能量回馈型电子负载的原理介绍 本文关键词：回馈，能量，原理，介绍，电子负载
能量回馈型电子负载的原理介绍 本文简介：能量回馈型电子负载的原理介绍/StudyontheTheoryofEnergyRecyclingElectronicLoadDANGSanlei,QIUDongyuan(ElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou51
能量回馈型电子负载的原理介绍 本文内容：
能量回馈型电子负载的原理介绍
/Study
on
the
Theory
of
Energy
Recycling
Electronic
Load
DANG
Sanlei,QIU
Dongyuan
(Electric
Power
College,South
China
University
of
Technology,Guangzhou
510640,China)
摘要：能量回馈型电子负载是一种用于各种电源出厂试验的能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置。它能够实现对所模拟电阻值的无级调节，并能够实现电能的再生利用，具有节能、体积小、重量轻、节省安装空间、试验性能优良等优点。本文简要描述了交直流电子负载的结构、原理和控制方式，并对主要影响系统性能的PWM整流器的工作原理和控制方法进行了重点分析。
关键字：电子负载，能量回馈，PWM整流器
ABSTRACT:
The
energy
recycling
electronic
load
is
a
new
type
power
electronics
instrument
that
can
run
with
the
same
function
as
resistors
in
the
all
kinds
of
power
source
burn-in
test.
It
can
be
regarded
as
a
resistor
whose
value
can
change
smoothly.
The
device
saves
energy
by
feeding
burn-in
test
power
back
to
the
utility
system.
It
is
lighter,smaller
and
has
a
better
performance
in
the
test
than
the
normal
electronic
load.
This
paper
describes
the
structure,principle
and
control
strategy
of
AC
and
DC
energy
recycling
electronic
load
briefly.
The
principle
and
control
strategy
of
the
PWM
rectifier
are
studied
in-depth.
KEYWORDS:
electronic
load,energy
recycling,PWM
rectifier
1
引言
电子负载是指能模拟真实负载某些特性的电子设备，它不仅可模拟不同数值的电阻、电感、电容及它们的组合，而且可模拟非线性负载的某些特性。电子负载具有调节方便、通用性强、精度高、稳定性好等优点，是电源试验测试用负载的发展方向。电子负载作为电源测试的重要手段，随着电源测试集成化、一体化的发展趋势，其重要性越发明显。
能量回馈型电子负载既能模拟各种负载特性，又能将电能无污染的回馈电网，是当前电子负载发展的必然趋势。与普通电阻负载相比，它的工作方式是利用电力电子变换技术在完成测试功率实验的前提下，将被测电源的输出能量循环再生利用，既节约了能源又不产生大量的热量，避免了试验场所环境温度升高的问题。该电子负载未将试验功率转变为热能，因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，节约了安装空间。由于采用的是能量回馈的方式，因此试验场所不必配备较大的电源容量，降低了供电容量的成本[1]。
本文分别介绍了交直流电子负载的结构，工作原理和相应的控制方式，并重点分析了PWM整流器的工作原理和不同控制方式的优缺点。
2
能量回馈型交流电子负载
图1给出了单相能量回馈型交流电子负载系统结构图，采用具有中间直流环节的AC/DC/AC双级变换结构，分开控制电子负载的输入电流iu、输出电流ir，并且能使输入和输出工作在不同的频率满足某些特殊电源测试需要。AC/DC整流单元与DC/AC逆变单元均采用电压型PWM整流器，前级整流单元控制被测电源的输出电流iu，模拟被测电源需要的负载特性；后级整流单元控制直流侧电压Vdc和并网电流ir。控制上前后级是解耦的，可以分开进行分析和设计[2]。
图1交流电子负载系统
Fig.1
AC
electronic
load
system
前级整流器的功率因数在-1至1间可调，后级逆变器功率因数一般为-1，被测电源输出的电能（除去开关损耗）经逆变回馈电网。
图3
能量回馈控制系统
Fig.3
Control
system
of
energy
feedback
unit
2.1
负载特性模拟功能的实现
图2
负载特性模拟控制系统
Fig.2
Control
system
of
load
characteristic
simulation
unit
图2给出了负载特性模拟控制系统图，其中Pref、Vu和iu分别指模拟负载的功率、被测电源输出电压和被测电源输出电流，iuref
和iuf分别指被测电源输出电流控制目标值和被测电源输出电流反馈值。前级PWM整流的主要目的是模拟阻感负载特性，并把能量从被测电源传递给能量回馈单元。对于前级整流单元而言，后级整流单元相当于直流电压源，只有一个控制量iu，对iu进行闭环控制。电子负载作为被测电源的负载，要能模拟RL负载特性，因而图中移相电路是必需的[3]。Pref经过移相后与Vu通过乘法器产生模拟负载输入电流（即被测电源输出电流）控制目标值iuref，iuref再与反馈电流iuf比较生成电流误差值，误差值经过电流调节器和PWM发生器形成相应的PWM脉冲使开关管开通或关断，达到iu对iuref快速跟踪，这样就实现了负载特性的模拟功能。
2.2
能量回馈功能的实现
图3给出了能量回馈系统控制系统图。后级整流单元控制直流侧电压Vdc和并网电流ir，使并网电流正弦化和并保持功率因数为-1是后级控制的主要目标。如控制系统框图所示，Vref为直流母线给定电压，Vdc为直流母线电压，ir为并网电流，Vs为与电网电压同相的单位正弦信号。根据对直流母线电压误差的比例积分调节，控制系统自动选取能量流动方向，PI调节器的输出与Vs相乘生成的正弦信号作为并网电流的控制目标值，电流目标值与反馈值的电流误差经过电流调节器调节后生成信号波与载波比较产生驱动信号。只要选择合适的控制系统参数，可维持母线电压恒定的同时能量自动选取流动方向做到了能量平衡，网侧电流可为与电网同相或反相的正弦波形且THD很小[2]。反馈电流和电压通过高频噪声滤波和凹槽滤波器可以进一步减少谐波含量[4]，改善电子负载的性能。
