應(yīng)用于電源測試的非線性電子負(fù)載設(shè)計

于自溪，謝 岳

（中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

應(yīng)用于電源測試的非線性電子負(fù)載設(shè)計

于自溪，謝 岳

（中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

交流電源進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能測試時，通常采用電阻及整流橋等搭建非線性負(fù)載，但存在參數(shù)調(diào)節(jié)不便、自動化程度低等缺點(diǎn)。設(shè)計了一種負(fù)載參數(shù)可以靈活調(diào)節(jié)的非線性電子負(fù)載。通過分析國標(biāo)GB/T7260.3-2003規(guī)定的基準(zhǔn)非線性負(fù)載的電壓和電流關(guān)系，提出了一種生成非線性負(fù)載目標(biāo)電流的數(shù)值算法。采用數(shù)字滯環(huán)電流控制技術(shù)，使電子負(fù)載對被測試電源呈現(xiàn)出設(shè)定的非線性阻抗特性，并通過脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)了等效輸出功率的調(diào)節(jié)。搭建了基于STM32F103控制器的1.5 kVA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性與正確性。

非線性電子負(fù)載；電源測試；數(shù)值算法；滯環(huán)電流控制；STM32F103

0 引言

隨著具有非線性特性的電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電流諧波給電源帶來輸出電壓失真和負(fù)載效應(yīng)問題越來越不容忽視，故電源出廠前要進(jìn)行非線性帶載能力測試以評價電源的穩(wěn)態(tài)性能[1]。傳統(tǒng)的非線性負(fù)載由整流橋和耗能電阻等無源器件搭建，其裝置自動化程度低，參數(shù)不易調(diào)節(jié)。而電子負(fù)載具有體積小、阻抗不受溫度影響等優(yōu)點(diǎn)，通過改變電流指令可以實(shí)現(xiàn)對模擬負(fù)載性質(zhì)和大小的靈活調(diào)節(jié)[2-3]。電子負(fù)載對非線性負(fù)載模擬的難點(diǎn)在于非線性目標(biāo)電流的生成[4]，而目前對這方面的研究較少。文獻(xiàn)[5]通過將周期電流函數(shù)用傅里葉級數(shù)展開，求解出各次電流諧波的幅值和相位，能夠精確再現(xiàn)出非線性負(fù)載的電流波形，但該方法計算繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]利用CORDIC算法結(jié)合插值算法求解整流電路導(dǎo)通角和關(guān)斷角，但該方法占用大量RAM，不利于提高計算速度，目前只有相應(yīng)的仿真研究。文獻(xiàn)[7]將單相不可控整流電路輸入電流的斷續(xù)狀態(tài)等效為非線性系統(tǒng)中的死區(qū)效應(yīng)，建立了非線性負(fù)載電流指令映射關(guān)系表，通過查表實(shí)現(xiàn)對開關(guān)器件的觸發(fā)，但該方法不能反映電源的動態(tài)變化。

針對上述問題，本文提出一種根據(jù)被測電源電壓實(shí)時求解非線性負(fù)載目標(biāo)電流的數(shù)值算法，算法產(chǎn)生的目標(biāo)電流和被測電源電壓的關(guān)系滿足國標(biāo) GB/T7260.3-2003規(guī)定的非線性負(fù)載的阻抗特性[8]。通過數(shù)字滯環(huán)電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載輸入電流對目標(biāo)電流的快速跟蹤，并搭建了一臺基于STM32F103控制器的1.5 kVA非線性電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電子負(fù)載對基準(zhǔn)非線性負(fù)載的可靠模擬，同時驗(yàn)證了算法的可行性。

