本實(shí)用新型屬于電力電子設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種能耗型交流電子負(fù)載。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子電源大量應(yīng)用，并且對電力電子電源的測試提出了更高及更精確的要求。傳統(tǒng)的電源測試一般采用固定的阻感性負(fù)載，其功率因數(shù)及輸出電流一般不能做到任意設(shè)置，無法適應(yīng)電源的精確測試。

現(xiàn)有的電子負(fù)載大多數(shù)采用并網(wǎng)能量回饋型結(jié)構(gòu)，該方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠節(jié)約能源，但是在一些偏遠(yuǎn)地帶或者特殊場合，由于沒有電網(wǎng)或者電網(wǎng)不允許能量回饋，該型電子負(fù)載無法使用。

能耗型交流電子負(fù)載一般采用背靠背型電力電子變換器，連接被測電源側(cè)的變換器一般需要采用直流母線電壓外環(huán)和交流濾波電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式進(jìn)行被測電源輸出電流跟蹤控制，該控制方式的控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜且系統(tǒng)不容易穩(wěn)定。還有部分類型電子負(fù)載采用的是通過控制多個(gè)并聯(lián)的功率器件(如晶體管或者M(jìn)OSFET)工作在線性放大區(qū)的功耗來消耗能量，該類型電子雖然能夠做成能耗型負(fù)載，但是由其單個(gè)功率器件的耗能有限，且需要比較復(fù)雜且繁多的驅(qū)動(dòng)電路，不容易做成大功率的電子負(fù)載且系統(tǒng)復(fù)雜成本較高，另外該類型的電子負(fù)載還有致命的缺陷是只能調(diào)節(jié)負(fù)載電流的大小，而無法調(diào)節(jié)負(fù)載電流的功率因數(shù)。

如何以低成本設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、大功率的能耗型交流電子負(fù)載來實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流大小及功率因數(shù)的精確模擬和控制是目前要解決的一個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種能耗型交流電子負(fù)載，通過采用逆變橋、直流側(cè)電容、斬波模塊和能耗電阻等組件設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定的大功率能耗型交流電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了被測電源電流及功率因數(shù)的任意可調(diào)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本實(shí)用新型，提供了一種能耗型交流電子負(fù)載，包括交流接觸器、交流輸入濾波電感、逆變橋、直流側(cè)電容、斬波模塊、能耗電阻、檢測模塊和控制模塊；

交流接觸器的第一端用作與被測電源一極連接的接口，交流接觸器的第二端與交流輸入濾波電感的第一端連接，交流輸入濾波電感的第二端與逆變橋的第一端連接，逆變橋的第二端用作與被測電源另一極連接的接口；

逆變橋通過逆變橋第三端和第四端與直流側(cè)電容并聯(lián)，斬波模塊和能耗電阻串聯(lián)后與直流側(cè)電容并聯(lián)；

檢測模塊第一端用作與被測電源連接的接口，用于檢測被測電源的電壓；檢測模塊第二端與交流輸入濾波電感連接用于檢測交流輸入濾波電感的電壓；檢測模塊第三端與直流側(cè)電容連接用于檢測直流側(cè)電容的電壓；檢測模塊第四端與控制模塊第一端連接用于傳送檢測到的被測電源的電壓，檢測模塊第五端與控制模塊第二端連接用于傳送檢測到的交流輸入濾波電感的電流，檢測模塊第六端與控制模塊第三端連接用于傳送檢測到的直流側(cè)電容的電壓；

控制模塊第一端與檢測模塊第四端連接，用于接收檢測到的被測電源的電壓；控制模塊第二端與檢測模塊第五端連接，用于接收檢測到的交流輸入濾波電感的電流；控制模塊第三端與檢測模塊第六端連接，用于接收檢測到的直流側(cè)電容的電壓；控制模塊第四端與逆變橋連接，用于控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷；控制模塊第五端與斬波模塊連接，用于控制斬波模塊的導(dǎo)通與關(guān)斷。

基于上述結(jié)構(gòu)，控制模塊根據(jù)接收到的被測電源的電壓和交流輸入濾波電感的電流以及設(shè)定的電流特性曲線生成控制指令，控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流大小和功率因數(shù)的精確模擬和控制；控制模塊根據(jù)接收到的直流側(cè)電容的電壓以及設(shè)定的直流側(cè)電容的電壓最大值和最小值生成控制指令，控制斬波模塊的導(dǎo)通與關(guān)斷，使能耗電阻與直流側(cè)電容保持連通或斷開，從而實(shí)現(xiàn)了耗能放電、穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓和保護(hù)直流側(cè)電容。