2.3
电压型PWM整流器
交流电子负载中的负载特性模拟和能量回馈两个功能的实现都依赖于电压型PWM整流器，因而选择合适的PWM整流器拓扑结构和相应有效的控制方式决定了电子负载的性能。
PWM整流器是应用脉宽调制技术（PWM）发展起来的一种新型电源变流器，既可以将电网输入的交流整流为输出的直流，也可方便地将直流逆变为交流，回馈到电网中去，因而PWM整流器也被称为脉冲变流器或四象限变流器。目前，应用最为广泛的是电压型桥式变流器，三相电压型PWM整流器即是其中的一种，交流电子负载的负载特性模拟单元与能量回馈单元，直流电子负载的逆变部分都采用这种整流器。对于此类电压型桥式电路的分析，应当从其基本的组成单元半桥单元入手。
由三相电压型PWM整流器三相电压的对称性可以知道，直流侧中点电位与电网中线等电位。以此电位为参考地电位，理想情况下三相电压型PWM整流器半桥单元的理想拓扑结构如图4所示。若以正弦脉宽调制规律控制开关S1、S2，可在A点得到基波为正弦波的脉宽调制波Us，其基波幅值：
(1)
a为调制比，相位和频率都可以控制。如果控制的频率与网压频率相同，则可以得到如下电压矢量关系式：
(2)
对应的电压矢量图如图4所示。图中可以看出，调节的幅值和相角可使在四个象限内随意变化。图中给出和两种情况，相应得到的和各在II、IV象限，对应于整流和逆变两种状态。对于电子负载能量回馈环节来说，三相电压型脉冲整流器应工作在有源逆变的状态，且其功率因数应为-1.0，以保证不对电网造成污染，而对交流电子负载的负载特性模拟环节，相电压型脉冲整流器应工作在有整流状态，且其功率因数应为-1.0至1.0，输入电压为正弦波[5]。
控制能量回馈的关键是矢量图中的，或者通过对的控制以完成对的控制，或者直接对进行控制，完成对交流侧电流、功率因数的控制，从而实现各种功能：整流器，逆变器，功率因数补偿器，谐波补偿器等等。
图5
滞环电流控制原理
Fig.5
Principle
of
hysteresis
current
control
PWM整流器的电流控制既包含幅度控制，又包含相位控制，这些年来，已经出现了不少有关的交流侧电流控制的方法，相位幅度控制（PAC）是一种应用较多的方法。该方法基于输入回路的稳态相量关系，根据稳态电流向量的给定、PWM基波电压向量的幅度与相位，分别予以闭环控制，进而通过SPWM电压控制实现对输入电流的控制。这种控制方法存在几个方面的缺陷，一是对PWM电压向量的幅度与相位以两个闭环分别控制，加之通常出于系统稳定性的考虑，两个闭环的响应速度差别较大，幅度与相位瞬态响应速度不同步，难以保证系统具有良好的动态特性；二是从稳态相量关系出发进行电流控制，其前提条件是交流电压源不发生畸变，而实际上由于电网内阻抗的存在，负载的变化及各种非线性负载等扰动尤其是在瞬态过程中，电源波形的畸变会直接影响着系统控制的效果；三是在用于有源无功补偿的情况下，由于脉冲整流器交流侧电流源非正弦，相量关系及SPWM将不再适用。此外有些基于三相坐标变换的电流控制方法，往往由于其坐标变换给系统控制带来一定的复杂性。
从这点来讲，采用电流控制PWM技术可以使上述问题得到比较圆满的解决。诸如电流滞环控制，和PI电流控制等方法，在电网电压畸变、电流给定波形非正弦的情况下，可以通过开关控制使网侧电流基本上跟踪参考电流的变化。
图4
半桥单元拓扑及电压矢量图
Fig.4
Half-bridge
unit
configuration
and
voltage
vectorgraph
滞环电流控制的突出特点之一是控制简单，用模拟器件很容易实现。另外，当功率器件的开关频率很高时，响应非常快，并且对负载及电路参数的变化很不敏感，不过模拟器件用于系统核心的电流及PWM控制与目前的全数字化趋势很不协调。此外，这种方法的滞环宽度固定，而开关频率不固定，高低悬殊，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰。因此，采用各种改进方法是必要的。
PI电流控制方法将反馈电流与给定信号相比较，经PI调节器输出与载频三角波比较产生PWM开关信号谐波成分远比三角波频率低。一种改进的方法是把PI调节器置于d-q坐标系，这样所需调节的电流为直流量，调节器的输出经旋转坐标变换，转换成为三相正弦信号，再与三角波比较输出PWM信号，但这种方法增加了系统实时运算处理的复杂性，普通的微处理器难以胜任[6]。
小惯性电流跟踪（SICT）控制是近年来兴起的一种特别适合于脉冲整流器的电流控制方法，它集滞环电流控制的简单、快速性和PAC、PI电流控制方法的开关频率固定特点于一身，不过需要以性能优良PWM调制器作保证。
以上几种电流控制方式各有特点，但由于滞环电流控制简单，易实现，比较多的研究中采用这种方式，同时通过采用限制最高开关频率的方法来避免了由于频率过高产生的电流尖峰的出现。本文中所有的PWM整流器均采用这种控制方法，下面主要分析滞环电流控制的原理。
工作时，将正弦电流参考波形与线电流的实际波形进行滞环比较，比较结果决定逆变器桥臂上下开关元件的导通和关断，如图5所示。其基本原理可以简述如下：设置滞环比较器的环宽为Δi，Δi对应着设定的最大电流偏差，当实际相电流ia比参考电流ia*高Δi时，滞环比较器的输出使对应的逆变器桥臂上开关器件截止，下开关器件导通，迫使电流下降；当实际电流降到比参考电流低Δi时，滞环比较器
的输出使相应逆变桥臂上开关器件导通，下开关器件关断。如此上下两开关反复通断，迫使实际电流在一个允许的偏差范围内跟踪参考电流[1]。
3
能量回馈型直流电子负载
图6给出了能量回馈型直流电子负载的一般系统结构。由于待测直流电源一般输出为低压直流电，不能直接逆变后并入电网，一般有如图所示的两种实现方案[7]：1）直流电通过DC/DC变换后得到高压直流电，再逆变为交流，如图6(a)所示；2）直流电直接逆变为交流电,然后通过变压器实现电能的再生利用,如图6(b)所示。由于第二种方案采用的工频变压器体积大，质量大，变比大，输入电流大，不易安装，而且低压大电流逆变电路难以实现，图6
直流电子负载结构
Fig.6
DC
electronic
load
configuration
所以一般采用第一种方案。