1 基準(zhǔn)非線性負(fù)載模型分析

國標(biāo)GB/T7260.3-2003規(guī)定的單相基準(zhǔn)非線性負(fù)載電路如圖1所示，該非線性負(fù)載由一個二極管整流橋及輸出端電容、電阻并聯(lián)電路組成，其中uin為被測試電源電壓，r為串聯(lián)線性電阻，K1～K4為整流二極管，C為穩(wěn)壓電容，R為調(diào)節(jié)負(fù)載輸出功率的滑動電阻，i1為負(fù)載電流，i2為二極管整流電流。國標(biāo)規(guī)定，被測試電源的測試條件滿足額定電壓和額定功率時，電路參數(shù)的取值按下述方法計算：C=7.5/fR，其中 Uin，S，f分別為被測試電源的額定電壓有效值、額定視在功率及工作頻率；UC為直流電容電壓平均值。

圖1 基準(zhǔn)非線性負(fù)載

忽略二極管的導(dǎo)通壓降，對基準(zhǔn)非線性負(fù)載進(jìn)行分析。設(shè)Q為二極管的導(dǎo)通函數(shù)，當(dāng) uin≥UC時，K1、K4導(dǎo)通，Q=1；當(dāng) uin≤-UC，K2、K3導(dǎo)通，Q=-1；當(dāng)|uin|＜UC時，K1～K4均不導(dǎo)通，Q=0。取整流電流 i2和電容電壓 UC作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，當(dāng)非線性負(fù)載進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，可得電路的狀態(tài)方程為：

由上式可知，基準(zhǔn)非線性負(fù)載輸入電流存在斷續(xù)狀態(tài)，其對電源呈現(xiàn)的阻抗特性隨電壓瞬時值而變化。

2 單相非線性電子負(fù)載模型分析

單相非線性電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中uin為被測試電源電壓，iL為電子負(fù)載的輸入電流，Udc為直流母線電壓，功率MOSFET管V1～V4及續(xù)流二極管 D1～D4共同組成了橋式電路的四個橋臂，L為電子負(fù)載的輸入電感，它用于儲能和濾波，CD為電子負(fù)載的輸出穩(wěn)壓電容，其后端連接能量轉(zhuǎn)換模塊。對于能量回饋型電子負(fù)載，該能量轉(zhuǎn)換模塊為DC/AC并網(wǎng)逆變器，一般以單位功率因數(shù)運(yùn)行向電網(wǎng)回饋電能；對于能量消耗型電子負(fù)載，能量轉(zhuǎn)換模塊為耗能電阻。

圖2 非線性電子負(fù)載結(jié)構(gòu)

非線性電子負(fù)載主要用來實(shí)現(xiàn)輸入電流iL與被測電源電壓 uin之間規(guī)定的關(guān)系 iL=f(uin)。取圖1中基準(zhǔn)非線性負(fù)載電流 i1作為電子負(fù)載的目標(biāo)電流，的生成采用數(shù)值計算的方法。將式(1)和式(2)離散化，在每個周期內(nèi)以時間間隔 ΔT對電源電壓 uin和電感電流iL采樣N次。當(dāng)Q=1時，有：

式中 uin(n)為電源電壓在第 n個時刻的采樣值，i2(n)、UC(n)分別為直流電流、直流電容電壓在第 n個時刻的計算值，i1(n)為目標(biāo)電流。從而可以得到：

同理，Q=-1時，有：

Q=0時，i1(n)=0。

在目標(biāo)電流的具體生成過程中，先對被測試電源電壓uin進(jìn)行采樣，把|uin|等于1.22Uin時刻記為 0時刻，此時滿足|uin(0)|=UC(0)=1.22Uin。在下一個采樣中斷中，根據(jù)電壓特性，將 uin(1)和 UC(0)代入式(4)或式(5)得到(1)和 UC(1)。同理，可得第 k個采樣時刻的(k)和 UC(k)。當(dāng)被測電源電壓的采樣值|uin(u)|小于直流電容電壓計算值UC(n)時，令 i1(n)=(n)=0，UC(n)=1.22Uin。當(dāng)采樣速度較高時，不僅可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精確采樣，同時也保證生成的目標(biāo)電流對被測電源電壓的實(shí)時跟蹤響應(yīng)，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

