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基于数字控制的馈能式直流电子负载设计

吕东  
【摘要】:随着世界能源危机的持续,节能技术越来越受到重视。在传统电源及电力电子产品出厂检测和老化测试中,能耗式负载被大量使用。但是电能在测试中被全部消耗,造成巨大的浪费。随着电力电子技术的发展和逆变并网技术在光伏发电中的大量应用,馈能式电子负载越来越受到重视。它能将用于测试的电能变换为交流电并返回电网,实现了能源的再生利用。本文提出一种基于数字控制的馈能式电子负载,相对于传统模拟控制方式,数字控制在抗干扰和多功能实现方面优势明显。 本文首先对馈能式直流电子负载的总体设计进行了介绍,通过比较多种方案,给出本文系统的设计思路。主电路使用DC/DC变换器和DC/AC变换器两级变换器构成。馈能式直流电子负载系统包含数字控制器、主功率电路、驱动模块、CAN通信模块、人机交互模块和辅助供电模块。本文介绍了每个模块的组成和作用,并阐述CAN现场总线应用。 馈能式直流电子负载主功率电路包括DC/DC变换器和DC/AC变换器。DC/DC变换器实现对输入电压电流的控制。DC/AC变换器可以将电能变换为交流电并返回电网。DC/DC变换器选用原边带钳位二极管的ZVS全桥变换器作为主拓扑。它避免硬开关具有开关损耗和电磁干扰严重的缺点。DC/AC变换器采用传统全桥逆变电路,功率管采用RCD吸收电路,输出滤波器采用尖峰抑制滤波器。 然后,本文详细介绍了系统的硬件电路设计和控制策略设计及数字实现。系统硬件电路主要包括辅助供电电路、控制指令电路、驱动电路、采样信号电路和桥臂保护电路。本文对各部分硬件电路进行了工作原理分析。本文中的数字控制器采用TI公司的TMS320F28335DSP和Altera公司的MAX3000系列的EPM3064A CPLD。TMS320F28335为主控制器,EPM3064A为辅助逻辑控制器。TMS320F28335DSP含有增强型脉宽调制(ePWM)模块,它是实现本文驱动控制的关键模块。EPM3064A CPLD为驱动信号提供逻辑保护功能。在控制策略设计中,DC/DC变换器采用单闭环控制,DC/AC变换器则采用直流母线前馈控制、交流电流内环控制和数字锁相控制。 最后,本文使用PSIM软件对DC/DC变换器和DC/AC变换器进行仿真建模,并结合功能样机的实验结果进行分析,论证了本文设计方案的可行性。功能样机可以模拟阻性负载特性,输出可以并网。系统稳定可靠,满足设计要求。


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