優(yōu)選地，檢測模塊包括被測電源輸出電壓檢測單元、交流輸入濾波電感電流檢測單元和直流側(cè)電容電壓檢測單元；被測電源輸出電壓檢測單元第一端用作檢測模塊第一端，被測電源輸出電壓檢測單元第二端用作檢測模塊第四端；交流輸入濾波電感電流檢測單元第一端用作檢測模塊第二端，交流輸入濾波電感電流檢測單元第二端用作檢測模塊第五端；直流側(cè)電容電壓檢測單元第一端用作檢測模塊第三端，直流側(cè)電容電壓檢測單元第二端用作檢測模塊第六端。

優(yōu)選地，控制模塊包括相互連接的數(shù)字信號處理單元和驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路；數(shù)字信號處理單元第一端用作控制模塊第一端，數(shù)字信號處理單元第二端用作控制模塊第二端，數(shù)字信號處理單元第三端用作控制模塊第三端；驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路第一端用作控制模塊第四端，驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路第二端用作控制模塊第五端。

優(yōu)選地，控制模塊還包括一與數(shù)字信號處理單元連接的人機(jī)交互單元。

優(yōu)選地，控制模塊首先根據(jù)接收到的被測電源的電壓U1和設(shè)定的電流特性曲線I0按照公式(I)計(jì)算得到負(fù)載電流指令I(lǐng)r：Ir＝I0×U1÷220(I)，然后根據(jù)計(jì)算得到的負(fù)載電流指令I(lǐng)r和交流輸入濾波電感的電流If按照公式(II)計(jì)算得到電流誤差e：e＝Ir－If(I)，最后根據(jù)電流誤差e計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)指令Ui，從而控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷。

優(yōu)選地，控制模塊根據(jù)接收到的直流側(cè)電容的電壓Uf以及設(shè)定的直流側(cè)電容的電壓最大值Umax和最小值Umin，按照(III)和公式(IV)工作：

當(dāng)Uf≥Umax時(shí)，S＝1 (I)；

當(dāng)Uf＜Umin時(shí)，S＝0 (II)；

其中，直流側(cè)電容電壓的最大值Umax和最小值Umin通過公式(V)和公式(VI)確定：Umin＝U×1.2(V)，Umax＝U×1.25(VI)，其中，U為被測電源輸出電壓的峰值；

當(dāng)S＝1時(shí)，控制模塊控制斬波模塊導(dǎo)通，使能耗電阻與直流側(cè)電容接通，實(shí)現(xiàn)耗能放電并維持直流側(cè)電容電壓不超過Umax，當(dāng)S＝0時(shí)，控制斬波模塊關(guān)斷，使能耗模塊與直流側(cè)電容斷開，維持直流側(cè)電容電壓大于Umin。

優(yōu)選地，數(shù)字信號處理單元包括滯環(huán)控制器，和依次連接的負(fù)載電流指令形成單元、減法器和電流控制器；滯環(huán)控制器的第一輸入端用作控制模塊第三端，滯環(huán)控制器的輸出端連接驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路；負(fù)載電流指令形成單元的第一輸入端用作控制模塊第一端；減法器輸入端用作控制模塊第二端；電流控制器的輸出端連接驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路；滯環(huán)控制器的第二輸入端與負(fù)載電流指令形成單元的第二輸入端連接人機(jī)交互單元。

優(yōu)選地，電子負(fù)載還包括預(yù)充電電路，預(yù)充電電路由用于接通充電電路的充電接觸器和充電電阻串聯(lián)而成，預(yù)充電電路與交流接觸器并聯(lián)。通過設(shè)計(jì)預(yù)充電電路，預(yù)防上電時(shí)產(chǎn)生過大的電流、損壞逆變器橋和直流側(cè)電容。

