大功率电能质量信号发生装置的制作方法

专利名称：大功率电能质量信号发生装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及一种能够对电能质量敏感设备进行测试的装置，具体地说，涉及一种大功率电能质量信号发生装置。
二背景技术：
目前，电能质量问题受到人们极大的关注。因为，在许多行业中存在大量的对电能质量敏感的设备，尤其是高科技和信息行业，当这些用电设备的电源受到干扰时，就会影响它们的正常运行，从而产生巨大的经济损失。因此，迫切需要一种能够模拟产生各种电能质量问题的大功率信号发生装置，对各种设备进行测试，来了解这些设备对电能质量问题的敏感程度，为采取合适的技术措施解决电能质量问题所带来的危害提供依据。
当前，用来模拟产生电能质量问题的方法主要有以下3种1、用柴油机带动同步发电机，通过改变发电机励磁电压的大小，使得发电机输出电压产生骤降。这种方法存在体积和重量大、功能单一、输出精度不高、通用性差的缺点。
2、用晶闸管控制电抗器来模拟产生电压的骤升、骤降、过电压、欠电压以及谐波。这种方法的缺点与上述方法相同，而且还会产生电流谐波污染电网。
3、用电能功率标准源产生电能质量问题。这种方法的主要缺点是输出功率不够，不能为一些大功率的设备供电，只能用来校准各种交流电压表、交流电流表、功率表、相位表和电能表，如美国福禄克公司推出的6100A型电能功率标准源的电压输出端只能输出50VA的功率。
综上所述，目前的技术手段的主要缺点是体积大、结构复杂，携带不便、维护困难、智能化水平低、甚至有可能产生谐波污染电网。因此，现有技术手段无法很好地满足对用电设备进行电能质量干扰敏感度测量的要求。
三
发明内容
1、技术问题本实用新型主要针对现有技术的缺陷，提供一种体积小、输出功率大、能够模拟产生电能质量问题的大功率电能质量信号发生装置，用以对电能质量敏感设备进行测试或者与其它装置共同组成测试系统。
2、技术方案本实用新型的大功率电能质量信号发生装置，包括信号采集单元，信号处理单元和信号输出单元，其中，信号输入端分别按输入电压检测电路、输入LC滤波电路，输入LC滤波电路、输入电流检测电路、输入桥式单元、直流电容、输出桥式单元、输出电流检测电路、输出LC滤波电路顺序相串联连接，输出LC滤波电路的输出端为信号输出端，输出端还接输出电压检测电路；输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路、直流电压检测电路、输出电压检测电路的输出端接信号调理单元，信号调理单元的输出端接中央处理计算控制单元，中央处理计算控制单元的输出端接驱动电路，驱动电路的输出端分别接输入桥式单元、输出桥式单元。
输入桥式单元由四只晶体管和四只二极管组成一个桥式单元的单位功率因数整流器，每个桥臂上的二极管两段分别并接一只晶体管的发射极和集电极。
输出桥式单元由四只二极管组成一个桥式单元的单相桥式逆变器，每个桥臂上的二极管两段分别并接一只晶体管的发射极和集电极。
信号调理单元的5个信号输入端分别为5个运算放大器的输入端，分别对应接输入电压检测电路的输出端、输入电流检测电路的输出端、输出电流检测电路的输出端、直流电压检测电路的输出端、输出电压检测电路的输出端；信号调理单元的输出端接中央处理计算控制单元，中央处理计算控制单元的输出端分别接驱动电路的输入端；驱动电路的4个输出分别接输入桥式单元中4个晶体管的基极，驱动电路中的另外4个输出端分别接输出桥式单元中的4个晶体管的基极。
本实用新型的大功率电能质量信号发生装置，包括给定输入单元、两个由全控型电力电子器件(MOSFET、IPM、IGBT、IGCT或GTO)组成的背靠背桥式变换器通过直流电容连接的主电路单元以及可根据给定输入指令，计算控制主电路各电力电子器件的脉宽调制信号，实现由给定输入单元指示的电能质量信号发生功能的计算控制单元。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，还包括连接在所述主电路输入、输出端的LC交流滤波单元、输入、输出交流电流检测单元、交流电压检测单元、用于测量所述主电路直流电容电压的直流电压检测单元、所述交流电流检测单元、交流电压检测单元及直流电压检测单元的输出信号经过信号调理单元送入计算控制单元以及由计算控制单元输出的开关量输出单元和送入计算控制单元的开关量输入单元。