直流电源要求电子负载能够实现电流的无级调节，以满足被试电源对不同电流值的试验需要，通过控制保持低压直流侧电流恒定，可以看作电流源，交流侧直接并网，当电网电压不变时，交流侧可以看作恒压源，交流电流随着直流电压的波动而波动，以实现整个系统能量的平衡。其中DC/DC部分要完成将低压电能变为可供逆变器相电网输入能量的高压，这部分输入端低压大电流，输出高压小电流，输入设计难度较大。逆变部分要实现核心任务，模拟实际电阻负载，调节输出电流大小，并且要求无污染的并网。
在模拟阻感负载时，直流侧电压Ud恒定，电网电压在一定范围内恒定，通讯电源输出电流的大小直接正比于系统所模拟的功率的大小，即正比于交流侧电流的大小，电流的设定值若按式(3)的给定进行控制，则成功地控制了通讯电源输出电流的大小，即成功地模拟了R、L性质的负载，此时通过对R、L值的设定即可实现对模拟功率的设定。同样更为简单的情况下，模拟纯电阻负载时，电流设定值按式(4)的给定取值即可[8]。
(3)
(4)
3.1
DC/DC直流变换环节
直直变换器（DC/DC）部分需要将低压输入直流升压为650V左右的高压直流以使得产生足够的高压，提供给脉冲整流器的直流侧以供逆变之用，并实现负载特性模拟[6]。
电路拓扑一般选用目前国内外直直变换电路中最常用的电路拓扑形式之一---全桥变换电路，也是中大功率应用场合更是首选拓扑。这主要是考虑它具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。
根据控制方式中反馈的电压和电流的不同，有电压控制型PWM和电流控制型PWM。电压控制型PWM把反馈电压值和进行给定电压值比较，根据误差值来增大或者减小占空比，使输出电压和给定电压一致。而电流控制型PWM控制系统分为峰值电流型和平均电流型两种，他们检测并反馈的分别是一个导通周期（Ton）内电流变化的峰值和平均值，工作原理即把反馈值和给定值作比较，根据比较结果来确定开关管的通断。和电压控制型比较，电流型控制具有动态响应快，易于实现限流和过流保护，允许的输入电压交流纹波大，多套系统并联运行时均流效果好，够有效的抑制逆变变压器单向偏磁所引起的饱和问题等优点，但是输出电压纹波较大。
直流电子负载中负载特性模拟功能由前级DC/DC变换部分实现，其中主要控制的就是电源的输出电流（即DC/DC变换的输入电流），因而采用电流控制型PWM更合适，更容易实现。虽然电流控制型PWM输出电压纹波较大，但是电子负载中的直流母线电压可以由后级PWM整流电路控制，可以维持在一个恒定值。
一般全桥DC/DC变换器常采用PWM技术同时开通或关断斜对角的一对开关管，使其工作在硬开关方式。这种工作方式随着工作频率的上升，开关损耗成正比上升，使系统效率下降，开关过程中产生的di/dt和du/dt引起强烈的电磁干扰噪声，Ldi/dt还会导致器件过压。为了避免这种情况的产生，对开关管常采用软开关技术，常见的软开关技术有串联负载串联谐振，串联负载并联谐振，准谐振和多谐振荡器等，其中串联负载串联谐振方式应用较广，并有成熟的经验。在文献[9]中DC/DC采用的全桥软开关变换电路通过在压器副边并联储能电容C的方法来实现原电流的复位，即ZCS，在功率管两端并联谐振容实现原边电压为零，即
ZVS，据试验表明性能较好。
3.2
DC/AC逆变环节
交直流电子负载这个环节的功能一样，可以采用相同的能量回馈方案，即电流控制方式的电压PWM整流器。
3.3
直流电子负载控制原理
前面讨论了直直变换器和逆变部分原理，在整个电子负载系统中，需要将两部分与被测电源有机地结合在一起，下面对一种系统控制方案作以论述。
控制方案为：通过对低压直流输入电流的设定，来控制DC/DC给定电流的大小，采用闭环调节实现对被测电源的考核电流快速跟踪。通过对输出交流电流的调节，实现高压侧直流电压的恒压控制，并使PWM整流器功率因数保持为-1实现能量回馈[8]。
系统控制方框图如图7所示：
图7直流电子负载控制系统
Fig.7
Control
system
of
DC
electronic
load
图中有两个闭环控制回路，对被测电源输出电流进行电流闭环控制和对直直变换器输出高压进行电压闭环控制。
1、电流控制环
给定电流IREF为给定电流，由电子负载用户设定所需要模拟的电阻的大小，从而给定电流的幅值，反馈电流为通过磁平衡式电流传感器反馈的电流信号，两者作差，结果通过PI调解器的运算得到直直变换器的峰值电流给定信号Id，以提供给电流模式控制电压型全桥变化器工作的需要。工作原理可以描述为：当直流电流给定值大于实际电流值时，作差的结果为Δi，通过PI调节得到累加值，使得Id变大，从而增大直直变换器输入电流的峰值，即相当于直直变换器的输出电流平均值变大；反之，直流电流给定值小于实际电流时，则减小Id，即减小直至变换器的输入电流，从而达到恒流的目的。
2、电压控制环
恒压控制环是系统的负载量调节部分，通过调节负载电流的大小，来恒定直流侧的电压，直流电压的恒定也表示了在高压直流侧流入的功率和流出的电功率相等，相当于通过调节负载电流间接地调节了开关电源输出电流的大小。
其工作原理为：VREF（定值）为直流电压给定，实际电压通过磁平衡式电压传感器采样，两者的差值通过PI调解器调整，结果作为负载交流电流的幅值设定，当直流电压大于给定时，说明流入直流侧的功率大于流出的功率，DC/DC对高压侧支撑电容充电，那么增大负载电流幅值，即增大流出直流侧的功率，使支撑电容放电，直流侧电压下降；反之，减小负载电流值，使直流侧电压上升，以保持电压恒定和系统的稳定。
两个闭环的控制，实现了负载模拟原理，只要设定负载电流值IREF，电子负载系统即可自动模拟电阻负载功能。
4
结束语
本文简要描述和分析了相关文献中能量回馈型交直流电子负载常采用的拓扑结构和控制方式，可以看出能量回馈型交直流电子负载一般由负载特性模拟单元和能量回馈单元两部分组成。其中前级控制一般较为简单，较易实现，而后级既要实现能量的回馈，还要尽量减少并网电流中的谐波含量，控制较为复杂，是电子负载的核心关键部分。选择一种先进PWM整流控制方式可以极大地改善电子负载的各种性能指标。理论上PWM整流器完全可以在实现模拟负载特性和进行能量回馈的基础上，对系统的功率因数及谐波进行一定的补偿，可使整个电源测试系统更加完善。
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篇2：变频器负载低压配电系统谐波治理方案
变频器负载低压配电系统谐波治理方案 本文关键词：谐波，变频器，负载，治理，方案
变频器负载低压配电系统谐波治理方案 本文简介：谐波治理方案变频器负载低压配电系统变频器负载低压配电系统1系统概述系统概述22测试与设计依据标准测试与设计依据标准33配电系统测试配电系统测试33.1谐波基础知识43.1.1关键词语的基本概念43.1.2谐波的产生和危害43.1.3谐波含量的国标要求53.1.4配电系统测量53.1.5测量仪器53.
