一种能耗型交流电子负载的制作方法

本实用新型属于电力电子设备领域，具体涉及一种能耗型交流电子负载。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，电力电子电源大量应用，并且对电力电子电源的测试提出了更高及更精确的要求。传统的电源测试一般采用固定的阻感性负载，其功率因数及输出电流一般不能做到任意设置，无法适应电源的精确测试。

现有的电子负载大多数采用并网能量回馈型结构，该方式的优点是能够节约能源，但是在一些偏远地带或者特殊场合，由于没有电网或者电网不允许能量回馈，该型电子负载无法使用。

能耗型交流电子负载一般采用背靠背型电力电子变换器，连接被测电源侧的变换器一般需要采用直流母线电压外环和交流滤波电感电流内环的双环控制方式进行被测电源输出电流跟踪控制，该控制方式的控制器设计复杂且系统不容易稳定。还有部分类型电子负载采用的是通过控制多个并联的功率器件(如晶体管或者MOSFET)工作在线性放大区的功耗来消耗能量，该类型电子虽然能够做成能耗型负载，但是由其单个功率器件的耗能有限，且需要比较复杂且繁多的驱动电路，不容易做成大功率的电子负载且系统复杂成本较高，另外该类型的电子负载还有致命的缺陷是只能调节负载电流的大小，而无法调节负载电流的功率因数。

如何以低成本设计一种结构简单、系统稳定、大功率的能耗型交流电子负载来实现负载电流大小及功率因数的精确模拟和控制是目前要解决的一个问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种能耗型交流电子负载，通过采用逆变桥、直流侧电容、斩波模块和能耗电阻等组件设计了一种结构简单、系统稳定的大功率能耗型交流电子负载，实现了被测电源电流及功率因数的任意可调。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种能耗型交流电子负载，包括交流接触器、交流输入滤波电感、逆变桥、直流侧电容、斩波模块、能耗电阻、检测模块和控制模块；

交流接触器的第一端用作与被测电源一极连接的接口，交流接触器的第二端与交流输入滤波电感的第一端连接，交流输入滤波电感的第二端与逆变桥的第一端连接，逆变桥的第二端用作与被测电源另一极连接的接口；

逆变桥通过逆变桥第三端和第四端与直流侧电容并联，斩波模块和能耗电阻串联后与直流侧电容并联；

检测模块第一端用作与被测电源连接的接口，用于检测被测电源的电压；检测模块第二端与交流输入滤波电感连接用于检测交流输入滤波电感的电压；检测模块第三端与直流侧电容连接用于检测直流侧电容的电压；检测模块第四端与控制模块第一端连接用于传送检测到的被测电源的电压，检测模块第五端与控制模块第二端连接用于传送检测到的交流输入滤波电感的电流，检测模块第六端与控制模块第三端连接用于传送检测到的直流侧电容的电压；

控制模块第一端与检测模块第四端连接，用于接收检测到的被测电源的电压；控制模块第二端与检测模块第五端连接，用于接收检测到的交流输入滤波电感的电流；控制模块第三端与检测模块第六端连接，用于接收检测到的直流侧电容的电压；控制模块第四端与逆变桥连接，用于控制逆变桥的导通与关断；控制模块第五端与斩波模块连接，用于控制斩波模块的导通与关断。

基于上述结构，控制模块根据接收到的被测电源的电压和交流输入滤波电感的电流以及设定的电流特性曲线生成控制指令，控制逆变桥的导通与关断，实现了负载电流大小和功率因数的精确模拟和控制；控制模块根据接收到的直流侧电容的电压以及设定的直流侧电容的电压最大值和最小值生成控制指令，控制斩波模块的导通与关断，使能耗电阻与直流侧电容保持连通或断开，从而实现了耗能放电、稳定直流侧电容电压和保护直流侧电容。

优选地，检测模块包括被测电源输出电压检测单元、交流输入滤波电感电流检测单元和直流侧电容电压检测单元；被测电源输出电压检测单元第一端用作检测模块第一端，被测电源输出电压检测单元第二端用作检测模块第四端；交流输入滤波电感电流检测单元第一端用作检测模块第二端，交流输入滤波电感电流检测单元第二端用作检测模块第五端；直流侧电容电压检测单元第一端用作检测模块第三端，直流侧电容电压检测单元第二端用作检测模块第六端。

