馈能式电子负载及其数字控制方法的研究

论文摘要

进入21世纪，电力电子技术迅速发展，各种电力电子装置应运而生，并广泛应用，如不间断电源、振动台驱动电源、电力有源滤波器、通信电源、静态无功补偿器、交流稳压电源、蓄电池等。特性测试试验对于这些电力电子装置在出厂时都是必不可少的程序，如输出特性试验、老化放电试验等，以检验其各种性能和技术指标。传统测试方法一般是采用静态负载如电阻、电容、电感等物理负载进行串联或并联的组合。使用这些负载进行测试时存在诸多的问题与缺点：首先，根据不同的性能指标需要准备大量的静态负载，投资较大，缺乏灵活性；其次，传统负载较为单一，无法模拟特殊负载，如恒压负载、恒流负载、恒功率负载、非线性负载等；第三，待测电源能量全部被消耗在负载上，造成能源浪费，且需要较高要求的散热装置，不适合大功率试验。因此需要一种新型测试装置来克服以上问题。电子负载是一种可克服上述传统负载缺点的电力电子装置，是计算机控制技术、自动化技术及电力电子技术的综合应用。它能够方便地实现对各种负载的模拟，灵活性较强；同时可将吸收的能量无污染地回馈电网，节约电能，其损耗仅为线路损耗和PWM变换器的开关损耗，适合大功率试验。因此，馈能式电子负载已成为实验室和电源生产企业的研究热点，并且具有广阔的市场前景。本文首先阐述了馈能式电子负载的总体实现方案，以AC-DC-AC双PWM变换器作为主电路拓扑，分析了PWM整流侧对任意负载模型的模拟原理、PWM逆变侧的单位功率因数能量回馈和稳定直流母线电压原理及系统启动方案，并对主电路中电容、电感、功率开关管等参数进行设计。然后给出了控制系统的原理框图和数字化设计方案，包括电压电流检测模块、驱动模块、系统数字控制模块等。最后搭建了实验平台对系统方案予以验证并得到较为理想结果。结果表明，本文所阐述的馈能式电子负载方案能实现对任意负载模型进行准确模拟，也能实现将被测电源产生的能量回馈电网。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 电子负载概述
• 1.2 电子负载的研究意义及研究现状
• 1.2.1 电子负载的研究意义
• 1.2.2 电子负载的研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 2 馈能式电子负载的系统结构
• 2.1 电子负载的总体方案
• 2.2 电子负载运行原理
• 2.2.1 PWM整流器原理
• 2.2.2 负载模拟侧运行原理
• 2.2.3 能量回馈侧运行原理
• 2.3 启动方案
• 2.4 负载模型库和人机界面简介
• 2.5 本章小结
• 3 主电路设计
• 3.1 技术指标
• 3.2 整流侧电感设计
• 3.3 逆变侧滤波参数设计
• 3.4 直流侧电容设计
• 3.5 接触器及吸收电路
• 3.6 电感磁芯的选择
• 3.7 主电路开关器件的选择
• 3.8 变压器设计
• 3.9 本章小结
• 4 馈能式电子负载控制原理
• 4.1 引言
• 4.1.1 双PWM变换器的发展
• 4.1.2 双PWM变换器控制技术的发展
• 4.2 负载模拟侧指令产生原理
• 4.2.1 线性负载
• 4.2.2 非线性负载
• 4.3 三电平跟踪控制原理
• 4.3.1 单相电压型PWM整流器单极性调制方法
• 4.3.2 新型多电平滞环跟踪控制原理
• 4.3.3 单滞环双阈值比较方式
• 4.3.4 硬件电路设计
• 4.4 能量回馈侧控制原理简介
• 4.5 能量回馈侧控制策略
• 4.6 IGBT驱动模块与过流保护
• 4.7 电压电流检测模块
• 4.8 本章小结
• 5 数字控制系统及其实现
• 5.1 MAXⅡCPLD简介
• 5.2 STM32及MDK软件的介绍
• 5.3 系统数字化总体方案
• 5.4 负载模拟侧数字控制
• 5.5 整流侧相关模块设计
• 5.5.1 指令电流生成模块
• 5.5.2 上下阈值信号处理模块
• 5.5.3 四路信号分配模块
• 5.5.4 死区模块
• 5.6 本章小结
• 6 实验研究
• 6.1 实验平台介绍
• 6.2 开环实验调试结果
• 6.2.1 PWM整流侧
• 6.2.2 PWM逆变侧
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录