□ 孫 斌 □ 張全成 □ 陳蘇生 □ 莊 駿

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200072

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.5-2008的規(guī)定，開(kāi)關(guān)器件都要進(jìn)行溫升試驗(yàn)、接通和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)、短路接通和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)與功能試驗(yàn)等。在試驗(yàn)系統(tǒng)中，電源和負(fù)載是最主要的測(cè)試設(shè)備，開(kāi)關(guān)器件連接在電源和負(fù)載之間，由電源和負(fù)載給開(kāi)關(guān)器件提供測(cè)試電流。根據(jù)開(kāi)關(guān)器件的試驗(yàn)要求來(lái)設(shè)置電源的電壓、頻率、負(fù)載的電流與功率因數(shù)，目的是檢測(cè)開(kāi)關(guān)器件在不同的測(cè)試條件下的接通和分?jǐn)嗄芰Γ?-3］。

傳統(tǒng)按鈕開(kāi)關(guān)試驗(yàn)的技術(shù)方案都是采用變壓器、調(diào)壓器等作為電源，電阻器、電抗器和電容器等設(shè)備作為負(fù)載組合實(shí)現(xiàn)的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子負(fù)載技術(shù)實(shí)現(xiàn)按鈕開(kāi)關(guān)的電氣性能測(cè)試方案已成為新方向和大趨勢(shì)。該方案中以電子負(fù)載代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無(wú)源負(fù)載，電子負(fù)載檢測(cè)到電源的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)的相位角度和振幅進(jìn)行定位，根據(jù)設(shè)置的電流值和功率因數(shù)計(jì)算出電子負(fù)載的輸出電壓振幅和相位角度，電子負(fù)載和電源的電壓對(duì)接即可產(chǎn)生開(kāi)關(guān)器件測(cè)試需要的電流和功率因數(shù)［4-6］。本文以開(kāi)關(guān)測(cè)試為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了電源-開(kāi)關(guān)-電子負(fù)載-電源的內(nèi)部能量循環(huán)，減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗，同時(shí)增加友好的人機(jī)交互界面，方便了技術(shù)人員的控制調(diào)節(jié)，達(dá)到了節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、控制方便的效果。

1 系統(tǒng)原理介紹

如圖1所示，市電在電源內(nèi)部經(jīng)整流逆變后給被試開(kāi)關(guān)提供電源，電子負(fù)載對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣，根據(jù)設(shè)定的電流和功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流和功率因數(shù)的控制。能量進(jìn)入電子負(fù)載后，被電子負(fù)載回饋到電源內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)，減少系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量，從而達(dá)到了經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

2 系統(tǒng)組成及布局圖

▲圖1 開(kāi)關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

▲圖2 系統(tǒng)布局圖

該系統(tǒng)由電源、電子負(fù)載、人機(jī)交互系統(tǒng)組成，電源由模擬量信號(hào)采樣板、控制電路板、IGBT驅(qū)動(dòng)板、整流橋電路、平波電容、IGBT逆變單元、隔離變壓器及輸出濾波電路組成。電子負(fù)載的直流母線直接連接到電源的直流母線上，通過(guò)模擬量采樣板對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)、溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器送入CPU，CPU根據(jù)測(cè)量到的電壓信號(hào)來(lái)控制電子負(fù)載的電壓輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)接，產(chǎn)生電流，系統(tǒng)要有很高的控制精度和反應(yīng)速度。人機(jī)交互系統(tǒng)采用液晶面板顯示，用CAN總線通信與主控部分進(jìn)行通信，通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)即可設(shè)定電流和功率因數(shù)等。

3 軟件部分設(shè)計(jì)方案

為了提高電源的輸出電壓質(zhì)量，在電源控制系統(tǒng)中采取了軟件閉環(huán)控制算法和快速的硬件瞬時(shí)反饋控制，主程序流程圖設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

▲圖3 主程序流程圖

電子負(fù)載因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)與電源輸出電壓進(jìn)行對(duì)接控制，所以首先要實(shí)現(xiàn)電源電壓的定位，包括相位角度定位和振幅定位。在本設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到快速定位，采用了硬件電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至CPU，CPU根據(jù)電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)對(duì)電壓全相位角度進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送過(guò)來(lái)的瞬時(shí)電壓值信號(hào)，恢復(fù)出電源的輸出電壓信號(hào)。

