一种高精度高动态响应的三相模拟脉冲负载的制作方法

1.本发明涉及电气测试领域，尤其涉及一种高精度高动态响应的三相模拟脉冲负载电气结构与实现方法。


背景技术：

2.在新型军事装备中，如相控阵雷达，高能微波武器等，其负荷特性呈连续脉冲状，我们称这类用电负载为脉冲负载，脉冲负载对供电电源提出了较高的要求。而在电源的研发和生产试验过程中，需要用模拟脉冲负载来替代实际应用的脉冲负载用电设备来进行各种工况的测试，以检验该电源能否在带脉冲负载情况下正常运行，是否影响所需要的脉冲功率输出。
3.期刊《现代雷达》2016年3月刊登的论文《一种现代雷达非线性脉冲特性的模拟装置》介绍了一种连续脉冲模拟装置的实现原理，其将复杂的雷达系统简化为整流器模块、直流开关模块、负载模块，利用绝缘栅双极型晶体管(igbt)控制多组电阻负载的投切模拟脉冲负载的功率突变，通过设置直流开关的触发脉冲来实现不同的开关周期与占空比，还通过改变接入电路的电阻组数实现不同的脉冲负载峰值功率。其采用基于可控硅器件的三相整流桥整流，将三相交流整流为直流，然后经lc滤波得到纹波较小的直流电压，为继电器控制的各电阻支路提供恒定的直流电压。所提出的电路结构和控制方法虽然可以一定程度地模拟脉冲负载，但是，由于可控硅整流器稳压响应速度慢，还由于采取了lc滤波器件，对于脉冲阶跃响应时间要求小到0.1ms水平的脉冲负载没法模拟实现，而且，交流侧输入电流的幅值难以精准控制保证，也就是说，文中说采用的技术方案难以能满足高精度高动态响应的要求。
4.图1为脉冲负载应用时输入交流电流峰值曲线基本形状，负载由额定线电压un(比如200v)，额定频率f(比如400hz)的三相交流电源供电，其中t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8为脉冲时间宽度(从几毫米到几十毫米可任意设定)，i1、i2、i3、i4、i5、i6为相对应的脉冲幅值，亦即三相交流电流峰值，这些参数可从0到最大值(比如600a)内任意设定。脉冲负载调节步长要求可小到0.1kva，而脉冲阶跃响应时间短到0.1ms，为了模拟实现这样的脉冲负载电流峰值曲线，本文提出一种高精度高动态响应的三相模拟脉冲负载的主电路架构和实现方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种具有高动态响应、高控制精度、幅值曲线可任意编程的模拟脉冲负载的主电路方案和控制实现原理，以满足脉冲负载对三相交流电源或供电发电机的测试需求。
6.为达到上述目的，提供一种高精度高动态响应的三相模拟脉冲负载，包括三相电源、三相不控整流桥、尖峰电压吸收电路以及从0到n的共n+1个负载支路；
7.所述三相电源经所述三相不控整流桥整流成直流，并在直流回路正负母线间并联
所述尖峰电压吸收电路来吸收电流，其中尖峰电压吸收电路具有串联的电阻rd、电容c；
8.各个所述负载支路均并联于直流回路正负母线间，每个所述负载支路包括一个高速功率开关器件与电阻进行串联，每个电阻与续流二极管并联，其中，各负载支路的容量定义为直流母线电压的平方与该负载电阻阻值的比值，以负载支路0的容量设计为系统最小调节容量p0，各负载支路0到n-1路的额定功率容量设计按以2为公比的等比数例设计，且第n路的负载设计容量pn取(1+r％)q
n-2
n p0，式中系统额定容量需求为qn，余量为r％。
9.进一步的，所述高速功率开关器件的散热设计只需要考虑导通损耗而不用考虑开关损耗。
10.进一步的，在系统电流超过50a的情况下所述高速功率开关器件采用igbt来控制本支路电阻电流的通断，和/或在系统电流低于50a的情况下所述高速功率开关器件采用为mosfet管。
11.进一步的，所述尖峰电压吸收电路的参数配置为是在所有负载支路由同时导通到同时关断时刻，三相整流器前段的线路电感及直流侧母线电感的储能释放到电容c上造成的rc两端的稳态和瞬态电压不能超过各功率开关管的安全工作电压。
12.进一步的，给定交流电流峰值脉冲曲线实时输入值i_peak_ref，将其与尖峰电压吸收电路的电容电流的峰值的差与三相交流侧的线电压峰值相乘得到负载功率实时控制指令p
*
；
13.计算三相输入交流电压u
abrms
的有效值与额定电压un的比值的平方得到自适应调节系数m(即m＝(u
abrms
/un)2)；
14.将所述自适应调节系数m乘以设计的最小调节容量p0参数得到在当前输入交流电压下的实际最小调节容量同样第n个负载支路的实际容量由设计的pn乘以系数m得到随三相交流输入电压调整后的
15.根据p
*