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，所述的计算控制单元包括内部集成程序存储器FLASH ROM、数据存储器SRAM、模数转换器A/D、脉宽调制信号输出PWM、输入输出接口I/O的数字信号处理器DSP(TMS320LF2000系列或AD-2199X系列)、可编程逻辑器件CPLD(EPM7000系列)、存储于数字信号处理器中的控制软件、经过控制软件计算的脉宽调制信号经过可编程逻辑器件输入到驱动电路(EXB841、TLP250、M57962)去控制各电力电子器件。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，所述的给定输入单元可由4种方式设定，包括通过RS232，USB通信接口单元来传送计算机软件的设置、用键盘和液晶显示人机接口单元输入给定信号、用预先存储在外部数据存储器的波形和由模拟信号单元输入的外部模拟信号作为给定。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，所述的主电路输入桥式单元工作于单位功率因数整流器状态，采用直接电流控制方法，这种方法首先将检测的直流电容电压与给定的直流电容电压比较，其差值经过PI调节器作为输入交流电流幅值的参考值，然后乘上与输入电压同相的正弦波信号得到参考电流信号，该参考电流信号和实际交流电流信号相比较后产生电流的误差信号，再通过滞环控制产生对应的脉宽调制信号，最后经驱动电路对功率器件进行控制，以实现交流变直流和输入高功率因数的功能，并能实现能量双向流动。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，所述的主电路输出桥式单元工作于逆变状态，采用正弦波脉宽调制SPWM控制方法，这种方法用给定信号与高频三角波交截，当给定信号幅值大于三角波时，控制电路产生高电平信号，去控制输出桥式单元一对对角的开关管导通，另一对截止；当正弦波幅值小于三角波时，则相反，这样产生的高频调制信号经LC低通滤波后将高频分量滤除，即得到与给定信号相同的输出电压。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，所述的主电路输入、输出桥式单元采用的直接电流控制和正弦波脉宽调制SPWM控制方法，均由存储于计算控制单元中的软件实现。
在本实用新型所述的大功率电能质量信号发生装置中，所述的给定信号既可以是电压的骤升、骤降、短时断电、过电压、欠电压、谐波、闪变、不对称，也可以是方波、三角波或者其它信号。
3、有益效果综上所述，本实用新型基于现代电力电子技术、计算机技术，具有输出功率大、体积小、功能全面、能模拟各种类型的电能质量问题，如电压闪变、骤升、骤降、短时断电、过电压、欠电压、谐波、闪变、不对称、方波、三角波或者其它信号，可以广泛应用于工业生产、科学研究中对设备进行检测，也可以同其他设备共同构成测试系统。
四

图1是本实用新型的电路结构框图；其中有输入电压检测电路1、输入LC交流滤波电路2、输入电流检测电路3、输入桥式单元4、直流电容5、输出桥式单元6、输出电流检测电路7、输出LC滤波电路8、驱动电路9、直流电压检测电路10、输出电压检测电路11、信号调理单元12、中央处理计算控制单元13。
图2是本实用新型的单相电路示意图；图3是输入桥式单元4(单位功率因数整流器)控制原理示意图；图4是单位功率因数整流器运行实验波形；图5是正弦波脉宽调制技术原理示意图；图6是给定信号为三角波时的波形；图7是给定信号为电压骤升骤降时的波形；图8是给定信号为大范围电压波动时的波形。
五具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。
本实用新型的大功率电能质量信号发生装置，包括信号采集单元，信号处理单元和信号输出单元，信号输入端In分别按输入电压检测电路1、输入LC滤波电路2，输入LC滤波电路2、输入电流检测电路3、输入桥式单元4、直流电容5、输出桥式单元6、输出电流检测电路7、输出LC滤波电路8顺序相串联连接，输出LC滤波电路8的输出端为信号输出端out，输出端out还接输出电压检测电路11；输入电压检测电路1、输入电流检测电路3、输出电流检测电路7、直流电压检测电路10、输出电压检测电路11的输出端接信号调理单元12，信号调理单元12的输出端接中央处理计算控制单元13，中央处理计算控制单元13的输出端接驱动电路9，驱动电路9的输出端分别接输入桥式单元4、输出桥式单元6。