机车电源测试用交流并网型直流电子负载的研制

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近年来,伴随着电力电子技术的快速发展,各种电源装置在社会各个生产环节得到普遍应用,这些电源出厂都是需要进行严格的带载、老化等测试实验。然而传统的电源带载测试方案将大量的能量白白消耗在电阻上。鉴于传统电源测试方案的不足,本文主要以机车电源测试用交流并网型直流电子负载为研究对象。首先分析了直流电子负载基本原理,讨论了三级式、两级式并网型直流电子负载主电路的拓扑结构,并对两种拓扑结构的电子负载实现原理、控制策略、实际工作效率等方面进行了对比分析,最终选择两级式拓扑结构作为本文研究对象的拓扑结构。分别对电子负载模拟单元移相全桥DC/DC变换器和能量回馈单元DC/AC单相并网逆变器的工作原理进行了阐述。与以往传统移相全桥控制策略不同,本文采用输出电感电流内环、输入电感电流外环的电流双闭环控制策略,基于状态空间平均法建立负载模拟单元小信号模型并且从控制理论的角度上进行了分析,从理论上论证了基于电流双闭环控制使得系统的稳定性和动态响应特性得到很好的改善。对后级能量回馈单元DC/AC单相并网逆变器的基本工作原理和工作过程进行了系统性的分析,建立单相并网逆变器小信号模型,分别基于单周期并网电流反馈控制和PI双闭环并网电流反馈控制对并网逆变器控制性能进行了研究。网侧电网电压相位的准确获取是实现能量以单位功率因数馈入电网的关键所在,主要对单相软件锁相环进行了研究并给出仿真模型。在MATLAB中搭建了整个系统模型仿真,仿真结果表明两级式交流并网型直流电子负载拓扑结构是具有可行性的,在系统控制策略方面电子负载模拟变换器电流双闭环控制策略使得系统的稳定性与快速响应特性得到很好的改善,DC/AC能量回馈部分控制策略使得系统具有良好的稳态跟踪特性、较强的抗干扰及鲁棒性。交流并网型直流电子负载系统控制板主控制器以TI公司的TMS320F2812DSP+Lattice公司的CPLD作为整个控制系统核心控制器。给出系统硬件控制部分的整体结构功能框图,对控制电路硬件部分的原理进行了详细分析且给出部分硬件调试结果;给出软件程序控制部分的核心控制结构框架及对软件设计核心思想部分程序流程图进行详细说明。小功率实验结果表明本文设计的交流并网型直流电子负载主电路、控制电路以及控制策略的可行性、有效性。
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