電子負載并網(wǎng)電路設(shè)計探索

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摘要：電子產(chǎn)品在投放市場之前需要進行嚴格的質(zhì)量安全檢驗，其中就包括各種工況模擬以及老化測試，使用傳統(tǒng)的靜態(tài)負載來進行實驗時，不僅無法簡單地模擬復(fù)雜的工況，還會消耗大量的能源，造成能源浪費。為了解決靜態(tài)負載的各種缺陷，電子負載應(yīng)運而生。主要對電子負載模擬的過程中并網(wǎng)逆變器這一部分進行設(shè)計，通過電路設(shè)計，實現(xiàn)測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)濟發(fā)展，電子產(chǎn)品為人們的衣食住行帶來了極大的便利，如不間斷電源、干電池、通信電源、車載電源等。在生產(chǎn)這些電能設(shè)備時，都需要進行包括老化測試、輸出特性測試在內(nèi)的各種測試，來確保產(chǎn)品可以達到市場所需的性能要求。最常見的是使用水泥電阻或者利用阻性、感性、容性負載的不同組合來模擬不同功率因數(shù)的工況。但是水泥電阻體積過大，而且會釋放很多熱量，造成工作環(huán)境的不適并消耗大量的電能。為了保證測試過程的便捷性、環(huán)保性，測試結(jié)果的精確性、可靠性，就需要使用電子負載來對復(fù)雜、動態(tài)的負載形式進行模擬。饋能型的電子負載可以實現(xiàn)電能回收，將電能反饋回電網(wǎng)，既實現(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)測試成本。為了實現(xiàn)電能的反饋，就需要設(shè)計電子負載的并網(wǎng)逆變電路。電子負載結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。測試設(shè)備輸出的直流電首先進行負載模擬，得到所需要的各項電能參數(shù)來判斷是否符合安全與質(zhì)量要求。之后經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為220V交流電回饋電網(wǎng)，以此來達到節(jié)省電能的目的。通過PI控制器來實現(xiàn)對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載并網(wǎng)電路的設(shè)計。

2并網(wǎng)逆變器設(shè)計

2.1逆變電路設(shè)計

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、S4四個電力電子元器件組成。將S1和S4接入到同一個控制電路的開關(guān)信號，并且將控制電路的信號取反后接入到S2和S3。這樣就可以控制同一組橋臂在一個周期內(nèi)各導(dǎo)通半個周期。當(dāng)控制電路的開關(guān)信號傳遞到全橋逆變電路以后，在前半個周期內(nèi)，電流從Vdc的正極經(jīng)過S1再通過LC濾波電路，然后通過負載，從S4返回到直流電源的負極；在后半個周期內(nèi)，電流同樣從Vdc的正極出發(fā)，經(jīng)過S3以后進入LC濾波電路，通過負載以后，由S2返回到直流電源Vdc的負極。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關(guān)并不能夠瞬間完成，所以如果控制電路的開關(guān)信號在前半個周期控制S1和S4導(dǎo)通以后，在換路的瞬間S2和S3導(dǎo)通，同時S1和S4還沒有來得及關(guān)閉，就會造成四個元器件同時導(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)時間，來避免電路發(fā)生短路。這樣就可以做到在前半個周期結(jié)束以后，S1和S4兩個晶閘管有足夠的時間來完全關(guān)閉，然后在后半個周期的信號到來時，打開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

本設(shè)計采用的是LC濾波電路，LC濾波又被稱為倒L型濾波，是在信號抗干擾和電磁輻射方面比較常用的濾波電路，由一個電感和和一個電容組成，如圖3所示。與RC濾波電路相比，LC濾波電路可以通過的電流更大，可以達到幾十到幾百安培，而且LC濾波電路對高頻信號的濾波效果更好。單使用一個電感進行濾波時，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)折頻率之后的信號為-40dB的衰減，相較于只加一個電感的慣性環(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，所以對轉(zhuǎn)折頻率之后的信號衰減的能力更強。LC濾波電路的截止頻率公式為：三角波設(shè)置的開關(guān)頻率為100kHz，為了濾除開關(guān)頻率100kHz的諧波，LC濾波器的截止頻率必須遠低于100kHz，這里設(shè)置為10μF，截止頻率為：

3PI控制器設(shè)計

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。在輸入端給定一個期望值，在輸出端用傳感器來測得一個實際的數(shù)值，經(jīng)過比較以后可以得到一個偏差，通過偏差對輸入進行PI控制，設(shè)計合適的參數(shù)就可以實現(xiàn)輸出的穩(wěn)定。電壓單閉環(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)測得的偏差，偏差加上偏差的積分乘上一個比例系數(shù)，就構(gòu)成了PI的連續(xù)控制公式。Ti控制的是積分項的占比。由于計算機內(nèi)部都是數(shù)字信號工作，所以連續(xù)的公式是無法直接使用的，加入采樣周期T以后，公式就如下所示：通過試湊法來確定比例系數(shù)和積分系數(shù)分別為Kp=0.8，Ki=0.003。

4仿真驗證

通過Simulink對電路設(shè)計進行仿真驗證。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，連接到第一個橋臂的上管與第二個橋臂的下管；取反以后輸出的SPWM波形設(shè)置為G2，連接到第一個橋臂的下管與第二個橋臂的上管，保證對稱的晶體管同時導(dǎo)通，同時關(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āＨ缓蠹尤隤I控制器，將PI控制器的輸出飽和值設(shè)置在0~1之間。通過Product模塊做乘法來實現(xiàn)自動改變正弦波的幅值。放置一個給定電壓220V，將RMS的輸出電壓作為反饋，與給定進行比較，送入PI控制器中。電路仿真模型如圖5所示：通過觀察圖6的輸出電壓值，可以看到通過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)計沒有問題，可實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。5結(jié)束語電子負載有傳統(tǒng)靜態(tài)負載所不具備的多種優(yōu)勢，如體積小、發(fā)熱低、安全性高、能源利用率高效等。隨著時代的進步以及人們節(jié)能意識的增強，能饋式電子負載必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜態(tài)負載。本文主要對電子負載的并網(wǎng)電路部分進行設(shè)計，以Mosfet構(gòu)成全橋逆變電路，將直流負載模擬部分的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娀仞侂娋W(wǎng)，通過Simlink仿真驗證，可以實現(xiàn)預(yù)計的功能。

作者:吳陳 朱永光 李彥林 單位:泰州學(xué)院