变频器负载低压配电系统谐波治理方案 本文内容：
谐波治理方案
变频器负载低压配电系统变频器负载低压配电系统
1系统概述系统概述
2
2测试与设计依据标准测试与设计依据标准
3
3配电系统测试配电系统测试
3
3.1谐波基础知识4
3.1.1关键词语的基本概念4
3.1.2谐波的产生和危害4
3.1.3谐波含量的国标要求5
3.1.4配电系统测量5
3.1.5测量仪器5
3.1.6测量内容5
3.1.7被测供电系统简介及说明5
3.2测试数据报告6
3.2.12#变压器二次侧测试数据图表6
3.2.23#变压器二次侧测试数据图表6
3.2.34#变压器二次侧测试数据图表7
4
4、谐波治理方案分析设计、谐波治理方案分析设计.12
4.1
谐波治理方案设计15
4.2
安装方案.15
4.3
APF
供货清单.16
5有源电力滤波器介绍有源电力滤波器介绍
17
5.1
有源电力滤波器的基本原理17
5.2电气设计18
5.3控制系统18
5.4简单易操作的人机交互系统19
5.5外形尺寸及产品图片预览19
6治理效果评估及系统可靠性评估治理效果评估及系统可靠性评估
20
6.1治理效果评估20
6.1.1先进的技术保证20
6.1.2治理效果20
6.2系统可靠性评估20
6.2.1完备的系统检测及软硬件保护单元20
6.2.2可靠的硬件系统设计21
6.2.3成功的工业现场应用案例21
7APF
技术指标技术指标21
8出厂试验出厂试验
21
9质量责任承诺质量责任承诺
22
9.1质量保证22
9.2售后服务22
系统概述
河北某塑编制品有限公司始建于
1998
年，是一家专业生产塑料编制袋的企业，公司位于邢台
市隆尧县工业园区，拥有国内最先进的真空拉丝机、涂膜机、圆织机等
150
多台套，可年产成
品袋
2
亿条，产品主要远销河北、山东、天津、北京等地，深受用户好评。
该公司配电系统目前使用一台容量
800KVA
的变压器分为
10
路出线，给所属几个生产车
间负载供电，负载中包含
90
多台产生谐波的变频电机分布在五条出线支路上，在低压母线上
还配有两面电容补偿柜，投产运行半年多来，谐波干扰问题日益严重，不仅电容柜开关被炸坏，
而且目前还烧毁了两台
55KW
变频器，故障情况图示如下：
电容补偿柜发生谐振开关放炮炸毁
三台
55KW
变频器损毁了两台
需要对该配电系统进行谐波治理，以期消除谐波引发的生产运行设备故障，并降低谐波电
流消耗的电能浪费。
受某塑编制品有限公司的邀约，领步（北京）电能质量设备有限公司派技术工程师前去进
行电能质量测试并受委托依据测试概括设计谐波治理方案，方案中所规定的电源规格及配置构
成、技术参数、接口等指标，可作为设备设计、制造、验收、交货和质量保证的依据。
1
测试与设计依据标准测试与设计依据标准
设计标准如下：
GB/T
2900.1-2008电工术语
基本术语
GB/T
2900.17-1994电工术语电气继电器(IEC
6005(IEV446)-1977,EQV）
GB/T
2900.32-1994电工术语
电力半导体器件
GB/T
2900.33-2004电工术语
电力电子技术（IEC
60050-551：1998，IDT）
GB/T
12325-2008电能质量
供电电压偏差
GB/T
12326-2008电能质量
电压波动和闪变
GB/T
14549
电能质量
公用电网谐波
GB/T
15543-2008电能质量
三相电压不平衡
GB/T
15576-2008低压成套无功功率补偿装置
GB/T
15945-2008电能质量
电力系统频率偏差
GB/T
18481电能质量
暂时过电压和瞬态过电压
GB/T
3797-2005电气控制设备
GB
4208-2008外壳防护等级（IP
代码）
（IEC60529-2001,IDT）
GB/T
7261-2008继电保护和安全自动装置基本试验方法
GB
16836-2003量度继电器和保护装置安全设计的一般要求
DL/T
478-2001静态继电保护及安全自动装置通用技术条件
JB/T
5777.2-2002电力系统二次电路用控制及继电保护屏（柜、台）通用技术条件
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7828-1995继电器及其装置包装贮运技术条件
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620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合
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672-1999变电所电压无功调节控制装置订货技术条件
GB
7251.1-2005低压成套开关设备和控制设备
第
1
部分：型式试验和部分型式试验
GB
311.1-1997
高压输配电设备的绝缘配合
注：所有标准规范执行最新版本注：所有标准规范执行最新版本
2
配电系统测试配电系统测试
2.1谐波基础知识谐波基础知识
2.1.1谐波含量的国标要求谐波含量的国标要求
国标
GB/T
14549-93
规定的谐波电流和谐波电压畸变率要求如下：
表
1
注入
PCC
点各次谐波电流国标限值
标准
基准短路
电压谐波次数及谐波电流允许值,A
KV
容
量
MVA2345678910
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
2425
0.41078
62
39
62
26
44
19
21
16
28
13
24
11
12
9.7
18
8.6
16
7.8
8.9
7.1
14
6.512
当电网公共连接点的最小短路容量不同于表
1
基准短路容量时，按下式修正表
1
中的谐
波电流允许值：
式中
SK1—公共连接点的最小短路容量，MVA；
SK2—基准短路容量，MVA；
Ihp—表
2
中的第
h
次谐波电流允许值，A；
Ih—短路容量为
Sk1
时的第
h
次谐波电流允许值。
表
2
PCC
点谐波电压畸变率国标要求
各次谐波电压含有率％电网标称电压
Kv
电压总谐波畸变率
％奇
次偶
次
0.45.04.02.0
2.1.2配电系统测量配电系统测量
在河北某塑编制品有限公司相关部门的大力支持下，我方工程师于
2014
年
5
月
10
日应邀
对该公司变压器低压
400V
母线和负载有变频器的
5
条出线支路进行了电能质量测试，量测情况
如下：
2.1.3测量仪器测量仪器
美国
FLUKE
公司的
Fluke
435
电能质量分析仪。此设备用于监测电能质量，可以在线连
续长时间测量电压、电流的谐波，三相不平衡，闪变，暂态过程，波形变动，频率变化等。
设备技术参数：
·电压精确度:
0.1%
·电流精确度:
0.5%
·采样频率:1kHz~64kHz
·脉冲采样频率:100kHz~10MHz
·符合
EN610529
标准
2.1.4测量内容测量内容
此次测量使用
Fluke
435
电能质量测试仪进行不间断连续测量，获得连续的电流、电压、
谐波情况及瞬时的波形、功率、谐波等详细数据。
2.1.5被测供电系统简介及说明被测供电系统简介及说明
1）系统简图
分别对配电间
3
台变压器二次侧进行了电压谐波、电流谐波、功率因数等测试。测试点如
系统简图中所示。系统简图如下：
图
1
现场供电系统示意图
2.2测试数据测试数据报告报告
2.2.1变压器二次侧变压器二次侧
400V
母线测试数据图表母线测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表可知，变压器低压
400V
母线在无功补偿柜损坏未投入情况
下，系统内谐波电压总畸变率达到
4.8%，非常接近国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系
统内的谐波电流总畸变率达到
29.1%，最大值达到
275.8A，远大于国家谐波标准的安全限值要
求，功率因数达到
0.94
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.2变压器低压侧变压器低压侧
1#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
55KW
和
15KW
变频器设备的
1#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.7%，超出国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
18.4%，最高值达到
34.4A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功
率因数达到
0.97
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.3变压器低压侧变压器低压侧
2#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
55KW
和
15KW
变频器设备的
2#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.0%，达到国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
27%，最高值达到
64.2A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功率
因数达到
0.96
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.4变压器低压侧变压器低压侧
3#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
55KW
和
15KW
变频器设备的
3#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.0%，达到国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
12.3%，最高值达到
26.3A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功
率因数达到
0.98
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.5变压器低压侧变压器低压侧
4#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
38
台
2.2KW
变频器设备的
4#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
