鄺宇++曾令燎++易其亨

摘 要：針對能饋型電子負載在電磁爐老化中的應用，本文提出一種應用于能量回饋型電子負載直流母線電壓控制方法?；陔娮迂撦d吸收能量、直流母線電容存儲能量和逆變交流輸出能量守恒分析，在該分析的基礎上得到一個快速的直流母線電壓控制器，可以采用更小的直流母線電容，降低系統(tǒng)的體積和成本，最后應用上述方案設計2kW電子負載實驗樣機。

關鍵詞：電磁爐老化；電子負載；直流母線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.112

1 引言

目前電源和家電等產(chǎn)品在工廠生產(chǎn)過程中，須經(jīng)老化工序測試合格才能出廠。產(chǎn)品老化測試的方法有多種多樣，有用實際使用的負載測試，也有用模擬等效負載來測試。針對能饋型電子負載在電磁爐老化中的應用，本文提出一種應用于能量回饋型電子負載直流母線電壓控制方法。本項目源自廣東省省級科技計劃項目——新一代能量回饋式電磁爐老化測試生產(chǎn)線（ 2015B020238015）。

2 系統(tǒng)電路拓撲結構

為了模擬電磁爐老化測試，可將耦合線圈放置在電磁爐加熱面上，通過無線輸電的原理把電磁爐的磁場能量耦合到線圈，把能量傳遞到電子負載的輸入，然后回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)能量循環(huán)利用。當電子負載把電磁爐作為負載時，其輸入端耦合的能量形式為交流電源。因此，該電子負載屬于交流電子負載，且具有能量回饋功能。

電子負載主電路采用兩級AC/DC/AC變換結構，其功率電路拓撲可分為4部分。圖1所示為兩級能量回饋電子負載的電路，前級DC/DC變換器采用的是BOOST升壓變換器，通過采用適當?shù)目刂品绞秸{(diào)節(jié)流過輸入電感L1的電流，從而模擬各種負載特性，考核待測交流電源的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。直流母線電容作為功率解耦部件，能穩(wěn)定前級負載模擬器輸出的直流電壓，并將穩(wěn)定的直流電壓作為逆變模塊的輸入。逆變模塊通過控制流過L4的電流，將前級負載模擬變換器吸收的有功功率通過回饋電網(wǎng)。

3 控制策略

3.1 前級BOOST模塊

為了能夠實現(xiàn)電磁爐實現(xiàn)無水老化，模擬鍋具負載，耦合線圈需平穩(wěn)的從電磁能獲取功率，否則電磁爐將不能正常工作而關機，因此引入BOOST模塊對接收的功率進行控制。耦合線圈通過電磁耦合到高頻感應電壓后，輸給D1～D4整流，把幾十KHz高頻的交流電整流以兩倍工頻為包絡線的饅頭波，之后由C1、L1組成的濾波電路把高頻去掉，剩下兩倍工頻的饅頭波。整流濾波后輸入到由電感L2，二極管D5和MOSFET開關器件Q5組成的 BOOST的升壓轉換電路。Boost模塊輸出電壓通過后級逆變模塊進行穩(wěn)定，前級只控制輸入電流，讓其輸入電流跟蹤在使電磁爐能夠正常工作而不關機。

BOOST轉換電路的作用輸入電容C2兩端的電壓穩(wěn)定在參考電壓的范圍內(nèi)，通過控制電壓來間接控制功率。將能量耦合拾取電路的輸出電壓與給定的電壓參考值進行比較，通過PI算法后，產(chǎn)生占空比控制開關管Q5通斷，這樣能量耦合電路的輸出電壓就可以保持在給定的參考電壓范圍內(nèi)，達到控制功率目的。

3.2 直流母線電容計算及其紋波分析

為分析簡單，假設逆變模塊輸出功率因數(shù)為1，電網(wǎng)電壓和逆變輸出并網(wǎng)電流可分別表示為

（1）

（2）

則逆變輸出功率為

（3）

式中：iac、Iac分別為并網(wǎng)電流的瞬時值和幅值；vac 、Vac分別為電網(wǎng)電壓的瞬時值和幅值；w 為電網(wǎng)電壓角頻率；pac為逆變模塊瞬時輸出功率。