优选地，控制模块包括相互连接的数字信号处理单元和驱动与保护电路；数字信号处理单元第一端用作控制模块第一端，数字信号处理单元第二端用作控制模块第二端，数字信号处理单元第三端用作控制模块第三端；驱动与保护电路第一端用作控制模块第四端，驱动与保护电路第二端用作控制模块第五端。

优选地，控制模块还包括一与数字信号处理单元连接的人机交互单元。

优选地，控制模块首先根据接收到的被测电源的电压U1和设定的电流特性曲线I0按照公式(I)计算得到负载电流指令Ir：Ir＝I0×U1÷220(I)，然后根据计算得到的负载电流指令Ir和交流输入滤波电感的电流If按照公式(II)计算得到电流误差e：e＝Ir－If(I)，最后根据电流误差e计算得到驱动指令Ui，从而控制逆变桥的导通与关断。

优选地，控制模块根据接收到的直流侧电容的电压Uf以及设定的直流侧电容的电压最大值Umax和最小值Umin，按照(III)和公式(IV)工作：

当Uf≥Umax时，S＝1 (I)；

当Uf＜Umin时，S＝0 (II)；

其中，直流侧电容电压的最大值Umax和最小值Umin通过公式(V)和公式(VI)确定：Umin＝U×1.2(V)，Umax＝U×1.25(VI)，其中，U为被测电源输出电压的峰值；

当S＝1时，控制模块控制斩波模块导通，使能耗电阻与直流侧电容接通，实现耗能放电并维持直流侧电容电压不超过Umax，当S＝0时，控制斩波模块关断，使能耗模块与直流侧电容断开，维持直流侧电容电压大于Umin。

优选地，数字信号处理单元包括滞环控制器，和依次连接的负载电流指令形成单元、减法器和电流控制器；滞环控制器的第一输入端用作控制模块第三端，滞环控制器的输出端连接驱动与保护电路；负载电流指令形成单元的第一输入端用作控制模块第一端；减法器输入端用作控制模块第二端；电流控制器的输出端连接驱动与保护电路；滞环控制器的第二输入端与负载电流指令形成单元的第二输入端连接人机交互单元。

优选地，电子负载还包括预充电电路，预充电电路由用于接通充电电路的充电接触器和充电电阻串联而成，预充电电路与交流接触器并联。通过设计预充电电路，预防上电时产生过大的电流、损坏逆变器桥和直流侧电容。

优选地，直流侧电容的额定工作电压Uc满足如下条件：Uc≥U×1.5，其中，U为被测电源输出电压的峰值。由此保证直流侧电容的安全。

优选地，电流控制器采用PI、PR或者PID控制器。

优选地，逆变桥为三相逆变桥或单相逆变桥。

按照本实用新型的另一个方面，提供了一种采用上述电子负载进行交流电源测试实现输入电流及功率因数任意设置并精确跟踪的工作方法，包括如下步骤：

(1)设定需要模拟的含功率因数信息的负载电流特性曲线I0；

(2)启动电子负载，根据测得的被测电源的电压U1和设定的负载电流特性曲线I0通过公式(I)计算得到负载电流指令Ir：Ir＝I0×U1÷220(I)；

(3)根据负载电流指令Ir和测得的交流输入滤波电感的电流If，由公式(II)计算得到电流误差e：e＝Ir－If(II)；

(4)根据电流误差e计算得到驱动指令Ui，实现逆变桥的导通与关断；由此方式，实现了负载电流大小及功率因数的精确模拟和控制；

按照本实用新型的另一个方面，提供了一种采用上述电子负载进行交流电源测试时实现能量消耗和稳定直流侧电容的工作方法，包括如下步骤：

(a)在电子负载启动前，设定直流侧电容电压的最大值Umax和最小值Umin，直流侧电容电压的最大值Umax和最小值Umin通过公式(V)和公式(VI)确定：Umin＝U×1.2(V)，Umax＝U×1.25(VI)，其中，U为被测电源输出电压的峰值；

(b)在电子负载启动后，根据测得的直流侧电容的电压Uf和设定的直流侧电容电压的最大值Umax和最小值Umin，按照公式(III)和公式(IV)进行判断：当Uf≥Umax时，S＝1(III)，当Uf＜Umin时，S＝0(IV)；