4.9%，接近国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
44.1%，最高值达到
52.2A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功
率因数达到
0.92
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.6变压器低压侧变压器低压侧
5#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
52
台
1.5KW
变频器设备的
5#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.0%，达到国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
46%，最高值达到
67.1A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功率
因数达到
0.9
以上，满足≥0.9
的考核要求。
4、谐波治理方案分析、谐波治理方案分析设计设计
4.14.1
谐波治理方式比较分析：谐波治理方式比较分析：
目前对用户配电系统中的谐波治理主要有无源滤波和有源滤波两类方式，由于无源滤波装
置是由滤波电抗器和滤波电容器组成的
LC
滤波回路，谐波流入
LC
回路易于电网发生谐振，因
此无源滤波装置设计需要综合考虑功率因数、谐波含量、特征谐波、电网阻抗等，同时结合工
程实际，选择电抗器和电容器参数，最后需要通过仿真验证谐波滤波效果，因此无源滤波装置
的设计是一个较为复杂的系统工程，特别是给各设计单位提出了较大的困难，由于其均为非标
设备和非标安装，同一项目各家设计方案不同，从而导致投入和滤波效果产生比较大的差异。
而随着目前电网中谐波源的多样化、分散化、复杂化，如节能灯、气体灯具、变频空调，
在一般工业领域使用的变频器、软启动以及各类节电装置的应用，虽然单个容量相比较小，但
由于存在同时使用概率大而产生的谐波叠加效应，使电网中的谐波呈现特征谐波复杂、谐波含
量变化大等特点，采用传统的无源滤波装置不能动态跟踪治理，因此近几年中出现了有源滤波
装置
APF，有源滤波装置本身作为一个谐波源，通过检测电网中的谐波，迅速产生与检测的谐
波相反的谐波，以抵消电网中的谐波。有源滤波装置动态跟踪电网中不断变化的谐波，实时发
出相反的谐波，由于其只针对谐波，因此解决了无源滤波装置易与电网发生谐振的问题，同时
不需要经过复杂的电网阻抗计算，只需估算谐波量，大大减少了设计工作量，因有源滤波装置
为标准设备，可保证设计方案统一性。
4.24.2
有源滤波装置在设计和使用上的优势有源滤波装置在设计和使用上的优势
谐波治理随着谐波源的复杂化和电力电子技术的突飞猛进发展，不管是从谐波治理装置的
设计还是实际应用，有源电力滤波装置必将取代无源滤波装置，成为未来谐波治理的主要方式：
1）从设计角度分析：有源滤波装置与无源滤波装置相比较，有源滤波装置只需估算谐波电流最
大值，而无需考虑电网阻抗、特征谐波以及仿真验证等因素，绝不会产生类似无源滤波装置设
计不当而发生谐振事故的可能。设计简单，可实现标准化设计，使方案统一。
2）从安装角度分析：无源滤波装置只适用于在谐波源处就地治理安装，集中补偿将不能避免谐
振发生，采用有源滤波装置既可以在谐波源处安装，也可以在变电所集中治理，以减少治理成
本。
3）从治理效果分析：有源滤波装置专门检测谐波，治理谐波，而且可以同时针对多次谐波同时
滤波，理论滤波率大于
90%，而无源滤波装置由于必须考虑电网谐振，LC
回路一般必须偏离谐
振点，导致理论滤波率小于
70%。
4）从经济角度分析：同一谐波含量的电网采用有源滤波装置比采用无源滤波装置更经济，主要
体现在装置容量较小，滤波率高，如采用集中治理取代分散治理则装置容量与分散治理的无源
滤波装置更小。从经济角度来讲，有源滤波装置具有更高的性价比。
5）从治理方式分析：有源滤波装置可实现动态全自动实时治理，而无源滤波装置只能进行静态
治理，而且必须要人工操作，根据谐波源工作状态决定投切。
6）从节能角度分析：有源滤波装置由于容量要远远小于无源滤波装置，因此损耗小于无源滤波
装置，采用有源滤波装置更加节能。
4.34.3
本项目中谐波治理方式的选择确定本项目中谐波治理方式的选择确定
在本项目中，用户对配电系统谐波治理的要求是严格消减抑制系统内的谐波含量，消除谐
波引起的损毁变频器和电容补偿装置的危害。而无论是变压器
400V
母线还是各个变频器负载支
路上的功率因数都能达到
0.9
以上，因此现有的无功补偿装置可以不用投入系统，治理谐波的
重点集中于消除对大功率变频器的危害，而整个配电系统内谐波源负载变频器数量多分布广，
设备与设备之间也会形成谐波叠加和干扰，因此采用有源滤波方式来实行精确谐波治理，可以
更好地解决对变频器负载的谐波危害。
4.4
谐波治理方案设计谐波治理方案设计
现场生产线中的变频器负载集中在五条出线支路上，而当前容易损坏的
55KW
变频器叁台
也分布在三条出线支路上，因此针对要解决的问题有两种费用不同的治理方法，具体分述如下：
1、400V
母线集中治理方法：
这种方法需要在变压器低压
400V
母线加装较大容量的有源滤波器，来吸收消减所有负载
支路产生谐波经过汇聚叠加到
400V
母线后的总谐波，根据测试数据分析，400V
总谐波电流最
高达到
275.8A，考虑到进一步满足运行还会引起谐波的增加，因此需要配置一台
300A
三相三
线有源滤波柜，应选择领步公司的
CAPF3L-400/300
三相三线有源滤波器一套，同时还需在五
条变频器出线支路上加装五台
XGB
谐波隔离保护装置来隔离五条出线之间的相互干扰，安装
方式如下图所示
费用投入详见附件，或联系公司。
此方法的优势：治理消减变压器低压母线整个谐波，对变压器的运行损耗和
96
台变频器负载实
行全部防护，可以确保长期稳定运行，免受谐波的危害和干扰。
2、出线支路分散治理
谐波对变频器的危害，大功率变频器受到的危害更明显，96
台变频器中当前主要危害发生
在叁台
55KW
大功率变频器上，因此从节约费用投入角度，可以选择在负载有
55KW
变频器的
三条出线支路上加装三台
75A
壁挂式有源滤波器来治理这三条支路的谐波，对这三条出线支路
的六台大功率变频器进行重点治理保护，而在另外两条很多台小功率变频器的出线支路上各一
加装台
XGB
谐波隔离保护装置进行初步防护，也能实现对变频器受谐波危害发生损毁的问题，
安装方式如下图所示
费用投入详见附件，或联系公司。
此方法的优势：针对性直接治理大功率变频器产生谐波引起的危害，投入费用比较低。
以上谐波补偿容量，均在此次测量的基础上进行的计算，如果客户今后有增容的计划，请以上谐波补偿容量，均在此次测量的基础上进行的计算，如果客户今后有增容的计划，请
提前说明，否则，我方认为此次测量为最大负荷。提前说明，否则，我方认为此次测量为最大负荷。
5有源电力滤波器介绍有源电力滤波器介绍
5.1
有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的基本原理
图
6
并联型有源电力滤波器系统结构
通用的并联型有源电力滤波器系统构成原理图如图
6
所示。图中负载为谐波源，系统由指
令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路四部分组成，其中后三部分共同构成
并联型有源电力滤波器的补偿电流发生电路。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的
谐波和无功分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根
据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。有源电力滤波器的主电
路目前均采用
PWM
变流器电路，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，在电网向有源电力
滤波器直流侧贮能元件充电时，则作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作
于整流状态。
有源电力滤波器的基本工作方式是检测补偿对象的电压与电流，经指令电流运算电路计算
得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流与负载
电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，得到期望的电源电流。当只补偿负载产生的谐波电流
时，可使补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等、极性相反，两者相抵，使得电源电流等于
负载电流的基波分量，成为正弦波。
上述工作方式可用如下的一组公式描述：
（1）
cLs
iii+=
（2）
LhLfL
iii+=
（3）
Lhc
ii
=
（4）
LfcLs
iiii=+=
式中，—电源电流、—负载电流、—补偿电流、—负载电流的谐波分量、—负
s
i
L
i
c
i
Lh
i
Lf
i
载电流的基波分量。
如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的
指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中
的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。
5.2电气设计电气设计
我公司
APF
设备，其主回路关键电器件，均采购自国际知名厂商，最大限度保证了产品的
可靠、稳定。并且功率器件都留有足够大的安全裕量。
表
8
APF
设备关键器件
序号型
号名称厂商
1SEMiX604GB12T4SIGBT
赛米控
2SKYPER
32PRO
R
IGBT
驱动板赛米控
3NSX160N3160
塑壳断路器施耐德
4LC1D11500M7C
三相交流接触器施耐德
5LC1D0900M7C
三相交流接触器施耐德
6C65N1PC6A
微型断路器施耐德
7CR-M024DC4L
继电器
ABB
8LT208-S7/SP1
电流传感器
LEM
93214JH3
/
QFR0924UHE
风机EBM/台达
10STM-1200-1.0-US8
吸收电容
EACO
5.3控制系统控制系统
APF
控制板由本公司自主开发，选用德州半导体生产的
TMS320F28335
32
位浮点型
DSP
作
为核心处理器，实现对整套系统的控制。控制示意图如图
12
所示：
控制板
人机交互
RS485
AD采样
驱
动
控
制
IGBT
逆变
电路
图
7
控制器设计示意图
?