3 非線性電子負(fù)載的控制

3.1 輸入電流的控制

通常電子負(fù)載對目標(biāo)電流指令采用單電流環(huán)控制，使電子負(fù)載對被測電源呈現(xiàn)出設(shè)定的iL=f(uin)負(fù)載特性。滯環(huán)電流控制以反饋電流作為控制對象，當(dāng)功率管的開關(guān)頻率較高時，能使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和快速性。這里選擇單極性數(shù)字滯環(huán)控制方法對電子負(fù)載的輸入電流iL進(jìn)行控制，首先對輸入電流 iL采樣，將 iL與非線性負(fù)載目標(biāo)電流(n)做差，其差值送入放大系數(shù)為 KP的比例環(huán)節(jié)，得到放大后的電流誤差ΔI(n)：

將ΔI(n)與數(shù)字滯環(huán)的上、下限+H和-H進(jìn)行比較，當(dāng)uin＞0時，如果 ΔI(n)＞+H，導(dǎo)通 V1、V4，關(guān)閉V2、V3使 iL下降；如果 ΔI(n)＜-H，導(dǎo)通 V3、V4，關(guān)閉 V1、V2使 iL上升。當(dāng) uin＜0時，如果 ΔI(n)＞+H，導(dǎo)通 V3、V4，關(guān)閉 V1、V2使 iL下降；如果 ΔI(n)＜-H，導(dǎo)通 V2、V3，關(guān)閉 V1、V4使 iL上升。當(dāng)-H＜ΔI(n)＜+H時，驅(qū)動輸出保持不變，數(shù)字滯環(huán)控制方法如圖3所示。

圖3 數(shù)字滯環(huán)電流控框圖

與模擬滯環(huán)電流控制方法相比，數(shù)字滯環(huán)電流控制具有算法簡單，不需要比較器、觸發(fā)器和控制開關(guān)等模擬器件的優(yōu)點(diǎn)。而且控制器輸出指令只在中斷期間更新，能起到限制開關(guān)頻率的控制效果。

3.2 直流母線電壓的控制

電子負(fù)載正常工作的條件是直流電容電壓Udc大于輸入電壓的幅值。在圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng) uin＞0時，V3，D4，D1，L，CD組成了一個 Boost升壓結(jié)構(gòu)；當(dāng) uin＜0時，V4，D3，D2，L，CD組成另一個 Boost升壓結(jié)構(gòu)。若控制不當(dāng)，Udc可能比交流電壓峰值高出很多，威脅到開關(guān)管的安全運(yùn)行；若Udc低于交流電壓峰值，則不能實(shí)現(xiàn)對iL的有效控制。對于能量消耗型非線性電子負(fù)載，被測試電源發(fā)出的電能在電阻上轉(zhuǎn)換為熱能釋放，據(jù)此設(shè)計了直流母線電壓控制電路，如圖4所示。

圖4 直流母線電容電壓控電路

將Udc采樣并與基準(zhǔn)電壓比較，電壓誤差經(jīng)過比例調(diào)節(jié)器KU放大后與三角波交截。當(dāng)直流電容Udc高于基準(zhǔn)電壓時，增大控制開關(guān) T的導(dǎo)通占空比，CD對 RL進(jìn)行放電，直流側(cè)等效輸出功率增加，Udc下降；當(dāng)直流電容Udc低于基準(zhǔn)電壓時，減少T的導(dǎo)通占空比，輸出端對CD進(jìn)行儲能，直流側(cè)等效輸出功率降低，Udc升高。輸入功率與電阻能耗功率平衡時，直流電壓穩(wěn)定在參考值。

3.3 微控制器軟件設(shè)計

控制器采用STM32F103，其片上有3個12位的ADC模塊，可同時對16個模擬通道進(jìn)行采樣，最高采樣頻率可達(dá)1 MHz。對非線性電子負(fù)載目標(biāo)電流和直流母線電壓的控制主要由STM32F103的 TIM模塊、ADC模塊和DMA中斷功能配合完成。目標(biāo)電流合成及輸出控制流程圖如圖5所示。

