航空电源试验系统交流电子负载的研究

论文摘要

交流电子负载广泛应用于交流发电机、蓄电池、不间断电源和变压器的测试。它包括能馈式和耗能式两种。比较起来,能馈式交流电子可以节约大量能源,而耗能式交流电子负载适合在短时间、低功率的测试场合使用,比较灵活。本论文设计了一种耗能式交流电子负载。研究目的是使其能够模拟纯阻性负载和整流负载,并且实现三种主要功能——恒电流控制、恒电阻控制、恒功率控制。论文首先给出了交流电子负载的功率电路。该电路类似于一个中间直流环节的AC/AC变换器,主要包括二极管全桥整流器、IGBT全桥和耗能电阻。为了减小IGBT开关切换引起的电流尖峰脉冲,电路采用了由五个电容组成的IGBT缓冲电路,并使用了对称式的结构布局。另外,文中对比了四种缓冲电路对输入电流和输入电压的影响。随后,论文详细介绍了控制电路和数字控制方法。整个控制系统以DSP TMS320F2806为核心。DSP通过读取A/D转换器的转换结果获得当前输入电流和输入电压值,然后依据所设定的模式对这些数据进行处理,最终生成IGBT全桥的驱动信号。论文在正弦脉宽调制(SPWM—Sinusoidal Pulse Width Modulation)的基础上定义了指数化正弦脉宽调制(ESPWM—Exponential Sinusoidal PWM)用来实现对IGBT全桥的控制。这种控制方法通过设置不同的调制指数来调整输入电流的波形。电流有效值的控制采用了比例微分(PD)控制方法。最后,论文给出了实验数据表以及示波器显示的波形图。实验使用了一个调压器来测试交流电子负载的功能。实验结果表明,论文提出的交流电子负载在指定的电压范围内实现了恒电流、恒电阻、恒功率三个主要功能。另外,通过设置电流的死区时间以及在一定范围内对电流的移相控制实现了模拟整流负载的功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 论文的研究工作
• 1.3 论文的内容安排
• 1.4 电子负载的应用及分类
• 1.5 耗能式电子负载在国内外的研究与应用
• 1.5.1 平衡负载
• 1.5.2 模拟机械负载
• 1.5.3 直升机辅助电源测试
• 1.5.4 国内的几种应用
• 1.6 能馈式电子负载在国内外的研究与应用
• 1.6.1 光电电池的零电压放电
• 1.6.2 电力系统动态物理仿真
• 1.6.3 电源出厂检测
• 1.7 小结
• 第二章 交流电子负载的功率级电路
• 2.1 设计要求及整体设计构想
• 2.2 功能概述
• 2.2.1 恒电流模式
• 2.2.2 恒电阻模式
• 2.2.3 恒功率模式
• 2.2.4 整流负载模式
• 2.3 功率级电路的设计
• 2.4 功率电路的模态
• 2.5 功率电路中各元件的功能
• 2.5.1 IGBT 的结构和工作原理
• 2.5.2 IGBT 全桥的缓冲电路和对称布局
• 2.6 全桥驱动电路
• 2.6.1 半桥驱动芯片与IGBT 的连接
• 2.6.2 自举电容的容量计算
• 2.7 小结
• 第三章 交流电子负载的控制电路
• 3.1 控制电路的总体设计
• 3.2 控制电路的PCB 电路板
• 3.3 DSP 控制单元
• 3.4 电流电压信号的采集与转换
• 3.4.1 传感器及调理电路
• 3.4.2 A/D 转换器与DSP 的通信
• 3.5 全桥驱动电路与DSP 的连接
• 3.6 小结
• 第四章 交流电子负载的控制方法
• 4.1 脉宽调制信号的原理
• 4.2 零点采样法实现ESPWM
• 4.3 公式计算法实现ESPWM
• 4.4 两种实现方法的对比
• 4.4.1 零点采样法对电流的控制效果
• 4.4.2 公式计算法对电流的控制效果
• 4.5 小结
• 第五章 交流电子负载的实验结果
• 5.1 恒电流控制
• 5.2 恒电阻控制
• 5.3 恒功率控制
• 5.4 交流电子负载对整流负载的模拟
• 5.4.1 整流负载的仿真
• 5.4.2 整流负载的控制效果
• 5.5 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文