控制器采用全数字控制芯片，数字采样，数字信号传输，保证在信号传输过程中的稳定性。
?
数字控制器采用美国德州仪器
TI
公司生产的
TMS320F
系列数字信号处理器，电力电子及电
机控制专业
DSP
数字芯片，TMS320F
系列
DSP
芯片具有
150MHz
的高速处理能力，具备
32
位
浮点处理单元，6
个
DMA
通道支持
ADC、McBSP
和
EMIF，有多达
18
路的
PWM
输出，其中有
6
路为
TI
特有的更高精度的
PWM
输出(HRPWM)。
?
信号采样采用外扩
16
位
ADC（模数转换）芯片，使控制精度达到
1/32768（一位符号位）,应用于晶闸管控制线路上，其控制精度(分辨率)达到
400/32768
安培，约为
0.01
安，为电
压的精确控制和系统稳定性提供保证。
?
TMS320F
系列
DSP
的高精度，快速运算能力，保证控制输出脉冲
20ms
内不变化，脉冲的分
辨率和脉冲对称度高，避免了由于脉冲不对称造成输出电流不平衡。
?
控制器具有自检自适应功能：控制器自身故障检测、同步丢失、过压、过流、欠压保护功
能；
?
控制器每一部件均经过软件测试和硬件老化测试，确保系统可靠工作。
?
封锁脉冲功能。
?
丢失同步报警保护功能。
?
停机时设置给定自动回零。
?
具有
RS485
通讯接口，支持
MODBUS
网络。
5.4简单易操作的人机交互系统简单易操作的人机交互系统
控制与监控系统，我公司在昆仑通态
TPC7062KD
7
寸全彩触摸屏的基础上自主开发。较好
的实现了：
1)
系统参数监控：交流电压、网侧电流、输出电流、APF
直流电压、补偿后电流畸变率，各次
谐波含量分析等。
2)
系统故障监控：过压、过流、欠压等故障报警，其他（根据还可以按客户需求进行定制）
；
3)
系统操作：设备启动、设备停止、设备复位、自动补偿模式、手动补偿模式、设备组态等。
6
治理效果评估及系统可靠性评估治理效果评估及系统可靠性评估
6.1治理效果评估治理效果评估
6.1.1先进的技术保证先进的技术保证
1)
产品完全由本公司自主研发，并拥有发明专利。具有根据不同的工业现场定制性和针对
性设计的有源电力滤波器的能力。
2)
使用了先进的可以克服电网电压畸变数字锁相技术。
3)
采用外扩的
16
位高精度
AD
采用芯片，采用速度快，精度高。
4)
采用了快速的指定次谐波提取算法，具有指定次谐波补偿的特点。补偿效果好，并可以
避免系统谐振，可靠性高。
5)
调制采用目前最先进的电压空间矢量（SVPWM）技术。
6.1.2治理效果治理效果
根据现场测试情况及数据的分析，本公司具有指定次补偿功能的有源电力滤波器可以有效
的对变压器二次侧的谐波治理。安装本公司有源滤波器后预估的治理效果如下：
表
9
谐波滤波补偿效果评估表
补偿对象PCC
电压畸变率谐波电流畸变率
2#变压器二次侧3%各次谐波均满足国家标准
3#变压器二次侧4%各次谐波均满足国家标准
4#变压器二次侧4%各次谐波均满足国家标准
6.2系统可靠性评估系统可靠性评估
6.2.1
完备的系统检测及软硬件保护单元完备的系统检测及软硬件保护单元
㈠
电压保护
①
直流侧过压保护
高速的电压信号采集和快速的中断响应保证了直流侧电压发生过压时系统快速封脉冲
②
欠压保护
检测到系统发生欠压时，系统封脉冲。如果电压恢复，可以自动恢复启动。
㈡
过流保护
当元件因击穿发生短路时，系统封波停机，若保护未起作用，串联在故障支路的快熔立即
分断并隔离该支路，防止故障扩大。
当直流侧发生短路时，系统封波停机。
正常运行情况下，过流检测系统会监视电流的变化。发生低倍过流时延时向主控板发出预
告信号。高倍过流时，立即向主控板发出紧急信号，功率控制板直接封波停机。
㈢
冷却系统故障保护
每个功率单元都有大功率风机进行风冷散热
如果功率单元过热：发报警信号，停机。
发生故障时，控制柜上有相应的声光报警指示。
6.2.2可靠的硬件系统设计可靠的硬件系统设计
设备控制系统：
核心控制器采取
TI
最新推出的专门用于电机控制的
TMS320F28335DSP
芯片，此芯片主频可
达
150MHz，且自带浮点库，可实现数据的直接浮点运算。另外此处理器有
32
×32
位的乘法器,具
有
64
位的处理能力,有效处理高数字分辨率问题，且运行可靠性极高。此控制器外带标准
RS485
及
CAN
通讯接口，可以与客户机进行通讯，实现远程及本地双控制。
设备散热系统：
为降低
APF
柜内温度，保证
IGBT
的可靠工作，我公司采用进口（德国/台湾）的风机，最
大限度保证了设备的通风及散热。且对于设备中局部过热点，例如电抗器等，也增加了散热风
机，以减低设备温升，保证整机设备的可靠运行。
整机出场时，会经过单元检测、调试、整机检测、调试、检验等环节，单元及整机环节均会进
行拷机及老化试验，保证出场设备可靠性。
6.2.3成功的工业现场应用案例成功的工业现场应用案例
目前本公司的有源电力滤波器已经在新疆某能源股份有限公司高频硅芯炉谐波治理（新
疆现场谐波治理效果分析见附录
2）
，南通某罐式储运设备制造有限公司中频炉谐波治理，江苏
某新能源股份有限公司开关电源谐波治理、内蒙某氧化矿变频器群谐波治理等不同的负载工况
下成功应用，对于贵公司的加热电源的谐波治理有一定的经验基础。
7
APF
技术指标技术指标
7.1
设备使用环境设备使用环境
?
海拔高度：≤1000m；
?
最高气温：≤+40℃；
?
最低气温：≥-15℃；
?
最高空气相对湿度（20℃）：≤90%；
?
最低空气相对湿度（20%）：≥15%；
?
每小时环境湿度变化率：≤5℃/h;
?
地震基本烈度：地震烈度不大于里氏
8
度；
?