、和来计算得到各负载支路高速功率开关器件的控制位。
16.进一步的，所述根据p
*
、和来计算得到各负载支路高速功率开关器件的控制位，进一步包括：
17.若p
*
＜p
nt
，bn置0，并令w＝p
*
18.若p
*
≥p
nt
，bn置1，并令w＝p
*-p
nt
；
19.将w与的比值取整后化为二进制数，得到二进制数b
n-1bn-2
…
b2b1b0；
20.第0位b0对应负载支路0的控制，如为1，则开通该负载支路的高速功率开关器件t0，为0则关断开关器件t0，其它第1位b1到第n-1位b
n-1
以及bn依次对应开关器件t1到tn采取同样开关控制策略。
21.进一步的，还包括有辅助支路，辅助支路并联于直流回路正负母线间，辅助支路被配置为在负载支路的架构下在电阻上串联一个电感用于平滑辅助支路中的高速功率开关器件th在pwm控制情况下的电阻电流，其中辅助支路中的续流二极管与电阻串联电感的支路并联。
22.进一步的，将三相输入电流ia与ib进行检测采样计算得到三相电流峰值，给定三相交流电流峰值脉冲曲线数值与检测计算出的实际三相电流峰值的差值减去辅助支路中
电阻电流检测值的差值，作为控制调节器的输入，其输出经限制器后得到调制波，与三角载波比较得到的pwm脉冲用于控制辅助支路的高速功率开关器件th的通断。
23.采用本方明专利方案，主电路架构简单，系统的控制实现比较简单，脉冲负载电流动态响应非常快，利用常规高速功率开关器件，即使开关器件的开通关断时间小于50us,也能够实现动态响应时间在0.1ms以下。因为引入了涉及交流电压幅值波动的自适应调节系数，以及引入了辅助支路进行稳态误差补偿，使系统在满足高动态响应的同时还能实现高精度目标跟踪控制。
附图说明
24.图1示出了脉冲负载下的电源输出交流电流峰值波形。
25.图2示出了本发明的模拟脉冲负载的主电路架构。
26.图3示出了本发明的高速开关管t0～tn的控制策略。
27.图4示出了本发明的输入电流峰值误差补偿控制。
28.图5示出了本发明的模拟脉冲负载仿真波形。
29.图6示出了本发明的模拟脉冲负载仿真波形局部放大图。
具体实施方式
30.下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
31.1)主电路架构
32.图2为所提出的模拟脉冲负载主电路示意图。其中，三相电源经三相不控整流桥整流成直流，在直流回路正负母线间依次并联有尖峰电压吸收电路来吸收电流，从0到n的共n+1个负载支路，一个辅助支路。各个负载支路均并联于直流回路正负母线间，每个负载支路由一个高速功率开关器件与电阻进行串联，每个电阻与续流二极管并联。t0到tn及th为高速功率开关器件(如igbt等，其开通与关断时间都小于10us)，d0到dn及dh为续流用二极管。
33.另有一个小容量的辅助支路，辅助支路并联于直流回路正负母线间，用于某些可能特殊情况下的电流脉冲稳态误差跟踪补偿控制，其是在负载支路的架构下在电阻上串联一个小电感用于平滑th在pwm控制情况下的电阻电流，该电阻的电流被检测采样用于电流闭环控制的需要，辅助支路中的续流二极管与电阻串联电感的支路并联，如图2所示。
34.为了满足脉冲负载的高动态响应要求，且降低系统成本，小电流负载支路可采用mosfet管来控制本支路电阻电流的通断，超过50a的大电流开关器件则可采用igbt来控制本支路电阻电流的通断，这些t0到tn的高速功率开关管受控制系统发出的驱动脉冲的控制，且利用后面提到的的控制策略，基本上可实现在负载电流曲线中脉冲上升沿才开通，下降沿才关断，由于负载电流峰值曲线的脉冲频率一般在几赫兹到几十赫兹，因此，这些功率开关管的散热设计只需要考虑导通损耗，而不用考虑开关损耗。
35.尖峰电压吸收电路由串联的电阻rd、电容c组成，其参数设计原则是在所有负载支路由同时导通到同时关断时刻，三相整流器前段的线路电感及直流侧母线电感的储能释放到电容c上造成的rc两端的稳态和瞬态电压不能超过各功率开关管的安全工作电压。由于三相整流输出到直流侧存在纹波电压，rd的引入可降低电容支路流过的电流，从而减轻电容支路电流对交流输入侧脉冲电流精度控制的影响。
36.三相输入电压和流经电容c的电流进行实时高速采样检测，用于对交流输入侧脉冲电流精度的自适应控制环节。
37.因电流跟踪控制的需要，三相输入电压u
ab
、u
bc
和电流ia与ib被实时检测采样送往控制部分。
38.2)各负载支路容量设计方法