(c)当S＝1时，控制斩波模块导通，使能耗电阻与直流侧电容接通，实现耗能放电并维持直流侧电容电压不超过Umax，当S＝0时，控制斩波模块关断，使能耗模块与直流侧电容断开，维持直流侧电容电压不小于Umin；由此方式，通过控制斩波模块的导通与关断，直流侧电容的工作电压被维持在一定的范围内，同时确保了逆变桥的正常工作和直流侧电容的安全运行，且同时做到了利用能耗电阻耗能的目的。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)采用本实用新型的电子负载，不仅可以任意设置被测电源输入电流及功率因数，并且在没有电网或者电网不允许能量回馈的特殊场合也能正常运行该电子负载。

(2)通过利用斩波模块和能耗电阻，本实用新型的电子负载在做到稳定直流侧电容电压的同时消耗了多余能量，不仅电路结构简单，而且简化了被测电源输出电流跟踪控制器设计，成本低，克服了传统电子负载在特殊场合下无法使用且电路复杂成本高的缺点。

附图说明

图1是本实用新型一种能耗型交流电子负载连接被测电源时的结构示意图。

图2是依照本实用新型电子负载的被测电源输出电流跟踪控制框图。

图3是依照本实用新型电子负载采用斩波模块及耗能电阻实现耗能及直流侧电容电压稳定作用的控制框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-被测电源，2-交流主接触器2(2)，3-交流输入滤波电感，4-逆变桥，5-直流侧电容，6-斩波模块，7-能耗电阻，8-检测模块，9-控制模块，81-被测电源输出电压检测单元，82-交流输入滤波电感电流检测单元，83-直流侧电容电压检测单元，91-数字信号处理单元，92-驱动与保护电路，93-人机交互单元，911-负载电流指令形成单元，912-减法器，913-电流控制器，914-滞环控制器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例

如图1所示，一种能耗型交流电子负载包括交流接触器2、交流输入滤波电感3、逆变桥4、直流侧电容5、斩波模块6、能耗电阻7、检测模块8和控制模块9；交流接触器2的第一端用作与被测电源1一极连接的接口，交流接触器2的第二端与交流输入滤波电感3的第一端连接，交流输入滤波电感3的第二端与逆变桥4的第一端连接，逆变桥4的第二端用作与被测电源1另一极连接的接口；逆变桥4通过逆变桥4的第三端和第四端与直流侧电容5并联，斩波模块6和能耗电阻7串联后与直流侧电容5并联；

检测模块8包括被测电源输出电压检测单元81、交流输入滤波电感电流检测单元82和直流侧电容电压检测单元83；被测电源输出电压检测单元81第一端用作与被测电源1连接的接口，用于检测被测电源1的电压，被测电源输出电压检测单元81第二端与控制模块9第一端连接用于传送检测到的被测电源1的电压；交流输入滤波电感电流检测单元82第一端与交流输入滤波电感3连接用于检测交流输入滤波电感3的电流，交流输入滤波电感电流检测单元82第二端与控制模块9第二端连接用于传送检测到的交流输入滤波电感3的电流；直流侧电容电压检测单元83第一端与直流侧电容5连接用于检测直流侧电容5的电压，直流侧电容电压检测单元83第二端与控制模块9第三端连接用于传送检测到的直流侧电容5的电压；

控制模块9包括数字信号处理单元91、驱动与保护电路92和人机交互单元93；数字信号处理单元91包括滞环控制器914，和依次连接的负载电流指令形成单元911、减法器912和电流控制器913；滞环控制器914的第一输入端用作控制模块9第三端，滞环控制器914的输出端连接驱动与保护电路92；负载电流指令形成单元911的第一输入端用作控制模块9第一端；减法器912输入端用作控制模块9第二端；电流控制器913的输出端连接驱动与保护电路92；滞环控制器914的第二输入端与负载电流指令形成单元911的第二输入端连接人机交互单元93；驱动与保护电路92第一端与逆变桥4连接，用于根据控制模块9接收到的被测电源1的电压和交流输入滤波电感3的电流以及设定的电流特性曲线生成控制指令，控制逆变桥4的导通与关断；驱动与保护电路92第二端与斩波模块6连接，用于根据控制模块9接收到的直流侧电容5的电压以及设定的直流侧电容5的电压最大值和最小值生成控制指令，控制斩波模块6的导通与关断，实现耗能放电与保护直流侧电容5。

