電子負(fù)載并網(wǎng)電路設(shè)計(jì)探索

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摘要：電子產(chǎn)品在投放市場(chǎng)之前需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量安全檢驗(yàn)，其中就包括各種工況模擬以及老化測(cè)試，使用傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅無(wú)法簡(jiǎn)單地模擬復(fù)雜的工況，還會(huì)消耗大量的能源，造成能源浪費(fèi)。為了解決靜態(tài)負(fù)載的各種缺陷，電子負(fù)載應(yīng)運(yùn)而生。主要對(duì)電子負(fù)載模擬的過(guò)程中并網(wǎng)逆變器這一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試所使用的直流電到交流電的轉(zhuǎn)換并回饋電網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：饋能型直流電子負(fù)載；并網(wǎng)；PI控制；閉環(huán)調(diào)節(jié)

1研究背景和意義

隨著技術(shù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子產(chǎn)品為人們的衣食住行帶來(lái)了極大的便利，如不間斷電源、干電池、通信電源、車(chē)載電源等。在生產(chǎn)這些電能設(shè)備時(shí)，都需要進(jìn)行包括老化測(cè)試、輸出特性測(cè)試在內(nèi)的各種測(cè)試，來(lái)確保產(chǎn)品可以達(dá)到市場(chǎng)所需的性能要求。最常見(jiàn)的是使用水泥電阻或者利用阻性、感性、容性負(fù)載的不同組合來(lái)模擬不同功率因數(shù)的工況。但是水泥電阻體積過(guò)大，而且會(huì)釋放很多熱量，造成工作環(huán)境的不適并消耗大量的電能。為了保證測(cè)試過(guò)程的便捷性、環(huán)保性，測(cè)試結(jié)果的精確性、可靠性，就需要使用電子負(fù)載來(lái)對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的負(fù)載形式進(jìn)行模擬。饋能型的電子負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)電能回收，將電能反饋回電網(wǎng)，既實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能的環(huán)保理念，又可以為企業(yè)降低生產(chǎn)測(cè)試成本。為了實(shí)現(xiàn)電能的反饋，就需要設(shè)計(jì)電子負(fù)載的并網(wǎng)逆變電路。電子負(fù)載結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。測(cè)試設(shè)備輸出的直流電首先進(jìn)行負(fù)載模擬，得到所需要的各項(xiàng)電能參數(shù)來(lái)判斷是否符合安全與質(zhì)量要求。之后經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為220V交流電回饋電網(wǎng)，以此來(lái)達(dá)到節(jié)省電能的目的。通過(guò)PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓的控制，以此間接地控制輸出電流的正弦波的質(zhì)量。本文著重介紹了電子負(fù)載并網(wǎng)電路的設(shè)計(jì)。

2并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

2.1逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路有半橋逆變電路與全橋逆變電路兩種不同的形式。圖2所示的全橋逆變電路，由S1、S2、S3、S4四個(gè)電力電子元器件組成。將S1和S4接入到同一個(gè)控制電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)，并且將控制電路的信號(hào)取反后接入到S2和S3。這樣就可以控制同一組橋臂在一個(gè)周期內(nèi)各導(dǎo)通半個(gè)周期。當(dāng)控制電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)傳遞到全橋逆變電路以后，在前半個(gè)周期內(nèi)，電流從Vdc的正極經(jīng)過(guò)S1再通過(guò)LC濾波電路，然后通過(guò)負(fù)載，從S4返回到直流電源的負(fù)極；在后半個(gè)周期內(nèi)，電流同樣從Vdc的正極出發(fā)，經(jīng)過(guò)S3以后進(jìn)入LC濾波電路，通過(guò)負(fù)載以后，由S2返回到直流電源Vdc的負(fù)極。與半橋逆變電路相比，全橋逆變電路雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是輸出的電壓幅值與直流側(cè)電源電壓一樣，是半橋逆變電路的兩倍，本文采用全橋逆變電路。由于電力電子元器件的開(kāi)關(guān)并不能夠瞬間完成，所以如果控制電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)在前半個(gè)周期控制S1和S4導(dǎo)通以后，在換路的瞬間S2和S3導(dǎo)通，同時(shí)S1和S4還沒(méi)有來(lái)得及關(guān)閉，就會(huì)造成四個(gè)元器件同時(shí)導(dǎo)通，所以需要插入一部分的0電壓部分，空出一部分的死區(qū)時(shí)間，來(lái)避免電路發(fā)生短路。這樣就可以做到在前半個(gè)周期結(jié)束以后，S1和S4兩個(gè)晶閘管有足夠的時(shí)間來(lái)完全關(guān)閉，然后在后半個(gè)周期的信號(hào)到來(lái)時(shí)，打開(kāi)S2和S3這一組晶閘管，這樣就保證了電路的可靠性和安全性。全橋逆變電路輸出電壓有效值：