優(yōu)選地，直流側(cè)電容的額定工作電壓Uc滿足如下條件：Uc≥U×1.5，其中，U為被測電源輸出電壓的峰值。由此保證直流側(cè)電容的安全。

優(yōu)選地，電流控制器采用PI、PR或者PID控制器。

優(yōu)選地，逆變橋?yàn)槿嗄孀儤蚧騿蜗嗄孀儤颉?/p>

按照本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提供了一種采用上述電子負(fù)載進(jìn)行交流電源測試實(shí)現(xiàn)輸入電流及功率因數(shù)任意設(shè)置并精確跟蹤的工作方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)定需要模擬的含功率因數(shù)信息的負(fù)載電流特性曲線I0；

(2)啟動(dòng)電子負(fù)載，根據(jù)測得的被測電源的電壓U1和設(shè)定的負(fù)載電流特性曲線I0通過公式(I)計(jì)算得到負(fù)載電流指令I(lǐng)r：Ir＝I0×U1÷220(I)；

(3)根據(jù)負(fù)載電流指令I(lǐng)r和測得的交流輸入濾波電感的電流If，由公式(II)計(jì)算得到電流誤差e：e＝Ir－If(II)；

(4)根據(jù)電流誤差e計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)指令Ui，實(shí)現(xiàn)逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷；由此方式，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流大小及功率因數(shù)的精確模擬和控制；

按照本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提供了一種采用上述電子負(fù)載進(jìn)行交流電源測試時(shí)實(shí)現(xiàn)能量消耗和穩(wěn)定直流側(cè)電容的工作方法，包括如下步驟：

(a)在電子負(fù)載啟動(dòng)前，設(shè)定直流側(cè)電容電壓的最大值Umax和最小值Umin，直流側(cè)電容電壓的最大值Umax和最小值Umin通過公式(V)和公式(VI)確定：Umin＝U×1.2(V)，Umax＝U×1.25(VI)，其中，U為被測電源輸出電壓的峰值；

(b)在電子負(fù)載啟動(dòng)后，根據(jù)測得的直流側(cè)電容的電壓Uf和設(shè)定的直流側(cè)電容電壓的最大值Umax和最小值Umin，按照公式(III)和公式(IV)進(jìn)行判斷：當(dāng)Uf≥Umax時(shí)，S＝1(III)，當(dāng)Uf＜Umin時(shí)，S＝0(IV)；

(c)當(dāng)S＝1時(shí)，控制斬波模塊導(dǎo)通，使能耗電阻與直流側(cè)電容接通，實(shí)現(xiàn)耗能放電并維持直流側(cè)電容電壓不超過Umax，當(dāng)S＝0時(shí)，控制斬波模塊關(guān)斷，使能耗模塊與直流側(cè)電容斷開，維持直流側(cè)電容電壓不小于Umin；由此方式，通過控制斬波模塊的導(dǎo)通與關(guān)斷，直流側(cè)電容的工作電壓被維持在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)確保了逆變橋的正常工作和直流側(cè)電容的安全運(yùn)行，且同時(shí)做到了利用能耗電阻耗能的目的。

總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

(1)采用本實(shí)用新型的電子負(fù)載，不僅可以任意設(shè)置被測電源輸入電流及功率因數(shù)，并且在沒有電網(wǎng)或者電網(wǎng)不允許能量回饋的特殊場合也能正常運(yùn)行該電子負(fù)載。

(2)通過利用斬波模塊和能耗電阻，本實(shí)用新型的電子負(fù)載在做到穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓的同時(shí)消耗了多余能量，不僅電路結(jié)構(gòu)簡單，而且簡化了被測電源輸出電流跟蹤控制器設(shè)計(jì)，成本低，克服了傳統(tǒng)電子負(fù)載在特殊場合下無法使用且電路復(fù)雜成本高的缺點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種能耗型交流電子負(fù)載連接被測電源時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是依照本實(shí)用新型電子負(fù)載的被測電源輸出電流跟蹤控制框圖。

圖3是依照本實(shí)用新型電子負(fù)載采用斬波模塊及耗能電阻實(shí)現(xiàn)耗能及直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定作用的控制框圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-被測電源，2-交流主接觸器2(2)，3-交流輸入濾波電感，4-逆變橋，5-直流側(cè)電容，6-斬波模塊，7-能耗電阻，8-檢測模塊，9-控制模塊，81-被測電源輸出電壓檢測單元，82-交流輸入濾波電感電流檢測單元，83-直流側(cè)電容電壓檢測單元，91-數(shù)字信號處理單元，92-驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，93-人機(jī)交互單元，911-負(fù)載電流指令形成單元，912-減法器，913-電流控制器，914-滯環(huán)控制器。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例

