電子負載并網電路設計探索
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摘要：電子產品在投放市場之前需要進行嚴格的質量安全檢驗，其中就包括各種工況模擬以及老化測試，使用傳統的靜態(tài)負載來進行實驗時，不僅無法簡單地模擬復雜的工況，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，電子負載應運而生。主要對電子負載模擬的過程中并網逆變器這一部分進行設計，通過電路設計，實現測試所使用的直流電到交流電的轉換并回饋電網。
關鍵詞：饋能型直流電子負載；并網；PI控制；閉環(huán)調節(jié)
1研究背景和意義
隨著技術及經濟發(fā)展，電子產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。在生產這些電能設備時，都需要進行包括老化測試、輸出特性測試在內的各種測試，來確保產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，測試結果的精確性、可靠性，就需要使用電子負載來對復雜、動態(tài)的負載形式進行模擬。饋能型的電子負載可以實現電能回收，將電能反饋回電網，既實現了綠色節(jié)能的環(huán)保理念，又可以為企業(yè)降低生產測試成本。為了實現電能的反饋，就需要設計電子負載的并網逆變電路。電子負載結構圖如圖1所示。測試設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來判斷是否符合安全與質量要求。之后經過并網逆變器轉換為220V交流電回饋電網，以此來達到節(jié)省電能的目的。通過PI控制器來實現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量。本文著重介紹了電子負載并網電路的設計。
2并網逆變器設計
2.1逆變電路設計
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各導通半個周期。當控制電路的開關信號傳遞到全橋逆變電路以后，在前半個周期內，電流從Vdc的正極經過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，電流同樣從Vdc的正極出發(fā)，經過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構復雜，但是輸出的電壓幅值與直流側電源電壓一樣，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并不能夠瞬間完成，所以如果控制電路的開關信號在前半個周期控制S1和S4導通以后，在換路的瞬間S2和S3導通，同時S1和S4還沒有來得及關閉，就會造成四個元器件同時導通，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束以后，S1和S4兩個晶閘管有足夠的時間來完全關閉，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濾波電路設計
本設計采用的是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，它的傳遞函數為：LC濾波電路的傳遞函數為震蕩環(huán)節(jié)，在轉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：三角波設置的開關頻率為100kHz，為了濾除開關頻率100kHz的諧波，LC濾波器的截止頻率必須遠低于100kHz，這里設置為10μF，截止頻率為：
3PI控制器設計
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，實現閉環(huán)控制。PI控制是在控制領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值，經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，設計合適的參數就可以實現輸出的穩(wěn)定。電壓單閉環(huán)逆變電路的系統框圖如圖4所示：PI連續(xù)控制的公式如下所示：其中，err（t）為系統測得的偏差，偏差加上偏差的積分乘上一個比例系數，就構成了PI的連續(xù)控制公式。Ti控制的是積分項的占比。由于計算機內部都是數字信號工作，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和積分系數分別為Kp=0.8，Ki=0.003。
4仿真驗證
通過Simulink對電路設計進行仿真驗證。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通，同時關斷。繼續(xù)加入RMS模塊，將基波三角波頻率設置為50Hz，調制波正弦波的幅值設置為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置在0~1之間。通過Product模塊做乘法來實現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，電路結構設計沒有問題，可實現預期的目標。5結束語電子負載有傳統靜態(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靜態(tài)負載。本文主要對電子負載的并網電路部分進行設計，以Mosfet構成全橋逆變電路，將直流負載模擬部分的直流電轉變?yōu)榻涣麟娀仞侂娋W，通過Simlink仿真驗證，可以實現預計的功能。
作者:吳陳 朱永光 李彥林 單位:泰州學院