能量反馈型电子负载的研究

张同怀，雷新颖

(1.西安航空学院，陕西 西安 710077;2.西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 710077)

能量反馈型电子负载的研究

张同怀1，雷新颖2

(1.西安航空学院，陕西 西安 710077;2.西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 710077)

为了能量反馈型电子负载能够连续稳定运行，采用STM32单片机作为控制器，通过对系统分析，提出较为实用的控制模型。经过Simulink仿真，采用滞环算法和PID算法控制系统，可以得到满意的效果。实验结果表明：整流级的电流相位可以滞后或超前其电压相位任何角度，逆变级工作在功率因数是1的逆变状态，整个系统可以稳定连续运行。系统的控制模型正确，控制方案可行。

电子负载；滞环算法；PID算法；功率因数

0 引言

能量反馈型电子负载与普通的电子负载相比，可将普通电子负载消耗为热能的能量反馈到电网，如果长时间运行可以节约大量能源。能量反馈型电子负载系统比较复杂，控制任务比较繁重，对控制器性能要求比较高。为了简化其控制系统，提高系统的可靠性和降低成本，本文通过对系统的分析，提出较为简单的控制模型，即使用滞环控制算法控制整流级和逆变级，采用PID算法控制整流器输出直流电压，采用STM32单片机作为控制器。

1 系统结构

能量反馈型电子负载结构包括主电路和控制电路两大部分。主电路通常具有两级结构，前级为PWM整流级，后级为PWM逆变级，如图1所示。图1中电容C左侧电路是整流级，充当电子负载的作用，其功能是从电源Vs吸收能量，将吸收的能量存储在大电容C上，并在控制器的控制下实现阻性负载、感性负载和容性负载等各种不同的工作状态。图1中电容C右侧的电路为逆变级，其功能是将大电容C上存储的能量反馈回电网，并在控制器的控制下按照单位功率因数运行。

2 系统的控制

系统要实现连续运行，大电容C上电压值必须稳定。实际选取中容量值应足够大，保证在交流电的一个周期内工作时，其电压变化很小。控制电路框图如图2所示，其中电压控制环的采样周期可以采用交流电的周期，此处忽略了交流电的波动。电流控制环采用滞环控制，其控制周期远小于电压控制环的控制周期，电流控制环整体可以看作是一个比例环节，这样做可以大大简化系统分析。

下面的推导过程中，均采用交流电的有效值计算。设大电容C上的电压为u，流入大电容的电流为i，整流级输入端电压有效值为u1，流入整流级的基波电流有效值为i1，逆变级输出端电压有效值为u2，逆变级输出基波电流有效值为i2，忽略损耗，根据功率平衡，各量之间有如下关系：

u1i1cosφ=ui+u2i2

(1)

其中φ是i1与u1之间的相位夹角。根据电容的定义有：

(2)

将(1)带入(2)得：

(3)

把i1看成干扰，并省去负号，则(3)式变为：

两边取拉氏变换得大电容的传递函数：

(4)

可以看出这是一个积分环节。

被控对象是积分环节，可以采用常规的PID算法进行控制。为了考虑交流电的波动对控制系统的影响，在仿真时对控制器输出的信号乘了交流信号的绝对值，如图3所示。图4为仿真的阶跃响应曲线，效果理想。

3 系统实现

主电路中IGBT选用FGA25N120型号。STM32单片机是32位的单片机，其工作速度较高，自带2个12位的AD转换器，非常适合用于对能量反馈型电子负载的控制。本文选取STM32F103RBT6单片机作为控制器，驱动电路采用A316J，采用霍尔电流传感器测量主电路中的电流。

正常工作时，大电容C上的电压要大于逆变级交流侧电压的最大值，并适当设置高一些。否则，逆变级输出电流的波形将不正常。当大电容C上的电压小于变压器副边交流电压绝对值时，不管怎么控制4个IGBT，将不能自由调整逆变级中流过电感电流的增大或减小。

4 电路调试

电路的调试过程先调试逆变级，再调试整流级，最后联调。调试逆变级时，大电容C直接接直流稳压电源。整流级单独工作时，当流入整流级的电流相量与加在整流级输入端的电压相量的夹角小于90°时，大电容C上的电压将进一步升高，当它们同频同相时，大电容C上的电压升高速度最快。所以单独调试整流级时，必须在大电容两端并联合适的电阻，作为模拟负载，否则由于大电容C上电压一直上升，造成过压损坏。

系统整体工作时，处于动态平衡状态。启动要平缓，开始时应该使整流级流入大电容的电流小一些，并可以将流入整流级电流的幅值设置一个较小的值，或者将流入整流级电流的相角设置一个较大的值，等到系统工作稳定后可以用电位器缓慢调节到设定值。

图5、图6是不同负载下的电路工作波形图，其中直线表示大电容上电压，可以看出正常工作时，大电容上的电压平稳。电容电压下方的正弦波表示电源电压，与其反相的另一条带毛刺的正弦波表示逆变电流，剩余的一条带毛刺的正弦波表示整流级的电流。图5是整流级阻性状态运行，其电流与电压同相。图6是整流电流滞后电压45°。

5 结语

经实际运行测试，PWM整流级的电流可以滞后或超前其电压任何角度，用于模拟不同性质的负载。逆变级通常工作在功率因数为1的状态下，整个系统可以稳定连续运行。系统的控制模型正确，控制方案可行。尤其在电源产品老化的情况下，使用能量反馈型电子负载可以节约大量的能源。

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[责任编辑、校对：东 艳]

Research on Energy-feedback Electronic Load

ZHANGTong-huai1,LEIXin-ying2

(1.Xi'an Aeronautical University,Xi'an 710077,China; 2.School of Electronic Engineering,Xi'an Aeronautical University,Xi'an 710077,China)

With STM32 microcontroller as the controller,the paper presents a relatively practical control model through system analysis in a bid to ensure the continuous and stable operation of energy-feedback electronic load.Via Simulink simulation,hysteresis algorithm and PID control system can produce the satisfactory results.Experimental results show that current phase at the rectifier stage can lag behind or lead voltage phase at any angle;with the power factor being 1 at the inverter stage,the system can work stably and continuously;the control model of the system is correct,and the control scheme is feasible.

electronic load;hysteresis algorithm;PID algorithm;power factor

2016-10-09

陕西省教育厅科学研究计划资助项目(14JK1364)

张同怀(1962-)，男，陕西凤翔人，西安航空学院副院长，副教授，主要从事测控技术研究。

TM714

A

1008-9233(2017)01-0042-03