如圖1所示，一種能耗型交流電子負(fù)載包括交流接觸器2、交流輸入濾波電感3、逆變橋4、直流側(cè)電容5、斬波模塊6、能耗電阻7、檢測模塊8和控制模塊9；交流接觸器2的第一端用作與被測電源1一極連接的接口，交流接觸器2的第二端與交流輸入濾波電感3的第一端連接，交流輸入濾波電感3的第二端與逆變橋4的第一端連接，逆變橋4的第二端用作與被測電源1另一極連接的接口；逆變橋4通過逆變橋4的第三端和第四端與直流側(cè)電容5并聯(lián)，斬波模塊6和能耗電阻7串聯(lián)后與直流側(cè)電容5并聯(lián)；

檢測模塊8包括被測電源輸出電壓檢測單元81、交流輸入濾波電感電流檢測單元82和直流側(cè)電容電壓檢測單元83；被測電源輸出電壓檢測單元81第一端用作與被測電源1連接的接口，用于檢測被測電源1的電壓，被測電源輸出電壓檢測單元81第二端與控制模塊9第一端連接用于傳送檢測到的被測電源1的電壓；交流輸入濾波電感電流檢測單元82第一端與交流輸入濾波電感3連接用于檢測交流輸入濾波電感3的電流，交流輸入濾波電感電流檢測單元82第二端與控制模塊9第二端連接用于傳送檢測到的交流輸入濾波電感3的電流；直流側(cè)電容電壓檢測單元83第一端與直流側(cè)電容5連接用于檢測直流側(cè)電容5的電壓，直流側(cè)電容電壓檢測單元83第二端與控制模塊9第三端連接用于傳送檢測到的直流側(cè)電容5的電壓；

控制模塊9包括數(shù)字信號處理單元91、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92和人機(jī)交互單元93；數(shù)字信號處理單元91包括滯環(huán)控制器914，和依次連接的負(fù)載電流指令形成單元911、減法器912和電流控制器913；滯環(huán)控制器914的第一輸入端用作控制模塊9第三端，滯環(huán)控制器914的輸出端連接驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92；負(fù)載電流指令形成單元911的第一輸入端用作控制模塊9第一端；減法器912輸入端用作控制模塊9第二端；電流控制器913的輸出端連接驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92；滯環(huán)控制器914的第二輸入端與負(fù)載電流指令形成單元911的第二輸入端連接人機(jī)交互單元93；驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92第一端與逆變橋4連接，用于根據(jù)控制模塊9接收到的被測電源1的電壓和交流輸入濾波電感3的電流以及設(shè)定的電流特性曲線生成控制指令，控制逆變橋4的導(dǎo)通與關(guān)斷；驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92第二端與斬波模塊6連接，用于根據(jù)控制模塊9接收到的直流側(cè)電容5的電壓以及設(shè)定的直流側(cè)電容5的電壓最大值和最小值生成控制指令，控制斬波模塊6的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)耗能放電與保護(hù)直流側(cè)電容5。

電子負(fù)載還包括預(yù)充電電路，預(yù)充電電路由用于接通充電電路的充電接觸器和充電電阻串聯(lián)而成，預(yù)充電電路與交流接觸器2并聯(lián)。預(yù)防上電時(shí)產(chǎn)生過大的電流、損壞逆變器橋和直流側(cè)電容5。

在本實(shí)施例中，數(shù)字信號處理單元91采用美國德州儀器公司的微處理器；電流控制器913采用PI控制器(也可采用PR或者PID控制器)；逆變橋4為單相逆變橋(也可以是三相逆變橋)，采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；選用的直流側(cè)電容5的額定工作電壓Uc滿足如下條件：Uc≥U×1.5，其中，U為被測電源1輸出電壓的峰值。

當(dāng)使用該電子負(fù)載對被測交流電源進(jìn)行測試時(shí)，操作如下：

首先，閉合充電接觸器，通過充電電阻、交流輸入濾波電感3和逆變橋4對直流側(cè)電容5進(jìn)行預(yù)充電。預(yù)充電完成后，閉合交流主接觸器2并斷開充電接觸器，此時(shí)電子負(fù)載處于待機(jī)狀態(tài)。