由式（3）可得出逆變模塊的瞬時輸出功率中含有兩倍電網(wǎng)頻率的交流分量，兩倍于電網(wǎng)頻率的輸出功率波動在直流母線電壓產(chǎn)生一個同樣兩倍于電網(wǎng)頻率的電壓波動。為了簡化分析，在理想狀態(tài)下，無能量損耗，逆變直流側輸入功率等于逆變器輸出功率。前級BOOST模塊輸出功率Pdc為直流無交流分量，功率的解耦只有直流母線電容Cdc承擔，否則在前級BOOST模塊之前還需要大容量的電容完成前級BOOST模塊和耦合線圈輸入之間的解耦。圖2所示為在一個電網(wǎng)頻率周期內(nèi)的直流母線電壓、電網(wǎng)電壓、前級BOOST模塊輸出功率和逆變模塊輸出功率波形。

通過圖2可以看出直流母線電容實際上作為存儲能量的介質(zhì)，當耦合線圈接收到的功率大于逆變的輸出功率時，多余的能量因存儲在直流母線電容上，引起母線電壓上升。從能量守恒的角度分析，在[1/8T，3/8T]時間段內(nèi)，母線電容釋放的能量為

（4）

式中：Vmax為直流母線電壓的最大值；Vmin為直流母線電壓的最小值。由式（3）、（4）得到

（5）

（6）

式中，Vave為直流母線電壓的平均值。

由式（6）可看出，直流母線紋波分量由直流母線電容量、耦合線圈接收功率與并網(wǎng)功率之間的差來決定。因此直流母線電壓只需要滿足不高于器件設計的安全電壓并且不低于逆變模塊正常工作輸入電壓范圍的條件下，就可以很大程度地減小直流母線的電容量。

針對功率解耦、降低電容容值的問題，目前已提出一些特殊的電路拓撲及控制方法，主要有有源濾波（APF）法、解耦電路串聯(lián)法、單級反激逆變器變換法、多級逆變器解耦法、三端口解耦法等。忽略能量損耗，逆變器能量守恒關系可以表示為

（7）

式中：Win為單位時間內(nèi)耦合線圈輸出能量；Wc為單位時間內(nèi)直流母線電容存儲能量；WL為單位時間濾波電感的存儲能量；Wac為單位時間逆變器并網(wǎng)輸出能量。

要分析逆變器在一個開關周期內(nèi)的能量守恒情況是困難的。為簡單化，通過在半個工頻周期內(nèi)進行能量守恒分析，直流母線電壓每半個工頻周期采樣1次，抽樣點同電網(wǎng)電壓的過零點一致，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，在半個工頻周期內(nèi)并網(wǎng)電流不變，存儲在電感的能量就保持不變，T半個工頻周期內(nèi)的能量守恒公式為endprint

（8）

式中：Pin 為耦合線圈輸出功率；Vdc 為當前直流母線電壓；為半個工頻周期后的直流母線電壓；Iref為并網(wǎng)電流的參考值；Tg為電網(wǎng)電壓周期。由式（8）得

（9）

式中，fg為電網(wǎng)電壓頻率。

圖3為所提出的預估直流母線電壓控制算法框圖。

4 實驗結果

制作了一臺針對電磁爐老化的2 kW能饋型電子負載樣機并搭建了實驗系統(tǒng)。搭建系統(tǒng)如下，待測電磁爐1臺，耦合線圈1個，電子負載1臺。

電子負載樣機設計參數(shù)如下：

并網(wǎng)電壓220V/50 Hz，直流側參考電壓Uref= 347 V，輸入濾波電感L1=2mH，L2=1.5mH，直流母線電容C3=2200μF，輸出濾波電感 L4=1.5mH，L5=1.5mH前級開關頻率為100Hz，后級開關頻率為20kHz。 圖5示出不同負載下的實驗波形。

由圖可知，設計的電子負載實現(xiàn)了模擬電磁爐老化的負載，使電磁爐工作耦合能量并將能量回饋電網(wǎng)的功能。

5 結 論

經(jīng)對基于直流母線控制的電子負載研究，提出利用直流母線電壓控制將兩級變換器解耦控制：前級負載模擬部分采用單周期控制方案，后級能量回饋部分采用引入母線電壓預估的電流控制方案。最后通過實驗驗證了方案的可行性和有效性。

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作者簡介：鄺宇（1983-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：電力電子。endprint