电子负载还包括预充电电路，预充电电路由用于接通充电电路的充电接触器和充电电阻串联而成，预充电电路与交流接触器2并联。预防上电时产生过大的电流、损坏逆变器桥和直流侧电容5。

在本实施例中，数字信号处理单元91采用美国德州仪器公司的微处理器；电流控制器913采用PI控制器(也可采用PR或者PID控制器)；逆变桥4为单相逆变桥(也可以是三相逆变桥)，采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；选用的直流侧电容5的额定工作电压Uc满足如下条件：Uc≥U×1.5，其中，U为被测电源1输出电压的峰值。

当使用该电子负载对被测交流电源进行测试时，操作如下：

首先，闭合充电接触器，通过充电电阻、交流输入滤波电感3和逆变桥4对直流侧电容5进行预充电。预充电完成后，闭合交流主接触器2并断开充电接触器，此时电子负载处于待机状态。

通过人机交互单元93设置需要模拟的含功率因数信息的负载电流特性曲线和直流侧电容5电压的最大值Umax和最小值Umin，并通过RS232通讯的方式(也可采用其它通讯方式)将设定的负载电流特性曲线和设定的直流侧电容5电压的最大值Umax及最小值Umin传送给数字信号处理单元91，数据传输完成后通过人机交互单元93启动电子负载开始负载电流特性曲线的模拟测试。

对电源进行测试并实现输入电流及功率因数任意设置及精确跟踪的工作方法包括如下四步：

(1)通过人机交互单元93设置需要模拟的含功率因数信息的负载电流特性曲线和直流侧电容5电压的最大值Umax和最小值Umin，并通过RS232通讯的方式(也可采用其它通讯方式)将设定的负载电流特性曲线和直流侧电容5电压的最大值Umax及最小值Umin传送给数字信号处理单元91，数据传输完成后通过人机交互单元93启动电子负载开始负载电流特性曲线的模拟测试。

(2)在图2中负载电流形成指令单元根据人机交互单元93传送过来的电流特性曲线I0和被测电源输出电压检测单元81检测得到的被测电压U1通过公式(I)计算得到负载电流指令Ir：

Ir＝I0×U1÷220 (I)

(3)负载电流指令Ir和交流输入滤波电感电流检测单元82检测得到交流滤波电感电流If通过减法器912由公式(II)计算得到电流误差e：

e＝Ir－If (II)

(4)电流误差e经过PI电流控制器913计算得到逆变桥4的驱动指令Ui并通过驱动与保护电路92来驱动逆变桥4IGBT的导通和关断，以实现负载电流大小及功率因数的精确模拟和控制。

对电源进行测试并实现能量消耗和稳定直流侧电容的工作方法包括如下步骤：

(a)在图3中将通过人机交互单元93设置的直流侧电容5电压的最大值Umax、直流侧电容5电压的最小值Umin和直流侧电容电压检测单元83检测得到的直流侧电容5电压Uf一同送到滞环控制器914，滞环控制器914按照公式(III)和公式(IV)工作：

当Uf≥Umax时，S＝1 (III)

当Uf＜Umin时，S＝0 (IV)，

其中，直流侧电容5电压的最大值Umax和最小值Umin通过公式(V)和公式(VI)确定：

Umin＝U×1.2(V)，Umax＝U×1.25(VI)，其中，U为被测电源输出电压的峰值；

(b)当滞环控制器914输出S＝1时，驱动与保护电路92控制斩波模块6导通，将能耗电阻7与直流侧电容5接通以耗能放电，维持直流侧电容5电压不超过Umax。

(c)当滞环控制器914输出S＝0时，驱动与保护电路92控制斩波模块6关断，将能耗电阻7与直流侧电容5断开，维持直流侧电容5电压不小于Umin。

通过上述a～c步骤控制斩波模块6的导通与关断，维持直流侧电容5的工作电压在一定的范围内，既能确保逆变桥4正常工作又保证了直流侧电容5的运行安全，且同时做到了利用能耗电阻7耗能的目的。

由上述实施例可知，本实用新型的电子负载及工作方法可以任意设置被测电源输入电流及功率因数，并通过利用斩波模块和能耗电阻，稳定控制了直流侧电容电压的同时消耗了多余能量，电子负载电路结构简单，成本低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。