通過人機(jī)交互單元93設(shè)置需要模擬的含功率因數(shù)信息的負(fù)載電流特性曲線和直流側(cè)電容5電壓的最大值Umax和最小值Umin，并通過RS232通訊的方式(也可采用其它通訊方式)將設(shè)定的負(fù)載電流特性曲線和設(shè)定的直流側(cè)電容5電壓的最大值Umax及最小值Umin傳送給數(shù)字信號處理單元91，數(shù)據(jù)傳輸完成后通過人機(jī)交互單元93啟動(dòng)電子負(fù)載開始負(fù)載電流特性曲線的模擬測試。

對電源進(jìn)行測試并實(shí)現(xiàn)輸入電流及功率因數(shù)任意設(shè)置及精確跟蹤的工作方法包括如下四步：

(1)通過人機(jī)交互單元93設(shè)置需要模擬的含功率因數(shù)信息的負(fù)載電流特性曲線和直流側(cè)電容5電壓的最大值Umax和最小值Umin，并通過RS232通訊的方式(也可采用其它通訊方式)將設(shè)定的負(fù)載電流特性曲線和直流側(cè)電容5電壓的最大值Umax及最小值Umin傳送給數(shù)字信號處理單元91，數(shù)據(jù)傳輸完成后通過人機(jī)交互單元93啟動(dòng)電子負(fù)載開始負(fù)載電流特性曲線的模擬測試。

(2)在圖2中負(fù)載電流形成指令單元根據(jù)人機(jī)交互單元93傳送過來的電流特性曲線I0和被測電源輸出電壓檢測單元81檢測得到的被測電壓U1通過公式(I)計(jì)算得到負(fù)載電流指令I(lǐng)r：

Ir＝I0×U1÷220 (I)

(3)負(fù)載電流指令I(lǐng)r和交流輸入濾波電感電流檢測單元82檢測得到交流濾波電感電流If通過減法器912由公式(II)計(jì)算得到電流誤差e：

e＝Ir－If (II)

(4)電流誤差e經(jīng)過PI電流控制器913計(jì)算得到逆變橋4的驅(qū)動(dòng)指令Ui并通過驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92來驅(qū)動(dòng)逆變橋4IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流大小及功率因數(shù)的精確模擬和控制。

對電源進(jìn)行測試并實(shí)現(xiàn)能量消耗和穩(wěn)定直流側(cè)電容的工作方法包括如下步驟：

(a)在圖3中將通過人機(jī)交互單元93設(shè)置的直流側(cè)電容5電壓的最大值Umax、直流側(cè)電容5電壓的最小值Umin和直流側(cè)電容電壓檢測單元83檢測得到的直流側(cè)電容5電壓Uf一同送到滯環(huán)控制器914，滯環(huán)控制器914按照公式(III)和公式(IV)工作：

當(dāng)Uf≥Umax時(shí)，S＝1 (III)

當(dāng)Uf＜Umin時(shí)，S＝0 (IV)，

其中，直流側(cè)電容5電壓的最大值Umax和最小值Umin通過公式(V)和公式(VI)確定：

Umin＝U×1.2(V)，Umax＝U×1.25(VI)，其中，U為被測電源輸出電壓的峰值；

(b)當(dāng)滯環(huán)控制器914輸出S＝1時(shí)，驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92控制斬波模塊6導(dǎo)通，將能耗電阻7與直流側(cè)電容5接通以耗能放電，維持直流側(cè)電容5電壓不超過Umax。

(c)當(dāng)滯環(huán)控制器914輸出S＝0時(shí)，驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路92控制斬波模塊6關(guān)斷，將能耗電阻7與直流側(cè)電容5斷開，維持直流側(cè)電容5電壓不小于Umin。

通過上述a～c步驟控制斬波模塊6的導(dǎo)通與關(guān)斷，維持直流側(cè)電容5的工作電壓在一定的范圍內(nèi)，既能確保逆變橋4正常工作又保證了直流側(cè)電容5的運(yùn)行安全，且同時(shí)做到了利用能耗電阻7耗能的目的。

由上述實(shí)施例可知，本實(shí)用新型的電子負(fù)載及工作方法可以任意設(shè)置被測電源輸入電流及功率因數(shù)，并通過利用斬波模塊和能耗電阻，穩(wěn)定控制了直流側(cè)電容電壓的同時(shí)消耗了多余能量，電子負(fù)載電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。