《直流电子负载基本工作模式的实现策略研究毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电子负载基本工作模式的实现策略研究毕业论文（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、直流电子负载基本工作模式的实现策略研究毕业论文目录摘要1AbstractII第1章绪论- 1 -1.1 课题背景及研究的目的和意义- 1 -1.1.1 课题来源- 1 -1.1.2 研究目的- 2 -1.1.3 研究意义- 2 -1.2 国外电子负载的研究现状及分析- 3 -1.2.1 直流升压电路拓扑的研究现状- 3 -1.2.2 各种负载特性的研究现状- 4 -1.2.3 逆变并网的研究现状- 5 -1.2.4 工程实现与产品现状- 5 -1.3 系统的主要设计思路- 6 -1.3.1直流升压斩波电路的拓扑结构选择- 6 -1.3.2 负载工作模式的实现- 6 -1.3.3 逆变并网的设计
2、- 7 -1.4 本文主要研究容- 7 -第2章直流升压电路的设计- 7 -2.1 直流升压电路拓扑结构选择- 8 -2.1.1 推挽电路拓扑分析- 8 -2.1.2 Boost直流升压斩波电路拓扑分析- 9 -2.1.3 中间抽头电感的DC-DC升压变换器拓扑分析- 10 -2.1.4 电容储能型Cuk电路拓扑分析- 11 -2.1.5 比较分析与小结- 13 -2.2 直流升压电路控制策略的设计- 13 -2.2.1 闭环反馈采用PID环节- 13 -2.2.2 三种控制策略的具体实现方案- 14 -2.3 电容储能型Cuk电路整体分析与仿真验证- 15 -2.3.1 电路设计参数分析-
3、15 -2.3.2 三种控制策略的电路分析- 17 -2.3.3 直流升压电路整体Simulink仿真验证- 18 -2.4本章小结- 22 -第3章逆变并网电路的设计- 23 -3.1 并网逆变器电路拓扑结构设计- 23 -3.1.1并网逆变器的结构- 23 -3.1.2 滤波器的选择- 24 -3.1.3 并网侧变压器的应用- 25 -3.2 逆变电路的控制策略设计- 26 -3.2.1 滞环电流控制方式- 26 -3.2.2 电压电流共同控制方案- 27 -3.3 逆变电路总体分析与仿真验证- 28 -3.3.1 逆变电路总体分析- 28 -3.3.2 逆变电路总体Simulink仿真验
4、证- 28 -3.3 本章小结- 31 -第4章系统整体分析与仿真验证- 32 -4.1 系统总体分析- 32 -4.2系统仿真验证- 34 -4.3本章小结- 41 -结论- 42 -参考文献- 43 -致谢- 45 - .专业.专注. 第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义1.1.1 课题来源现实生活中和工业生产中都离不开各种各样不同性能不同用途的电源，生产这些电源出厂前都要进行相应的性能检验。在对这些电池充电器、AC-DC和DC-DC电源等设备以及功率器件、电池等部件进行性能测试时，都需要对这些设备和部件施加电气负载，传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当负载。这种方法存在精
5、度低、可控程度低、易老化、电能损失大等诸多缺点，已经不能适应国家倡导的节能减排、低碳经济的新要求。随着电力电子技术的发展，一种新兴的电子仪器和测试设备电子负载应运而生，它应用电力电子技术进行负载模拟，将待试设备的输出能量反馈到电网1，在完成测试功率实验的前提下，不仅实现了节能减排，还具有很强的操作灵活性2。下面表1-1为传统负载与电子负载之间的对比3-5：表1-1 传统负载与电子负载对比 传统负载 电子负载电流增大时电阻温度升高，电压电流呈非线性关系，精度低，测试性能不佳完美模拟各种负载性能（恒流、恒阻抗、恒功率），满足电源测试要求测试过程产生巨大的电能损耗除电力电子器件少量开关损耗及线路损耗
