使直流负载具备交流加载功能的装置及控制方法与流程

本发明涉及电源测试领域，尤其涉及一种使直流电子负载具备交流加载功能的装置及控制方法。

背景技术：

交流电子负载(acelectronicload)是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置.它能模拟一个固定或变化的负载，甚至将试验的电能反馈回电网。交流电源在出厂前通常需要进行带负载能力测试和放电测试，以检验其技术指标和工作性能。交流电子负载是一种基于电力电子技术和自动控制技术的电力电子装置，它能根据需要准确灵活地模拟真实负载的放电效果，有效地解决了由电阻、电容及电感等无源器件组成的传统负载存在的调节不便、自动化程度低、灵活性差、负载形式单一等缺点。而采用交流电子负载进行试验可有效克服这些缺点.它可使试验更加简单、灵活，且大大降低试验的成本.因此交流电子负载具有广阔的使用价值和应用前景。

现有技术有一种全桥pwm整流耗能型交流电子负载，这种交流电子负载只完成负载特性模拟的功能，由一个工作在整流状态的vsr实现，通过直接控制输入侧电流的相位和大小，即可模拟功率因数从-1到+1连续变化的各种负载。该交流电子负载中，负载特性模拟部分为电流单环控制，如图1所示，电流基准信号由外部操作面板或上位机设定，调节其与输入电压的相位关系，使得pwm整流器输入端呈现出不同的阻抗特性，模拟不同性质的负载，包括纯电阻，纯电感，纯电容负载及它们的组合。被测试电源发出的有功功率最终消耗在直流侧电阻上。当电阻阻值一定时，直流侧电压由输入有功功率决定，有功功率越小电压越低。为使pwm整流器的交流侧电流得到有效控制，直流侧电压至少应大于输入交流电压的峰值。

上述这种全桥pwm整流耗能型交流电子负载，使用纯电阻进行能量消耗，耗散能量为无源电阻器件，通过耗散负载无法实现相位调节，需要前级进行负载的电压相位转换，存在控制难度大问题。同时该交流电子负载中要求电阻为无感电阻，但是实际应用过程中由于连接导线等因素无法实现真实无感电阻，从而会影响相位加载精度，因为耗能电阻发热严重，最高可达400摄氏度，会影响接近电路的性能，存在安全隐患。

现有技术还有一种全桥整流、逆变能馈型交流电子负载，如图2所示，能量回馈型交流电子负载以具有公共直流母线的两级电压型pwm变换器为核心构成。输入级pwm整流器经输入滤波电感l1接被试电源构成电子负载的负载特性模拟部分，工作在ac-dc整流状态；输出级pwm逆变器经输出滤波电感l2，隔离变压器t接电网，构成能量回馈部分；其中，负载特性模拟部分和能量回馈部分在控制上相互独立。与能量消耗型电子负载相同，负载特性模拟采用单一的电流瞬时值控制方式来控制输入电流的大小和波形；能量回馈部分采用包含相位同步环节的电压电流双闭环来控制电网侧输出电流波形及直流母线电压；能量回馈型交流电子负载，自身损耗小，网侧功率因数高，是一种节能型的自动化测试设备。

上述这种全桥整流、逆变能馈型交流电子负载，可以实现交流加载，同时在用回馈式技术可以使需要消耗的能量回馈到220v交流电网中，该全桥整流、逆变能馈型交流电子负载主要应用于大功率交流电源测试中，同时由于需要进行高频pmw变换，因此存在较大的电磁干扰，容易对周边的用电设备造成电磁干扰；在能量回馈过程中存在高次电流谐波，影响电网质量；如果电网中没有负载进行消耗，就无法实现功率加载，因此在应用过程中具有一定的局限性。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种使直流电子负载具备交流加载的装置及控制方法，能通过直流负载实现交流加载功能，提高负载的利用率，降低交流电源的测试成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种使直流电子负载具备交流加载功能的装置，包括：

整流桥、具有电流波形控制功能的直流负载和直流电源；其中，

所述整流桥与被测交流电源电气连接，所述整流桥变换的具有脉动的直流电压的正极端连接至所述具有电流波形控制功能的直流负载的输入正极端，所述直流电压的负极端串联所述直流电源后连接至所述具有电流波形控制功能的直流负载的输入负极端。

