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菠菜圈交流电子负载的发展过程及展望


时间:2019-07-01 08:36

  交流电源在研发生产过程中或产品出厂前都需要进行负载试验以检验电源的电气性能和输出能力。目前,电源试验和性能检测一般都是通过无源负载进行的。无源负载包括阻性负载、感性负载、容性负载以及阻感容混合负载等。无源负载在电源试验中,有功电能均通过阻性负载消耗,能耗大、发热量大、稳定性差,并且还存在负载调节不便等缺点。

  交流电子负载是指能模拟真实负载某些特性的电子设备,它不仅可模拟不同数值的电阻、电感、电容及它们的组合,而且对于非线性负载的某些特性也可模拟。电子负载通过控制输入电流达到模拟各种负载的目的,具有调节方便、通用性强、精度高、稳定性好等优点,是电源试验测试用负载的发展方向。

  交流电子负载又分为能量消耗型和能量回馈型两类,由于输入电流受控,两者均具有电子负载模拟功能强、控制精度高的优点。但能量消耗型电子负载从电源吸收的有功电能仍须通过电阻消耗,而能量回馈电网型电子负载与它的区别在于:一方面,它从被试电源吸收的电能可最大量的为被试电源循环使用,损耗仅仅是变流器的开关损耗和线路损耗,从而最大限度地节约了电能;另一方面,由于所采用的PWM变流器工作在开关状态,与一般工作在放大状态的电子负载相比它可很容易地实现大功率应用的要求,因而具有更广阔的应用领域。

  能量回馈型电子负载的关键技术是无污染回馈电网技术和负载电流特性模拟技术。目前,采用晶闸管有源逆变回馈电网的技术在国内是成熟技术,该技术在绕线式交流异步电机串级调速、直流电动机四象限调速运行等领域已经得到广泛应用;在电子负载应用方面,也已用于蓄电池生产过程中的极板化成放电和电池放电。但存在回馈电网的电流谐波大、功率因数低等缺点,对电网形成污染,限制了它的推广应用。

  针对UPS老化测试的交流电子负载的学术研究已有10余年[1-8]。最初的方案[1-2]相当于在UPS和电网间串入一受控电压源,通过改变受控电压源的电压幅值和相位,使有功能量可返回电网。这种控制方案类似于电压源并入电网,控制策略复杂而且有功和无功控制不解耦。

  文献[3-6]提出的主电路结构与图1 相似,图1虚线框包围的部分为交流电子负载,AC/DC 部分为任意形式的整流器,其余部分实际为一PWM 整流

  器,只要直流母线电压高于电网电压峰值,并网电流IRE可位于任一象限。若将IRE控制为与电网电压相位相差180,有功能量可返回电网。由于IRE的给定为正弦信号,借助适当的控制策略,IRE的波形很接近正弦,但是UPS 的输入电流IIN若含有谐波,则电网电流IS也将含有谐波。对于大多数UPS而言,输入级为不控整流,从而可能导致IS含有大量谐波造成对电网的污染。

  文献[7-8]为解决电流谐波对电网的污染,提出将电网电流IS控制成正弦波。这相当于用电子负载的并网部分实现有源滤波器的功能,涉及到谐波的提取及补偿等方面的内容,须要大量的计算,实现起来很困难。为简化控制,菠菜圈在给定I RE为正弦信号时,将原并网电流IRE的反馈取为电网电流IS,强迫电网电流为正弦波形[7-8]。从给出的实验波形看,电网电流IS虽比原方案[3-6]的波形畸变小,但与标准正弦波形相差较多。

  文献[9]利用V/I转换电路实现电流放大器,从而具有负载模拟功能,分离元件很多、控制复杂、不易实现大功率应用。

  文献[10-17]采用PWM整流器作为主电路拓扑,利用PWM整流器可四象限运行的特性,控制输入电流使其与电源电压的相位差可调,从而实现模拟任意线给出了示意图,虚线框内为电子负载,直流母线贮存的能量被消耗掉或通过某种方式将有功能量返送回电网。

  文献[10,11,21]提出了针对非正弦波形的模拟方案,对跟踪非线性负载电流波形、阶跃电流波形等

  文献[18-21]提出了一种消除功率管开关引起的电流谐波的方案,在输入级增加了1 个电感和1个电容,如图3所示。通过将L1的电流、L2的电流和C1的电压引入控制系统中,使开关频率次谐波电流经电容泄放,而L1上只有基波电流通过。这种方案从理论上是可行的,但给出的实验结果没有与文献[10-17]的结果进行比较,实际效果不能确定。

  文献[11,17,21]提出了具有能量回馈功能的通用电子负载的设计方法,如图4所示。两个PWM 整流器共用一个直流侧电容,与被测电源相连的前级整流器工作在整流状态,与电网相连的后级整流器工作在逆变状态。前级控制器控制被测电源的输出电流,直流母线电压和并网电流的控制由后级控制器完成。在控制上,前后级是解耦的。这种方案在实现任意线性负载特性模拟功能的同时,有功能量以正弦电流的形式返送回电网,对电网污染很小。

  对于被测电源造成的谐波污染,此方案是无能为力的。这些文献针对的都是电压源定频定压的情况,对于被测电压源频率和幅值大范围变化的情况未作考虑,均采用传统PI 或PID 调节器,对于正弦信号,输出肯定有稳态误差。

  国外交流电子负载的生产厂商主要有HH(德国)、NHR(美国)、Chroma(美国生产)等。中国国内目前只有西安爱科电子有限公司从事交流电子负载的生产。

  现有的交流电子负载产品均能模拟阻性负载,工作方式都包含恒流和恒阻模式,输入电压频率范围为40~500Hz(略有差异)。德国HH的产品规格齐全,单机从0.7 ~ 5.2 kVA 共7 个等级,最小输入电压可达2 V(RMS),而且具有谐波模拟功能,最大可模拟9 次谐波(基波400 Hz、谐波含量30%)。NHR和Chroma 的产品性能类似,有恒功率、恒压和短路工作模式,可模拟整流负载。NHR仅有4600一种产品,单机功率3 kVA;Chroma 的63800 系列包括1.5 kVA和45 kVA共2个规格。国外产品均没有能量回馈功能和任意功率因数线性负载模拟功能。

  西安爱科的EL6200 单机功率3 kVA,有恒功率工作模式,可模拟整流负载。能量回馈功能使有功能量绝大部分返回电网且对电网无污染(效率80%,并网电流THD2%)。模拟正弦电流时,功率因数和电流有效值可设定,解决了同类产品只能模拟阻性负载的问题。各个公司产品性能及价格如表1所列。

  交流电子负载作为电源测试的重要手段,随着电源测试集成化、一体化的发展趋势,其重要性越来

  在能源短缺的今天,新能源利用和节约能源已引起了世界各国的高度重视。各类电源在进行各种实验时,尤其是老化试验时耗费大量电能,因此无污染地将能量回馈电网是电子负载发展的必然趋势。

  对于用户而言,电子负载和实际负载的差别是其关注的主要指标之一。基于功率开关的电气设备均会引入开关谐波,如何消除谐波使电子负载的电流波形更接近实际负载是亟待解决的问题。

  专门针对动态测试的电子负载也是未来的发展方向。一些电源须进行谐波负载实验,如何有效且准确地产生谐波电流源是现存的主要问题之一。对任意波形的模拟功能是电子负载研究的终极目标,要实现它,还有很长的路要走。