6、外，其余能量都能通过逆变电路回馈给电网，节约能源90以上体积过大，存在散热困难体积较小，由于不消耗功率不存在散热问题功能单一，不可控制状态可控，可实现无级调节元件容易老化，使用不方便寿命较长，方便应用基于电子负载以上的优秀性能，将其更多的应用于电源出厂性能测试已经成为必然的趋势。因此，研究和开发的电能回馈型电子负载技术成为了一项有意义的工作。1.1.2 研究目的本次研究任务为分析设计一个能馈型直流电子负载，实现电源性能的测试和能量回馈电网。总体结构如图1-1所示。其中本次设计主要完成直流升压和电源性能测试部分，使之升压至直流350V为逆变并网做准备，并且具有3种负载工作模式：恒定电流模式(CC
7、)、恒定电阻模式(CR)、恒定功率模式(CP)，以满足电源的测试需求；同时完成并网逆变器的设计，使并网电流与电网电压同相，以保证能量能回馈到电网，且电流波形尽可能接近完美的正弦波，减小THD，提升并网质量。图1-1电子负载总体结构具体技术要求：(1)直流电源电压额定值：48VDC；最大波动幅度：20%；最大波动频率：300Hz。(2)模拟负载精度在直流电源电压的最大波动幅度和最大波动频率围均能保证负载电流/阻抗/功率低于2%。(3)变换器输出直流电压400VDC5%。1.1.3 研究意义目前已经有一些电子负载产品开始代替传统负载进行电源性能实验，如可靠性试验（老化放电试验）、输出特性试验等等，
8、有些产品也已经达到了比较好的性能6。但是依然有很多问题有待改进和开发，比如很多电子负载属于能耗型电子负载，并不能达到节约能源的目的，还有些电子负载控制模式单一，或没有考虑到测试电源电压脉动的问题，不能满足电源所有的测试要求。所以本次要设计一种直流能馈型电子负载，不仅能够满足不同类型电源的各种性能检测，达到一定的精度，而且还能将本要浪费的能量回馈给电网，同时严格满足幅值，相位，频率等要求，从而对电子负载的研究学习更进一步。1.2 国外电子负载的研究现状及分析传统电子负载只能进行简单的负载测试，并且测试电源的能量依然是变成热功率被消耗掉。这种电子负载已经慢慢被淘汰，取而代之的是带有并网逆变器的能量
9、回馈型电子负载7，这也是近年来主要研究开发的趋势。本文所研究的直流能馈型电子负载便是一种专门应用于直流电源测试的电子负载。直流能馈型电子负载主要由两部分组成：直流升压（DC-DC）部分和逆变并网（DC-AC）部分8，如图1-1所示。其中直流升压部分主要完成两项功能，即直流升压和各种负载特性的实现；逆变并网部分主要是将能量回馈给电网，并且保证并网电流具有比较好的品质。这两部分在国外学术研究和工程领域已经取得了很多成果。1.2.1 直流升压电路拓扑的研究现状传统的直流升压电路为Boost升压斩波电路，在电感电容无限大的理想条件下此电路的升压比理论值为无限大，但是由于工程实现中电感电容都不能达到理想
10、特性，加之电路其他损耗，Boost升压斩波电路的最大占空比为0.889，即升压比不大于7.3时能够比较好的实现。这种电路拓扑的优点是结构简单可靠，控制方法简单，缺点是升压比有限，且开关频率增大时损耗也变大。在一些要求升压比较大的场合，往往采用带隔离直流升压电路拓扑，如反激电路或推挽电路，这些电路结构中由于具有升压变压器而使升压比具有更大的围，但是同时也由变压器的使用带来了更大的损耗和体积增大、难以维护等等问题，并且由于两个开关管的导通间隔使电流存在断续，因此本拓扑只适用于电流断续型电子负载。近二十年国外学者提出了很多改进的拓扑结构，如Gupta10提出将多个直流电源串联来获得较高的输入电压；E