圖5 目標(biāo)電流生成和控制流程圖

系統(tǒng)初始化完成后，設(shè)置 TIM工作在100 kHz的循環(huán)計數(shù)模式，TIM計滿產(chǎn)生溢出中斷并使能ADC對 uin、iL和Udc的單次采樣。采樣完成后，數(shù)據(jù)通過 DMA模塊傳輸至內(nèi)存，產(chǎn)生DMA中斷，在DMA中斷子程序里，完成目標(biāo)電流合成、誤差計算、滯環(huán)電流控制信號生成、脈寬計算、更新比較寄存器等操作。中斷程序執(zhí)行完畢，清除DMA的中斷掛起標(biāo)志位。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方案的正確性，搭建了如圖6所示容量為1.5 kVA的單相交流非線性電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置，圖中 V1～V4、T均采用 400 V/10 A MOSFET功率開關(guān)器件IRF740。為了觀察非線性電子負(fù)載的模擬效果，同時還搭建了基準(zhǔn)非線性負(fù)載系統(tǒng)，設(shè)置兩系統(tǒng)的電路參數(shù)如表1所示，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 非線性電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖7(a)所示為基準(zhǔn)非線性負(fù)載的電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形，圖7(b)所示為單相非線性電子負(fù)載模擬基準(zhǔn)非線性負(fù)載的電壓、電流波形，圖7(c)所示為基準(zhǔn)非線性負(fù)載和非線性電子負(fù)載在并聯(lián)時的電流的對比圖，圖7(d)所示為被測交流電源電壓和非線性電子負(fù)載直流電容電壓的波形。由圖7(a)、(b)和(d)可知，非線性負(fù)載電流變化劇烈，由于系統(tǒng)存在線路電抗，諧波電流已經(jīng)導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生畸變，說明非線性負(fù)載對電源穩(wěn)定性的要求比線性負(fù)載更為嚴(yán)格，同時證明了本文提出的控制系統(tǒng)的良好穩(wěn)定性。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文在分析基準(zhǔn)非線性負(fù)載電壓、電流關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種應(yīng)用于電源穩(wěn)態(tài)測試的非線性電子負(fù)載。電子負(fù)載用數(shù)值算法產(chǎn)生目標(biāo)電流，通過數(shù)字電流滯環(huán)對電子負(fù)載輸入電流進(jìn)行控制，并利用脈寬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)對輸出功率的控制，同時搭建了基于STM32F103控制器的非線性電子負(fù)載試驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)字滯環(huán)電流控制技術(shù)能夠快速跟蹤非線性負(fù)載目標(biāo)電流，實(shí)現(xiàn)了電子負(fù)載對基準(zhǔn)非線性負(fù)載的模擬，具備一定的實(shí)用前景。

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Design of nonlinear electronic load for power supply test

Yu Zixi，Xie Yue
(College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Resistance and rectifier bridge are often used to build nonlinear load for the steady performance test of AC power supply,but this method has the drawbacks of inconvenience of parameters adjustment and low lever automation.Therefore,a nonlinear electronic load with good flexibility is designed.In this paper a reference current numerical algorithm is proposed by analyzing the voltage and current relations of the reference nonlinear load specified in the national standard GB/T7260.3-2003.The electronic load working as the desired nonlinear load to the power supply is realized by digital hysteresis current control,and the equivalent output power can be adjusted by pulse width modulation method.A 1.5 kVA prototype based on STM32F103 controller is set up. The feasibility and correctness of the proposed scheme is verified by experimental results.

nonlinear electronic load；power supply test；numerical algorithm；hysteresis current control；STM32F103

TM461

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.041

于自溪，謝岳.應(yīng)用于電源測試的非線性電子負(fù)載設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：147-150.

英文引用格式：Yu Zixi，Xie Yue.Design of nonlinear electronic load for power supply test[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：147-150.

2015-10-05)

于自溪(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動化控制裝置。