输入桥式单元4由四只晶体管和四只二极管组成一个桥式单元的单位功率因数整流器，每个桥臂上的二极管两段分别并接一只晶体管的发射极和集电极。输出桥式单元6由四只二极管组成一个桥式单元的单相桥式逆变器，每个桥臂上的二极管两段分别并接一只晶体管的发射极和集电极。信号调理单元12的5个信号输入端分别为5个运算放大器的输入端，分别对应接输入电压检测电路1的输出端Vin、输入电流检测电路3的输出端Iin、输出电流检测电路7的输出端Iout、直流电压检测电路10的输出端Vdc、输出电压检测电路11的输出端Vout；信号调理单元12的输出端接中央处理计算控制单元13，中央处理计算控制单元(13)的输出端分别接驱动电路9的输入端P1~P8；驱动电路9的4个输出端Q1b、Q1e~Q4b、Q4e分别接输入桥式单元4中4个晶体管的基极，驱动电路9中的另外4个输出端Q5b、Q5e~Q8b、Q8e分别接输出桥式单元6中的4个晶体管的基极。其中输入、输出LC交流滤波电路2、7是为了滤除电力电子器件开通、关断时产生的高频分量。单位功率因数整流器4和单相桥式逆变器6由大功率电力电子器件(MOSFET、IPM、IGBT、IGCT或GTO)组成，因而可以实现大功率的输出。驱动电路9可用集成驱动芯片，如EXB841、TLP250或M57962完成。RS232、USB通信接口单元12功能可由专用芯片实现，如MAX232、AN2131。信号调理单元18的主要作用是将输入电压检测电路1、输入电流检测电路3、输出电流检测电路7、直流电压检测电路10及输出电压检测电路11输出的电压信号转换为计算控制单元17可接受的范围内送入计算控制单元17，可以采用运算放大器(LM324、OP07、TL074)实现信号调理功能。计算控制单元17包括内部集成程序存储器FLASH ROM、数据存储器SRAM、模数转换器A/D、脉宽调制信号输出PWM、输入输出接口I/O的数字信号处理器DSP(TMS320LF2000系列或AD-2199X系列)、可编程逻辑器件CPLD(EPM7000系列)、存储于数字信号处理器中的控制软件。开关量输入单元19的作用是将外部设备的开关信息传送到计算控制单元17，可以采用光耦(6N136、6N137、TLP-541)进行隔离。开关量输出单元20的作用是将计算控制单元17输出开关量信号的变化通知外部设备。通过开关量输入单元19以及开关量输出单元20与外部设备传递开关量信息，可以与外部设备共同组成测试系统联合运行。
本实用新型的运行过程如下首先由通过装置本身的键盘和显示人机接口模块、RS232、USB接口，预先存储在外部数据存储器或者模拟信号接口输入的参考值作为给定，与送到计算控制单元的输入电压、电流、直流电容电压、输出电压、电流信号经过存储于数字信号处理器中的控制软件计算得出输入输出桥式单元各电力电子器件的脉宽调制信号，经由驱动电路控制逆变器按给定方式运行并实现单位功率因数整流器的高功率因数功能。
图3是本实用新型单位功率因数整流器控制原理示意图。控制系统由双闭环构成，外环为电压环，内环为电流环。直流电压参考信号U*dc和实际直流电压Udc比较后送入PI调节器，外环的PI调节器的输出为一直流电流指令信号id，id的大小和整流器交流输入电流的幅值成正比；id乘以与输入电压同相的参考正弦波信号，得到与输入电压同相位的正弦指令信号i*d；该指令信号和实际交流电流信号相比较后产生三相电流的误差信号，再通过滞环控制产生对应的开关信号，最后通过驱动电路对功率器件进行控制，从而使实际交流输入电流在很小的误差范围之内跟踪指令值，实现单位功率因数整流器的高功率因数功能。
图1中贯穿主电路的箭头实线表明功率传送方向是从电源至负荷，虚线箭头表明功率传送方向也可以是从负荷至电源，即能实现能量的双向流动。这是由单位功率因数整流器控制方法决定的，当直流电压参考信号U*dc大于实际直流电压Udc时，比较器输出为正，那么参考电流信号为与输入电压同相，本实用新型所述的单位功率因数整流器吸收功率；当直流电压参考信号U*dc小于实际直流电压Udc时，比较器输出为负，则参考电流信号为与输入电压反相，本实用新型所述的单位功率因数整流器放出功率。因此，本实用新型能实现能量的双向流动。
图4是本实用新型单位功率因数整流器启动运行的实验波形，上图为输入电压波形，下图为电流波形，可以看到输入电流为正弦波而且与电压同相位，实现了高功率因数控制，避免了装置本身对电网的谐波污染。