2.2濾波電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是LC濾波電路，LC濾波又被稱(chēng)為倒L型濾波，是在信號(hào)抗干擾和電磁輻射方面比較常用的濾波電路，由一個(gè)電感和和一個(gè)電容組成，如圖3所示。與RC濾波電路相比，LC濾波電路可以通過(guò)的電流更大，可以達(dá)到幾十到幾百安培，而且LC濾波電路對(duì)高頻信號(hào)的濾波效果更好。單使用一個(gè)電感進(jìn)行濾波時(shí)，它的傳遞函數(shù)為：LC濾波電路的傳遞函數(shù)為震蕩環(huán)節(jié)，在轉(zhuǎn)折頻率之后的信號(hào)為-40dB的衰減，相較于只加一個(gè)電感的慣性環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)為-20dB的衰減，震蕩環(huán)節(jié)的斜率更大，所以對(duì)轉(zhuǎn)折頻率之后的信號(hào)衰減的能力更強(qiáng)。LC濾波電路的截止頻率公式為：三角波設(shè)置的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，為了濾除開(kāi)關(guān)頻率100kHz的諧波，LC濾波器的截止頻率必須遠(yuǎn)低于100kHz，這里設(shè)置為10μF，截止頻率為：

3PI控制器設(shè)計(jì)

為了使逆變器輸出的電壓在一定程度上不受外界因素的影響，就需要加入反饋電路，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PI控制是在控制領(lǐng)域使用比較廣泛的控制算法之一。在輸入端給定一個(gè)期望值，在輸出端用傳感器來(lái)測(cè)得一個(gè)實(shí)際的數(shù)值，經(jīng)過(guò)比較以后可以得到一個(gè)偏差，通過(guò)偏差對(duì)輸入進(jìn)行PI控制，設(shè)計(jì)合適的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)定。電壓?jiǎn)伍]環(huán)逆變電路的系統(tǒng)框圖如圖4所示：PI連續(xù)控制的公式如下所示：其中，err（t）為系統(tǒng)測(cè)得的偏差，偏差加上偏差的積分乘上一個(gè)比例系數(shù)，就構(gòu)成了PI的連續(xù)控制公式。Ti控制的是積分項(xiàng)的占比。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部都是數(shù)字信號(hào)工作，所以連續(xù)的公式是無(wú)法直接使用的，加入采樣周期T以后，公式就如下所示：通過(guò)試湊法來(lái)確定比例系數(shù)和積分系數(shù)分別為Kp=0.8，Ki=0.003。

4仿真驗(yàn)證

通過(guò)Simulink對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先用Mosfet搭建逆變橋，利用Goto和From模塊將SPWM與逆變橋連接，直接輸出的SPWM波形設(shè)置為G1，連接到第一個(gè)橋臂的上管與第二個(gè)橋臂的下管；取反以后輸出的SPWM波形設(shè)置為G2，連接到第一個(gè)橋臂的下管與第二個(gè)橋臂的上管，保證對(duì)稱(chēng)的晶體管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷。繼續(xù)加入RMS模塊，將基波三角波頻率設(shè)置為50Hz，調(diào)制波正弦波的幅值設(shè)置為1，改變?yōu)閱挝徽也?。然后加入PI控制器，將PI控制器的輸出飽和值設(shè)置在0~1之間。通過(guò)Product模塊做乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)改變正弦波的幅值。放置一個(gè)給定電壓220V，將RMS的輸出電壓作為反饋，與給定進(jìn)行比較，送入PI控制器中。電路仿真模型如圖5所示：通過(guò)觀察圖6的輸出電壓值，可以看到通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的作用，輸出電壓有效值在0.1s后穩(wěn)定在工頻電壓220V。從圖7可以看到，經(jīng)過(guò)逆變電路以后可以得到比較平滑的正弦交流電波形，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。5結(jié)束語(yǔ)電子負(fù)載有傳統(tǒng)靜態(tài)負(fù)載所不具備的多種優(yōu)勢(shì)，如體積小、發(fā)熱低、安全性高、能源利用率高效等。隨著時(shí)代的進(jìn)步以及人們節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，能饋式電子負(fù)載必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜態(tài)負(fù)載。本文主要對(duì)電子負(fù)載的并網(wǎng)電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，以Mosfet構(gòu)成全橋逆變電路，將直流負(fù)載模擬部分的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娀仞侂娋W(wǎng)，通過(guò)Simlink仿真驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的功能。

作者:吳陳 朱永光 李彥林 單位:泰州學(xué)院