用能量回馈单元实现了能量回馈，降低了试验用电损耗，达到了节能的目的。同时测控单元实现系统运行的控制、试验数据的采集、处理与存储，且操作方便。