图5是本实用新型逆变器采用的正弦波脉宽调制SPWM控制原理。这种方法采用给定信号与高频三角波交截，当给定信号幅值大于三角波时，控制电路发出高电平信号，去控制逆变器对角的一对开关管(Q6、Q7)的导通，另一对开关管(Q5、Q8)截止；当给定信号幅值小于三角波时，则相反，这样在逆变器输出端就产生了高频变化的调制信号，经LC低通滤波后将高频分量滤除，即得到需要的电压。给定电压信号既可以是电压的骤升、骤降、短时断电、过电压、欠电压、谐波、闪变、不对称，也可以是方波、三角波或者其它信号，用上述不同的信号与高频三角波交截就可以产生不同的调制波形，经LC低通滤波后得到所需电压。图6、7、8分别是本实用新型的给定信号为模拟三角波、电压骤升骤降和大范围电压波动时，给定信号与输出电压的波形，上图是给定信号，下图是本使用新型的输出电压，可以看到输出电压很好地跟随了输入给定电压的变化。
以上只是本实用新型的单相实施例，也可以由三个单相的电路组成三相电路或者将多个单相电路并联增加输出功率；也可以用三相桥式电路替换单相逆变器和单位功率因数整流器形成三相大功率电能质量信号发生装置；由其它变换器，如多电平变换器、组合变换器组成的大功率电能质量信号发生装置也在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种大功率电能质量信号发生装置，包括信号采集单元，信号处理单元和信号输出单元，其特征在于信号输入端(In)分别按输入电压检测电路(1)、输入LC滤波电路(2)，输入LC滤波电路(2)、输入电流检测电路(3)、输入桥式单元(4)、直流电容(5)、输出桥式单元(6)、输出电流检测电路(7)、输出LC滤波电路(8)顺序相串联连接，输出LC滤波电路(8)的输出端为信号输出端(out)，输出端(out)还接输出电压检测电路(11)；输入电压检测电路(1)、输入电流检测电路(3)、输出电流检测电路(7)、直流电压检测电路(10)、输出电压检测电路(11)的输出端接信号调理单元(12)，信号调理单元(12)的输出端接中央处理计算控制单元(13)，中央处理计算控制单元(13)的输出端接驱动电路(9)，驱动电路(9)的输出端分别接输入桥式单元(4)、输出桥式单元(6)。
2.根据权利要求1所述的大功率电能质量信号发生装置，其特征在于输入桥式单元(4)由四只晶体管和四只二极管组成一个桥式单元的单位功率因数整流器，每个桥臂上的二极管两段分别并接一只晶体管的发射极和集电极。
3.根据权利要求1所述的大功率电能质量信号发生装置，其特征在于输出桥式单元(6)由四只二极管组成一个桥式单元的单相桥式逆变器，每个桥臂上的二极管两段分别并接一只晶体管的发射极和集电极。
4.根据权利要求1或2或3所述的大功率电能质量信号发生装置，其特征在于信号调理单元(12)的5个信号输入端分别为5个运算放大器的输入端，分别对应接输入电压检测电路(1)的输出端(Vin)、输入电流检测电路(3)的输出端(Iin)、输出电流检测电路(7)的输出端(Iout)、直流电压检测电路(10)的输出端(Vdc)、输出电压检测电路(11)的输出端(Vout)；信号调理单元(12)的输出端接中央处理计算控制单元(13)，中央处理计算控制单元(13)的输出端分别接驱动电路(9)的输入端(P1~P8)；驱动电路(9)的4个输出端(Q1b、Q1e~Q4b、Q4e)分别接输入桥式单元(4)中4个晶体管的基极，驱动电路(9)中的另外4个输出端(Q5b、Q5e~Q8b、Q8e)分别接输出桥式单元(6)中的4个晶体管的基极。
专利摘要大功率电能质量信号发生装置涉及一种能够对电能质量敏感设备进行测试的装置，包括信号采集单元，信号处理单元和信号输出单元，其特征在于信号输入端In分别按输入电压检测电路、输入LC滤波电路，输入LC滤波电路、输入电流检测电路、输入桥式单元、直流电容、输出桥式单元、输出电流检测电路、输出LC滤波电路顺序相串联连接，输出LC滤波电路的输出端为信号输出端out，输出端还接输出电压检测电路；输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路、直流电压检测电路、输出电压检测电路的输出端接信号调理单元，信号调理单元的输出端接中央处理计算控制单元，中央处理计算控制单元的输出端接驱动电路，驱动电路的输出端分别接输入桥式单元、输出桥式单元。
文档编号G06G7/00GK2639903SQ0327743
公开日2004年9月8日 申请日期2003年8月7日 优先权日2003年8月7日
发明者赵剑锋, 王浔, 潘诗锋 申请人:东南大学