11、dson Adriano11提出了采用一种新型直流变换器进行升压，具体采用Cuk变换器实现对输入电流的控制，实现对实际负载的模拟；这种结构沿袭了他本人1996年的设计，他曾经提出过一种新型Cuk变换器拓扑12，采用电容储能的Cuk变换器，其结构如图1-2所示。这种电路拓扑不仅可以实现输入和输出电流的分开控制，而且无需其他辅助电路，通过适当的控制就能实现开关管的软关断，减小了开关损耗，其不足之处是升压比比较小，不适用于对升压要求很高的场合。图1-2一种新型Cuk变换器与此同时许多国学者也探究出了一些新的直流升压电路结构13，反映出一些不同的特色特点。总的来说，各种方案各有所长，都在自身适合的场合
12、具有不错的效果。1.2.2 各种负载特性的研究现状从控制策略来说，一般应用比较多的是将电流作为参考控制量，利用系统即时参量的采样值经过一定运算与参考电流比较，经过一个PI环节反馈控制电力电子器件开通的占空比，从而达到控制不同负载特性的目的，这也是比较传统和普遍的方式。还有一些文献则采用了其他比较复杂的控制方法，比较有代表性的是中南大学学者采用模糊控制的方法实现负载模式控制，也取得了非常优良的控制效果。从工程实现来说，往往采用一块芯片作为整个电路采样、运算和驱动控制的核心。由于单片机MCU的处理速度较慢不能满足控制要求，所以现在往往采用DSP芯片达到目的14。图1-3为空军工程大学工程学院学者设
13、计的一款航空电子负载15，比较好的展现出负载模式控制的硬件结构。图1-3 一种航空电子负载的硬件结构1.2.3 逆变并网的研究现状直流升压得到350V直流电压后，要通过单相桥式逆变电路或三相逆变电路逆变并网，控制方式主要有SPWM控制和滞环比较控制两种方式16，两者各自具有不同的优缺点和适用场合；其他的一些逆变电路诸如多重逆变或多电平逆变则由于低次谐波不易消除且结构比较复杂而使用的比较少。单相桥式全控逆变电路输出的PWM波还需经过一个滤波环节和一个变压器实现并网。滤波环节多采用L滤波器，LC滤波器，LCL滤波器等等都能达到比较好的滤波效果17，而变压器则主要起到一个电气隔离的作用。1.2.4
14、工程实现与产品现状在工程实现上，直流电子负载的研究已取得了一些成果，也有一些成熟的产品，并且开始在电源的试验中获得应用，如北京索英电气的电能反馈式直流电子负载。1.3 系统的主要设计思路直流能馈型电子负载系统主要由直流升压、逆变并网两部分构成。其中本次主要研究直流升压（负载的不同工作模式）部分。根据任务书所述，电源为48V带20%波动幅度的直流电压，这个波动产生的原因有可能是该电源由三相全桥整流电路整流而得到的脉动直流源，控制时考虑加入一个闭环负反馈控制削弱电源扰动的影响，同时系统滤波的带宽应至少不小于300Hz。1.3.1直流升压斩波电路的拓扑结构选择列出几种典型的直流升压电路拓扑结构：Bo
15、ost直流升压电路、推挽电路、中间抽头电感直流升压电路、电容储能型Cuk电路等等。通过综合考虑升压比、电路稳定性与损耗、硬件实现难易、控制方法难易等等诸多因素选择一个最佳的拓扑。此外有关电容电感以及电路其他元器件参数的设计和其他细节的设计均在电路设计与仿真过程中做出进一步探索和研究。1.3.2 负载工作模式的实现本系统要实现3种负载模式：恒定电流模式、恒定电阻模式、以及恒定功率模式。为完成这几种模式的功能，需要对输入电流进行采样控制。图1-4 设想的一种负载模拟控制策略图1-4为设想的以直流升压斩波电路作为示例的控制模型18，采用输入电流Iin作为采样控制对象，与期望电流Iref对比再经过一个PID环节对开关管的占空比进行控制，从而通过一个闭环负反馈系统将电流控制在期望的围。1.3.3 逆变并网的设计本次设计主要考虑为逆变提供前级稳定的350V直流电压，逆变并网一般采用单相桥式逆变电路，控制方式主要有SPWM控制和滞环