直接數(shù)字合成波形技術(shù)指從相位量化概念出發(fā)直接合成所需波形。預(yù)先在存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)一個(gè)正弦波表格，表格的地址為正弦波的相位，其關(guān)系可用y=f（x）表示，其中x為相位，y為幅值，每個(gè)相位對(duì)應(yīng)不同幅值，得到相位信息即可得到表格中量化的正弦波，根據(jù)振幅信號(hào)，乘以一個(gè)系數(shù)即可得到需要的正弦波數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)化后轉(zhuǎn)化為正弦波模擬量。

軟件中除了控制算法外，還利用了CPU中的CAN總線接口外設(shè)，通過(guò)對(duì)外設(shè)寄存器的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU，CPU會(huì)進(jìn)入中斷程序，接收外部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，設(shè)置輸出電壓值、電流值或者功率因數(shù)。

4 硬件設(shè)計(jì)方案

控制電路采用ARM+CPLD的組合控制方案，利用ARM對(duì)ADC采樣過(guò)來(lái)的電壓電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，用CPLD的查表方式產(chǎn)生波形，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和相位快速同步跟蹤及逆變控制和各種保護(hù)電路控制?？刂瓢寮軜?gòu)如圖4所示。

▲圖4 控制板設(shè)計(jì)架構(gòu)

硬件部分主要包括信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、邏輯部分電路、SPWM波形產(chǎn)生電路及死區(qū)補(bǔ)償部分等。CPU通過(guò)采集的信號(hào)計(jì)算出電壓電流相位等信息，通過(guò)高速SPI總線傳遞到CPLD，CPLD內(nèi)做DDS核，經(jīng)外部DAC及低通濾波后產(chǎn)生正弦波和三角波。兩種波形經(jīng)過(guò)比較電路后產(chǎn)生所需要的兩兩互補(bǔ)的四路SPWM波形，信號(hào)輸出給IGBT驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)控制功能。系統(tǒng)中采用的逆變單元的核心器件是IGBT，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，同時(shí)采用直流儲(chǔ)能電容穩(wěn)定直流電壓，減少紋波。為了提高阻抗匹配能力，增加電氣濾波功能，系統(tǒng)增加隔離變壓器。

5 應(yīng)用效果驗(yàn)證

根據(jù)開(kāi)關(guān)測(cè)試要求，開(kāi)關(guān)需要承受6倍的沖擊電流，即測(cè)試系統(tǒng)具備模擬開(kāi)關(guān)合閘時(shí)的電流情況，且時(shí)間為4～6個(gè)周波，合閘后通過(guò)的是額定電流。采用研制的新能開(kāi)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)測(cè)試，將啟動(dòng)電流設(shè)定為額定電流的6倍，啟動(dòng)時(shí)間的周波數(shù)設(shè)定為4，同時(shí)測(cè)試時(shí)間t任意，被試開(kāi)關(guān)通斷時(shí)通過(guò)的電流波形如圖5所示，滿足開(kāi)關(guān)測(cè)試相關(guān)要求。通過(guò)電表計(jì)量，電能消耗為傳統(tǒng)負(fù)載系統(tǒng)的30%，主要消耗為開(kāi)關(guān)和電子負(fù)載本身的熱能損耗。

▲圖5 新型負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試波形圖

6 結(jié)論

本文研制的能量自循環(huán)電子負(fù)載，解決了電阻/電感型假負(fù)載對(duì)供配電容量的苛刻要求，以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)能源浪費(fèi)的問(wèn)題，并改善了工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可程控的自動(dòng)化檢測(cè)。解決了能饋型電子負(fù)載二級(jí)變換器間的控制協(xié)調(diào)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了直流能量回饋主、從變換器間功率自動(dòng)均衡，控制簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可靠性提高。實(shí)際使用效果表明，測(cè)試系統(tǒng)電流值和測(cè)試周期可以任意設(shè)定，滿足開(kāi)關(guān)測(cè)試相關(guān)要求。

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