39.通过对高速功率开关器件的通断控制来实现各电阻的负载投入与退出。各负载支路0到n-1路的额定功率容量设计按以2为公比的等比数例设计。各负载支路的容量定义为直流母线电压的平方与该负载电阻阻值的比值，比如负载支路0的电阻阻值为r0,所连接的直流侧母线电压为ud，其按三相额定电压un的峰值取值。则该负载支路的负载容量为u
d2
/r0。将负载支路0的容量设计为系统最小调节容量，设为p0，则对于其它第1到n-1路的负载支路中，其中第k路负载支路的设计容量为2k×
p0。至于第n路的负载设计容量取决于系统装置的额定容量和设计余量。假设系统额定容量需求为qn，余量为r％，则pn可取(1+r％)q
n-2
n p0。
40.3)控制策略
41.3.1开关管t0到t1的控制
42.基于前面提到的主电路架构和各负载支路容量的设计方法，为了实现模拟脉冲负载装置的输入电流对给定脉冲波形的高精准控制，对各负载支路的高速功率开关管提出图3所示的控制策略。该控制由dsp等数字处理芯片完成控制逻辑。
43.如图3所示，i_peak_ref为图1所示的交流电流峰值脉冲曲线实时输入值，其与尖峰电压吸收电路的电容电流的峰值的差与三相交流侧的线电压峰值相乘得到负载功率实时控制指令p
*
。
44.由于各负载支路的容量是基于三相交流电压额定值进行计算取值的，在交流输入电压有效值偏离额定值的情况下，则各负载支路的实际容量将会随着输入电压有效值的变化而变化，因此计算三相输入交流电压u
abrms
的有效值与额定电压un的比值的平方得到自适应调节系数m(即m＝(u
abrms
/un)2)，这个调节系数乘以设计的最小调节容量p0参数，得到在当前输入交流电压下的实际最小调节容量同样地，第n个负载支路的实际容量由设计的pn乘以系数m得到随三相交流输入电压调整后的
45.根据p
*
、和来计算得到各负载支路高速功率开关的控制位。具体如下：
46.若p
*
＜p
nt
，bn置0，并令w＝p
*
47.若p
*
≥p
nt
，bn置1，并令w＝p
*-p
nt
48.将w与的比值取整后化为二进制数，得到二进制数b
n-1bn-2
…
b2b1b0。
49.第0位b0对应负载支路0的控制，如为1，则开通t0开关管，为0，则关断t0开关管。其它第1位b1到第n-1位b
n-1
以及bn依次对应开关管t1到tn的开关控制，同样是为1时，控制对应的开关管立即导通，为0时，立即控制对应的开关管立即关断。
50.3.2辅助支路开关管th的控制
51.上面t0到tn的开关管实际上采取的实时开环控制，是为了严格保证足够小的模拟负载电流动态响应时间(比如小于0.1ms)，满足模拟负载的脉冲电流上升沿足够陡。如果在
脉冲的脉宽期间，实际电流与目标值倘有少许稳态电流偏差，就可借助于辅助支路的电流闭环控制。如图4，将三相输入电流ia与ib进行检测采样计算得到三相电流峰值，给定三相交流电流峰值脉冲曲线数值与检测计算出的实际三相电流峰值的差值减去辅助直流电阻电流检测值的差值，作为控制调节器(可以是比例积分调节器等)的输入，其输出经限制器后得到调制波，与三角载波比较得到的pwm脉冲用于控制辅助支路的高速功率开关th的通断。
52.3.3仿真验证
53.对于一个额定150kw的模拟脉冲负载，输入为400hz、200v有效值的三相交流电压，要求每路负载支路的最小分辨率为0.1kva，而三相交流电流峰值脉冲曲线中，要求脉冲动态相应时间小于0.1ms。按交流额定输入电压情况下设计的10个负载支路容量依次按公比为2递增为0.1kva、0.2kva、0.4kva,
…
51.2kva。另外还有一个容量为60kva的负载支路以及容量为12.8kva的辅助支路。附图5为仿真波形，图6为图5的局部仿真波形。其中curve曲线为三相交流电流峰值曲线目标值，而i(l1a)、i(l1b)及i(l1c)为实际控制实现的三相输入电流波形。仿真表明采用本文提出的电路架构和控制方法，电流跟踪控制精准度非常高，误差基本能实现在1％以内，电流动态相应也能实现小于0.1ms。
54.与传统技术相比，本发明具有如下优势：
55.1)采用本方明专利方案，主电路架构简单，系统的控制实现比较简单，脉冲负载电流动态响应非常快，利用常规高速功率开关器件，即使开关器件的开通关断时间小于50us,也能够实现动态响应时间在0.1ms以下。因为引入了涉及交流电压幅值波动的自适应调节系数，以及引入了辅助支路进行稳态误差补偿，使系统在满足高动态响应的同时还能实现高精度目标跟踪控制。
56.2)功率开关器件主要工作在频率极低的开关状态，基本可以不要考虑开关损耗。
57.上述具体实施例仅仅是本发明的几种优选的实施例，基于本发明的技术方案和上述实施例的相关启示，本领域技术人员可以对上述具体实施例做出多种替代性的改进和组合。