电子负载并网电路设计探索

摘要：电子产品在投放市场之前需要进行严格的质量安全检验，其中就包括各种工况模拟以及老化测试，使用传统的静态负载来进行实验时，不仅无法简单地模拟复杂的工况，还会消耗大量的能源，造成能源浪费。为了解决静态负载的各种缺陷，电子负载应运而生。主要对电子负载模拟的过程中并网逆变器这一部分进行设计，通过电路设计，实现测试所使用的直流电到交流电的转换并回馈电网。

关键词：馈能型直流电子负载；并网；PI控制；闭环调节

1研究背景和意义

随着技术及经济发展，电子产品为人们的衣食住行带来了极大的便利，如不间断电源、干电池、通信电源、车载电源等。在生产这些电能设备时，都需要进行包括老化测试、输出特性测试在内的各种测试，来确保产品可以达到市场所需的性能要求。最常见的是使用水泥电阻或者利用阻性、感性、容性负载的不同组合来模拟不同功率因数的工况。但是水泥电阻体积过大，而且会释放很多热量，造成工作环境的不适并消耗大量的电能。为了保证测试过程的便捷性、环保性，测试结果的精确性、可靠性，就需要使用电子负载来对复杂、动态的负载形式进行模拟。馈能型的电子负载可以实现电能回收，将电能反馈回电网，既实现了绿色节能的环保理念，又可以为企业降低生产测试成本。为了实现电能的反馈，就需要设计电子负载的并网逆变电路。电子负载结构图如图1所示。测试设备输出的直流电首先进行负载模拟，得到所需要的各项电能参数来判断是否符合安全与质量要求。之后经过并网逆变器转换为220V交流电回馈电网，以此来达到节省电能的目的。通过PI控制器来实现对逆变器输出电压的控制，以此间接地控制输出电流的正弦波的质量。本文着重介绍了电子负载并网电路的设计。

2并网逆变器设计

2.1逆变电路设计

逆变电路有半桥逆变电路与全桥逆变电路两种不同的形式。图2所示的全桥逆变电路，由S1、S2、S3、S4四个电力电子元器件组成。将S1和S4接入到同一个控制电路的开关信号，并且将控制电路的信号取反后接入到S2和S3。这样就可以控制同一组桥臂在一个周期内各导通半个周期。当控制电路的开关信号传递到全桥逆变电路以后，在前半个周期内，电流从Vdc的正极经过S1再通过LC滤波电路，然后通过负载，从S4返回到直流电源的负极；在后半个周期内，电流同样从Vdc的正极出发，经过S3以后进入LC滤波电路，通过负载以后，由S2返回到直流电源Vdc的负极。与半桥逆变电路相比，全桥逆变电路虽然结构复杂，但是输出的电压幅值与直流侧电源电压一样，是半桥逆变电路的两倍，本文采用全桥逆变电路。由于电力电子元器件的开关并不能够瞬间完成，所以如果控制电路的开关信号在前半个周期控制S1和S4导通以后，在换路的瞬间S2和S3导通，同时S1和S4还没有来得及关闭，就会造成四个元器件同时导通，所以需要插入一部分的0电压部分，空出一部分的死区时间，来避免电路发生短路。这样就可以做到在前半个周期结束以后，S1和S4两个晶闸管有足够的时间来完全关闭，然后在后半个周期的信号到来时，打开S2和S3这一组晶闸管，这样就保证了电路的可靠性和安全性。全桥逆变电路输出电压有效值：

2.2滤波电路设计

本设计采用的是LC滤波电路，LC滤波又被称为倒L型滤波，是在信号抗干扰和电磁辐射方面比较常用的滤波电路，由一个电感和和一个电容组成，如图3所示。与RC滤波电路相比，LC滤波电路可以通过的电流更大，可以达到几十到几百安培，而且LC滤波电路对高频信号的滤波效果更好。单使用一个电感进行滤波时，它的传递函数为：LC滤波电路的传递函数为震荡环节，在转折频率之后的信号为-40dB的衰减，相较于只加一个电感的惯性环节，惯性环节为-20dB的衰减，震荡环节的斜率更大，所以对转折频率之后的信号衰减的能力更强。LC滤波电路的截止频率公式为：三角波设置的开关频率为100kHz，为了滤除开关频率100kHz的谐波，LC滤波器的截止频率必须远低于100kHz，这里设置为10μF，截止频率为：

3PI控制器设计

为了使逆变器输出的电压在一定程度上不受外界因素的影响，就需要加入反馈电路，实现闭环控制。PI控制是在控制领域使用比较广泛的控制算法之一。在输入端给定一个期望值，在输出端用传感器来测得一个实际的数值，经过比较以后可以得到一个偏差，通过偏差对输入进行PI控制，设计合适的参数就可以实现输出的稳定。电压单闭环逆变电路的系统框图如图4所示：PI连续控制的公式如下所示：其中，err（t）为系统测得的偏差，偏差加上偏差的积分乘上一个比例系数，就构成了PI的连续控制公式。Ti控制的是积分项的占比。由于计算机内部都是数字信号工作，所以连续的公式是无法直接使用的，加入采样周期T以后，公式就如下所示：通过试凑法来确定比例系数和积分系数分别为Kp=0.8，Ki=0.003。

4仿真验证

通过Simulink对电路设计进行仿真验证。首先用Mosfet搭建逆变桥，利用Goto和From模块将SPWM与逆变桥连接，直接输出的SPWM波形设置为G1，连接到第一个桥臂的上管与第二个桥臂的下管；取反以后输出的SPWM波形设置为G2，连接到第一个桥臂的下管与第二个桥臂的上管，保证对称的晶体管同时导通，同时关断。继续加入RMS模块，将基波三角波频率设置为50Hz，调制波正弦波的幅值设置为1，改变为单位正弦波。然后加入PI控制器，将PI控制器的输出饱和值设置在0~1之间。通过Product模块做乘法来实现自动改变正弦波的幅值。放置一个给定电压220V，将RMS的输出电压作为反馈，与给定进行比较，送入PI控制器中。电路仿真模型如图5所示：通过观察图6的输出电压值，可以看到通过PI调节器的作用，输出电压有效值在0.1s后稳定在工频电压220V。从图7可以看到，经过逆变电路以后可以得到比较平滑的正弦交流电波形，电路结构设计没有问题，可实现预期的目标。5结束语电子负载有传统静态负载所不具备的多种优势，如体积小、发热低、安全性高、能源利用率高效等。随着时代的进步以及人们节能意识的增强，能馈式电子负载必将代替传统静态负载。本文主要对电子负载的并网电路部分进行设计，以Mosfet构成全桥逆变电路，将直流负载模拟部分的直流电转变为交流电回馈电网，通过Simlink仿真验证，可以实现预计的功能。

作者:吴陈 朱永光 李彦林 单位:泰州学院