环境污染等级：IV
级；
?安装地点：户内。
7.2
设备电气指标设备电气指标
?额定电源电压(V)：
AC400±10%
?额定频率(Hz)：
50±5%
?额定补偿容量：
100A
?补偿方式：指定次，5、7、11、13、17
?谐波补偿率：
≥95%（额定内）
?全响应时间：
＜10ms
?损
耗：
3%(额定功率输出)
?开关频率(Hz)：
10kHz
?并联运行：可多台并联
?过载保护：最大值自动限流
?通讯方式：标准
485/Modbus
?人机界面：
7
寸触摸屏
?防护等级：
IP20
?冷却方式：
强迫风冷
?进出线方式：上进线
?整体结构：
立柜式和壁挂式可选，
立柜式：宽
1000mm×深
800mm×高
2200mm
壁挂式：宽
460mm×深
282mm×高
800mm
外
观如下
图所示
8
出厂试验出厂试验
每套设备装置均必须按照
IEC
标准及相关的国家标准、规范的要求进行出厂试验，经质量检验
部门确认合格后方能出厂，并具有证明产品合格的出厂证明书。试验内容包括但不限于以下内
容：
对所有外协器件产品进行入厂试验检查；
?绝缘试验；
?保护电路动作试验
?耐压试验；
?冷却系统试验；
?对整个控制和所有相互作用进行功能试验（现场试验）
；
?在全电压和小电流负荷方式下进行试验；
9
质量责任承诺质量责任承诺
9.1质量保证质量保证
为了保证项目实施后的设备质量和性能达到用户要求，卖方需在设计、生产过程中采取一系
列质量保证措施。
?严格按照
ISO9001-2000
质量管理体系要求运作。
?针对此项目，制定特定的生产、检验要求。
?做到工厂全面调试，按设计的参数进行有限的假负荷试验。
?加强质量管理工作，保证出厂产品达到相应标准或合同规定的技术条件。
?为了控制产品质量和安全，与买方紧密联系、合作，并接买方的检查。
?保证按合同要求交货，对需要技术服务的派专业技术服务人员进行技术指导、安装、调
试工作，使产品正常运行。
?在设计、安装、试车、生产中遇到的问题，卖方应协助买方及时解决。
?对卖方提供的技术资料，买方有权提出局部整改意见，并维持合同价不变。
?对买方进行免费技术培训，卖方应帮助用户培训操作、保养、维修等有关人员，技术服
务及培训主要包括以下内容：
a）设计和编制阶段的培训；
b）出厂调试阶段的培训
(15
天)；
c）现场调试和运行阶段的培训
(30
天)。
?若在产品使用过程中出现问题，卖方接到用户通知时，将在
1
小时内作出回应；若需要到
现场解决问题，专业技术服务人员将在
24
小时内赶到
?整个电气系统质量保证期为满负荷运行验收合格，双方签字转入正常生产后
12
个月。
?任何更换附件的质量保证期应从更换完成、验收合格之日起计算。
?设备投入运行后达不到卖方提供的相关技术参数，由卖方承担责任并赔偿买方经济损失。
9.2售后服务售后服务
卖方技术人员应在合同设备安装期间、到现场进行技术服务，其内容包括：
（1）会同业主对设备进行开箱检验
（2）协调、指导整流装置及附属设备的安装、调试
（3）会同业主对设备安装进行确认
（4）参加并指导通电试验
（5）参加设备
72
小时工艺满负荷考核,然后与买方签署设备验收报告
（6）卖方技术人员在现场工作期间,应负责对买方人员进行业务培训
注：本方案仅作为技术方案供贵公司参考，一经选定，我方会对技术细节做进一步调整。注：本方案仅作为技术方案供贵公司参考，一经选定，我方会对技术细节做进一步调整。
篇3：简易直流电子负载电子设计竞赛报告
简易直流电子负载电子设计竞赛报告 本文关键词：简易，竞赛，电子设计，报告，电子负载
简易直流电子负载电子设计竞赛报告 本文简介：江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）设计报告参赛学校：参赛队员：指导老师：简易直流电子负载摘要本系统使用TI公司的通用运算放大器实现底层控制，以MSP430F169单片机为系统级控制核心，实现了实现了恒流负载模式、过压保护、键盘输入、数字显示的功能。设计采用了模拟与数字混合的方案，单片机利用12位DA
简易直流电子负载电子设计竞赛报告 本文内容：
江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）
设计报告
参赛学校：
参赛队员：
指导老师：
简易直流电子负载
摘要
本系统使用TI公司的通用运算放大器实现底层控制，以MSP430F169单片机为系统级控制核心，实现了实现了恒流负载模式、过压保护、键盘输入、数字显示的功能。设计采用了模拟与数字混合的方案，单片机利用12位DAC作为模拟控制器的可靠给定，模拟PI调节器有效减少静态误差、响应时间与超调。在系统设计上遵循准确、可靠、低成本的设计准则。经测试，该系统较好地实现了题目所要求的基本和发挥功能。
关键词
MSP430S169，PI
控制，恒流模式，过压保护。
Abstract
In
this
design,general
purpose
op-amp
from
TI
is
used
for
local
control
while
controller
MSP430F169
is
used
as
the
system
controller.
The
designed
system
can
work
under
constant
current
sink
mode
with
over-voltage
protection,interface
function
is
also
provided
for
keyboard
input
and
full
digital
display.
With
the
proposed
analog-digital
hybrid
control
concept,the
analog
controller
follows
the
reliable
control
demand
issued
by
the
high
precision
12-bit
DAC
from
the
MSP430
controller,and
zero
steady-state
error,controlled
response
time
and
over-shoot
is
achieved.
The
entire
design
follows
three
guide
lines,high
precision,high
reliability
and
low
cost.
The
experimental
tests
indicate
that
the
objectives
of
proposal
are
achieved
properly.
Keywords
MSP430F169，PI
control,constant
current
mode,over-voltage
protection.
一、
方案的选择与论证
1.1
系统总体方案论证
电子负载可分为能耗式与回馈式，本要求中的设计对象为小功率电子负载，故采用能耗是。一般市场上精度不高的电子负载多用开关式，而高速高精度电子负载多用模拟方案。根据设计要求，拟定了6个方案，分别如图1-1至图1-6所示，提出的方案均具有短路保护功能。图1-1与1-2中采用不用形式的buck电路，这种电路的缺点是输入电流不连续，需要加大电容滤波，系统可靠性较低，且会改变被测系统的结构（输出端并联了电容）。图1-3是buck-boost型，输入电流也不连续，同样需要加输入滤波电容。图1-4与1-5为电流源型变换器，但是系统造价过高，且输入电流纹波同样取决于开关频率与电感值。图1-6中为线性MOSFET方案，控制MOSFET门极电压，保持MOSFET工作在饱和区，控制MOSFET内部电流。
图1-1
方案一：Buck变换器A
图1-2
方案二：Buck变换器B
图1-3
方案三：Buck-Boost变换器
图1-4
方案四：Cuk变换器
图1-5方案五：SEPIC变换器
图1-6
方案六：线性MOSFET负载
方案1-6可以使用模拟技术实现，以LM324放大器，电流控制模块将采集的电流输入控制器，控制器根据参考值将误差放大生成MOSFET的门极电压。系统结构图如1-7所示，本地控制由模拟器件完成，系统级的参考值给定由MSP430的DAC完成，同时MSP430也实现人机接口的功能。
表1-1分析了各种方案的优缺点，可以看出，线性MOSFET作为负载的情况是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。
图
1-7基于线性MOSFET的模数混合方案
表1-1各种方案比较
性能
拓扑
输入电流纹波
EMI
主要器件数量
可靠性
成本
Buck
(A)
取决于电感电容
大
4个以上
一般
一般
Buck
(B)
取决于电感电容
大
4个以上
一般
一般
Buck-Boost
取决于电容
大
4个以上
一般
一般
Cuk
取决于电感
大
4个以上
一般
高
SEPIC
取决于电感
大
4个以上
一般
高
线性MOS
很小
小
1个
高
低
1.2
本方案模块设计论证
根据题目要求，系统可以划分为功率级模块、本地控制器模块、系统控制器模块、键盘模块、显示模块、辅助电源模块。为实现各模块的功能与配合，先对各部分进行论证。
[1].