本发明实施方式还提供一种使直流电子负载具备交流加载功能的控制方法，用于本发明所述的装置，包括：

将被测交流电源经整流变换成具有脉动的直流电压；

将所述直流电压的正极端连接至具有电流波形控制功能的直流负载的输入正极端，所述直流电压的负极端串联一个直流电源后连接至所述具有电流波形控制功能的直流负载的输入负极端；

通过调整所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形对被测交流电源电流进行控制；

通过调节所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流相位与被测交流电源的输入交流电压之间的相位关系模拟阻性、容性、感性的负载特性。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的使直流电子负载具备交流加载的装置及控制方法，其有益效果为：

通过在被测交流电源整流变换成具有脉动的直流电压后，在直流电压的负极端串联一个直流电源后连接至具有电流波形控制功能的直流负载的输入负极端，这样直流负载与被测交流电源处于串联方式，当直流负载进行电流波形模拟时，流过被测交流电源的电流的波形样式与直流负载的电流波形是一致的，因此通过调整具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形即可实现对被测交流电源的电流的控制，依据阻性、容性、感性的负载特性，通过调节直流负载的电流相位与被测交流电源的输入交流电压之间的相位关系即可实现模拟阻性负载、容性负载、感性负载。特别是，通过设置一个直流电源，能使加载到直流负载的电压波形的最低点为该直流电源的正半周馒头波形，进而可解决在被测交流电源过零点时直流负载无法加载的情况。该装置及控制方法很好的实现用直流电子负载进行交流加载，适用于各种交流电源试验的电子负载，电源的频率可以不同于电网的频率，它在输入侧具有与真实阻抗负载相同的特性，因而可取得更加真实的试验效果，提高负载的利用率，降低交流电源的测试成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术一提供的交流电子负载的负载特性模拟部分电路构成示意图；

图2为现有技术二提供的交流电子负载的负载特性模拟部分电路构成示意图；

图3为本发明实施例提供使直流电子负载具备交流加载功能的装置电路构成示意图；

图4为本发明实施例提供的控制方法中被测交流电源阻性负载电压电流波形示意图；

图5为本发明实施例提供的控制方法中直流负载阻性负载电压电流波形示意图；

图6为本发明实施例提供的控制方法中被测电源容性负载电压电流波形示意图；

图7为本发明实施例提供的控制方法中直流负载容性负载电压波形示意图；

图3中：1-整流桥；2-具有电流波形控制功能的直流负载；3-直流电源；4-被测交流电源。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图3所示，本发明实施例提供一种使直流电子负载具备交流加载功能的装置，包括：

整流桥、具有电流波形控制功能的直流负载和直流电源；其中，

所述整流桥与被测交流电源电气连接，所述整流桥变换的具有脉动的直流电压的正极端连接至所述具有电流波形控制功能的直流负载的输入正极端，所述直流电压的负极端串联所述直流电源后连接至所述具有电流波形控制功能的直流负载的输入负极端。

上述装置中，直流电源为：5v直流电源。

上述装置中，具有电流波形控制功能的直流负载为：直流电子负载或者能调节电流的直流功率消耗装置。

上述装置中，整流桥为全桥整流桥。

上述装置中，全桥整流桥由单独整流二极管d1、d2、d3、d4组成或采用封装的整流桥。

本发明实施例提供一种使直流电子负载具备交流加载功能的控制方法，用于上述的装置(参见图3)，包括：

将被测交流电源经整流变换成具有脉动的直流电压；

将所述直流电压的正极端连接至具有电流波形控制功能的直流负载的输入正极端，所述直流电压的负极端串联一个直流电源后连接至所述具有电流波形控制功能的直流负载的输入负极端；

通过调整所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形对被测交流电源电流进行控制；

通过调节所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流相位与被测交流电源的输入交流电压之间的相位关系模拟阻性、容性、感性的负载特性。

上述控制方法中，所述方法中，通过调节所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流相位与被测交流电源的输入交流电压相位之间的相位关系模拟阻性负载、容性负载或感性负载包括：