电源模块
本系统需要采用15V为运算放大器供电，5V电压作为控制器中的参考电压、MSP430最小系统板的供电电压以及LCD屏的供电电压、3.3V为MSP430供电。
由于在竞赛要求中未提出对辅助电源的要求，故采用18-24V的直流电压对系统的辅助电源系统进行供电。考虑到噪音的影响，采用线性调压芯片获得各电压等级。
[2].
键盘模块
键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。
[3].
显示模块
使用液晶显示屏显示负载电流和电压，LCD具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。另外系统中加入了LED显示，分别表示MSP430
5V供电电压正常（蓝光）、3.3V供电电压正常（蓝光）、系统正常启动（蓝光）、过压显示（蓝光）。
[4].
本地控制器模块
芯片选择依据：TI公司生产的通用芯片。
根据第1节中的论证，本设计采用了线性功率MOSFET，所以模拟方式是较好的实现方案，因为PWM模块会导致系统电流纹波加大且引入噪音。所以本设计选取了TI的通用放大器系列的产品LM324，四运放的集成放大器。单片LM324模块会完成电流放大、稳压、PI|调节的功能，为最经济实惠的方案。
[5].
系统控制模块
TI推荐的MSP430是系统默认选项，由于在本设计中单片机不参与高速的控制回路运算，所以8M主频的MSP430F169完全满足要求。MSP430的数字I/O高达48个，同时拥有丰富的外设，适合与多种设备进行接口，也便于本设计的进一步扩展。
[6].
功率级模块
采用绝缘栅型场效应管构成的电子负载，控制灵敏度高、工作速度快，既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载。
二、
系统的硬件设计与实现
[1].
电源模块实现
采用外接18-24V辅助电源，经7815，7805，AMS1117/3.3芯片得到5V电压。部分原理图如图2-1所示。
图2-1部分电源模块原理图
[2].
键盘模块
键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。硬件设计如如2-2所示。
图2-2
键盘模块设计原理图
[3].
显示模块
显示模块采用GZL12864的LCD屏，根据厂家推荐设计外围电路，使用了MSP430的P1口进行并口数据传输。
[4].
本地控制器模块硬件设计
本地控制目标为带过压保护的恒流，先对恒流模式进行设计，如图2-3所示，负载电流经过采样电阻，被一级正比例环节放大、滤波，与给定参考值进行比较后一个三极点-二零点的PI调节器，输出一个稳态值作为MOSFET的门控电压，从而得到稳定的反馈电流。本功能使用了单片LM324。
图2-3
电流控制模块原理图
要求系统静差为零的情况下引入负反馈，需要对其进行控制系统分析。根据MOSFET的输入特性曲线和器件参数，可以得到恒流控制下的MOSFET模型为一个比例环节与R-C滤波环节的级联波形，为一阶系统。电流反馈回路可以由H(s)建模，可以从图中得到
而PI调节器传递函数为：
利用MATLAB进行控制系统设计，波特图如图所示
图2-4系统传递函数波特图
由波特图可知，系统幅值裕量为-30dB，相位裕量约为-90°，直流增益很大，而相比未经补偿之前的系统，其静态增益很小，且响应速度相对较低。经过控制系统设计，不但使得静态放大倍数增大，静态误差减小，而且提高了系统的快速性。
电压控制模块为了保护系统，故对其控制系统的要求不高，系统采用了单极点单零点的PI调节器，如图2-5所示。采样电压经过跟随器、PI调节器输出作为MOSFET管的门极输入，当采样电压大于规定值时，经PI调节后，输出使得MOSFET关断，从而实现过压保护。
图2-5电压控制模块原理图
两个控制回路的整合如图2-6所示，根据谁低谁输出的原则，可以限制恒压的上限为18V，18V一下为任意恒流控制。
图
2-6
带有过压保护的恒流模式选择电路
[5].
功率级模块
功率模块采用IXYS的IXTA-TP80N10T（100V80A）该器件完全可以工作于最大18V1A的情况下。
图2-7
直流电子负载模块原理图
三、
系统程序设计
对于本系统，软件设计是系统控制的核心，是实现接口功能的关键。
3.1
主系统流程图及主函数
图
3-1
主程序流程图
图
3-2
主程序源代码
3.2
模拟开发软件
使用的开发软件是IAR仿真软件，他是一种用于卡发不同应用不同的目标处理器的灵活的集成环境，提供一个方便的窗口界面用于迅速的卡发调试，可以使用C、C++/汇编等多种语言开发。
3.3
编程注意事项
在软件编程时的应注意的几点事项：
（1）所有功能模块都封装分子函数，方便于在其他函数和主函数中调用，简化主函数并使其看起来比较清晰，也可以封装成库函数。
（2）尽量定义全局变量，方便在IAR中调试时观察变量中的值。
四、
作品性能测试与分析
4.1
所用仪器和测量工具
测试主要用到YB1732A-3A直流稳压电源、数字型万用表、TPS2024数字型示波器。样机如图4-1所示。
图
4-1
简易电子负载样机
4.2
调试方法和过程
测试方法：给各模块通电，将数字式万用表接入主电路，通过按键调节参考电流的大小，记录相应的输出电流值。将测量值与参考值进行比较，得到的误差数据如图4-2至4-6所示：
图4-2
输入电压10V时全范围电流测试误差图
图4-3
输入电压9V时全范围电流测试误差图
图4-4
输入电压5V时全范围电流测试误差图
表4.2.4
Vin=1V
图4-5
输入电压1V时全范围电流测试误差图
图4-6
输入电压0.5V时全范围电流测试误差图
4.3误差分析
（1）电阻阻值受温度影响
（2）由于采用的通用运放，且没有做分段处理，电流测量不够精准
4.4总结
单片MSP430为核心进行整体控制，实现了电子负载的电流和电压调整，保证相应情况下电流和电压的稳定，很好地实现了参数调整和显示，完成了所有的基本要求和部分扩展要求。设计过程中遇到许多问题，如LCD无法正确显示，运放不能正常工作等，最终在不断地调试过程中得以解决。在很多地方，系统仍需要改进。
五、
参考文献
[1]
童诗白
华成英
模拟电子技术基础.
高等教育出版社，2006
[2]
胡寿松
自动控制原理.
科学出版社，2007
[3]
秦龙
MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲.
电子工业出版社，2006
[4]
MSP430x1xx
Family
User’s
Guide,Texas
Instrument.
2006
[5]LM124/LM224/LM324/LM2902
Low
Power
Quad
Operational
Amplifier,2010
六、
附录
表6-1核心器件
器件
数量
厂家
MSP430F169
1
Texas
Instrument
LM324
2
Texas
Instrument