当模拟阻性负载时，调节所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形与被测交流电源电压波形为同相位；由纯阻性负载特性可知，电流相位与电压相位相同。因此控制直流负载电流波形与被测交流电源电压同相位即可实现纯阻性负载模拟，被测交流电源电压电流相位关系如图4所示，直流负载端电流控制波形与电压相位关系如图5所示。

当模拟容性负载时，调节所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形超前于所述被测交流电源的电压波形的相位；由容性负载特性可知，电流相位超前于电压相位。因此控制直流负载电流波形相位超前于被测交流电源电压同相位即可实现容性负载模拟，被测交流电源电压电流相位关系图如图6所示，直流负载端电流控制波形与电压相位关系如图7所示。

当模拟感性负载时，调节所述具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形滞后于所述被测交流电源的电压波形的相位。当模拟感性负载时，由感性负载特性可知，电流相位滞后于电压相位。因此控制直流负载电流波形相位滞后于被测交流电源电压同相位即可实现感性负载模拟。控制方法与感性负载相同，相位滞后即可实现。

本发明的控制方法，能实现用直流电子负载进行交流加载，适用于各种交流电源试验的电子负载，电源的频率可以不同于电网的频率，它在输入侧具有与真实阻抗负载相同的特性，因而可取得更加真实的试验效果，提高负载的利用率，降低交流电源的测试成本。

进一步的，上述控制方法中，直流电压的负极端串联的一个直流电源为：5v直流电源。

进一步的，上述控制方法中，具有电流波形控制功能的直流负载为：直流电子负载或者能调节电流的直流功率消耗装置。

进一步的，上述控制方法中，将被测交流电源经整流变换成具有脉动的直流电压为：通过整流桥将被测交流电源整流变换成具有脉动的直流电压。

进一步的，上述控制方法中，方法中，整流采用全桥整流桥，由单独整流二极管d1、d2、d3、d4组成或采用封装的整流桥。

进一步的，上述控制方法中，通过调节电流相位与输入的被测交流电源的交流电压之间的相位关系模拟阻性、容性、感性的负载特性包括：

进一步的，上述控制方法中，由于直流负载与被测交流电源处于串联方式，流过被测交流电源的电流的波形样式与直流负载的电流波形是一致的，通过调整具有电流波形控制功能的直流负载的电流波形即能实现对被测交流电源的电流进行控制。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本发明提供的用直流负载进行交流加载的控制方法中，涉及的电路如图3所示，被测交流电源通过d1、d2、d3、d4组成的整流桥变换成具有脉动的直流电压，其中直流电压的直流正极端接入到直流电子负载(即具有电流波形控制功能的直流负载)输入正极端，直流电子负载的负极端串联一个5v直流电源后连接到整流后得到的直流电压的负极端。通过调整直流电子负载上的电流波形即可实现对被测交流电流进行控制；通过调节电流相位与输入交流电压之间的相位关系实现模拟阻性、容性、感性的负载特性。

本发明控制方法涉及的工作过程以及各种负载波形如图4至图7所示，当需要模拟纯阻性负载时，被测交流电源电压通过整流后形成最低电压零的正半周馒头波形。由于在回路中添加了5v直流电源，使加载到直流电子负载的电压波形为最低点为5v的正半周馒头波形(如图4所示)，这样可解决在被测交流电源过零点时直流负载无法加载的情况。由于整体连接测试环路为串联环路，因此当直流电子负载进行电流波形模拟时，流过被测交流电源的电流的波形样式同直流电子负载的波形是一致的。

优选的，上述方法中，直流电子负载也可以采用其他类似的具有电流波形控制功能的直流负载，均可以实现交流加载功能；同时，串联的5v直流电源主要用于消除直流电子负载工作死区，因此可根据直流电子负载的加载能力替换成任意电压的直流电源。

本发明提供的用直流电子负载原理实现交流加载的控制方法，利用了环路的串联电流相等的特性，通过控制直流侧的电流波形实现对交流电源的加载，同时通过控制电流与交流电压的相位关系实现容性、阻性、感性负载的模拟。由于同时具备各属性负载的模拟功能，降低了交流负载的设计难度，由于可采用直流负载通过改装的方式来实现交流加载功能，也有效的拓展了直流负载的应用范围，并有利于交直流电子负载系列产品的模块化设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。