可编程式能馈型直流电子负载研究

发布时间：2017-08-14 18:10

  本文关键词：可编程式能馈型直流电子负载研究

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【摘要】：随着电力电子技术、自动控制技术等相关技术的发展,加上对高性能负载和节能减排的需求日益增长,能馈型电子负载成为试验负载发展的必然趋势。本文以可编程式能馈型直流电子负载为研究对象,重点研究高精度负载模拟、试验电能的高质量回馈和负载可编程功能。对硬件系统和软件算法展开深入研究,研制了一款600W可编程式能馈型直流电子负载,验证了理论分析和技术方案的正确性。本文首先介绍了课题研究背景及意义,分析了负载模拟拓扑、并网逆变拓扑、能馈结构、远程控制和人机界面以及负载模拟控制算法等关键技术的国内外研究现状。接着,介绍了能馈型直流电子负载基本原理;经深入分析,选定“同步整流Boost+双推挽升压+全桥高频逆变”为主功率拓扑,TMS320F28035作为控制核心,PC上位机配合实现负载可编程控制的总体方案。系统分析了同步整流Boost负载模拟电路、双推挽升压电路和全桥高频逆变电路的工作模态。详细分析与计算了能馈型直流电子负载硬件参数:分析与计算了CCM Boost电感、双推挽变压器、推挽变换器输出滤波器和并网逆变器输出滤波器等主拓扑磁元件。分析与设计了精密电阻分压检测电路、电网电压检测电路、并网电流检测电路和电网电压过零点检测电路等信号调理电路。设计了负载可编程硬件底层,包括通讯与存储电路和采用“STM32+FPGA”架构的TFT-LCD人机交互界面。采用基于状态机控制的数字化控制电源软件架构,搭建了系统控制状态机;系统研究了能馈型电子负载的控制任务时序,阐述如何合理安排各控制任务时序以达到最优设计。提出了“启动阶段+并网阶段”两段式Boost负载模拟电路控制策略,研究了基于电流模式的负载模拟控制算法。结合无差拍并网控制和超前一拍控制方法,提出了基于Newton插值的预测算法及其特例Taylor插值预测,最终提出了基于Newton/Taylor预测的无差拍并网控制算法。阐述了负载可编程控制的基本控制思路,提出了直线逐步逼近曲线的负载曲线模拟方法。搭建实验平台,测试了驱动电路、信号调理电路、电路软启动功能、负载模拟功能、并网电能质量和整机效率,实验结果表明:本文的理论研究和技术方案是切实可行的。
【关键词】：能馈型电子负载 无差拍并网 状态机控制 负载可编程 Newton插值预测
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 课题研究背景及意义11-14
• 1.1.1 电子负载的含义、分类及应用场合11-12
• 1.1.2 传统负载的缺点12
• 1.1.3 能馈型电子负载的优势12-14
• 1.2 能馈型电子负载关键技术国内外研究现状14-18
• 1.2.1 负载模拟拓扑14-15
• 1.2.2 并网逆变拓扑15-16
• 1.2.3 能馈型电子负载的能馈结构16
• 1.2.4 电子负载的远程控制和人机界面设计16-17
• 1.2.5 电子负载的负载模拟控制算法17
• 1.2.6 电子负载在特殊场合的应用17-18
• 1.3 论文主要研究内容及章节安排18-20
• 第二章 能馈型直流电子负载硬件系统分析与设计20-43
• 2.1 引言20
• 2.2 总体方案论证20-27
• 2.2.1 负载模拟拓扑和DC/DC升压拓扑对比分析21-22
• 2.2.2 并网瞬时功率波动及其影响分析22-25
• 2.2.3 并网逆变拓扑对比分析25-26
• 2.2.4 能馈型直流电子负载总体方案26-27
• 2.3 同步整流Boost负载模拟电路工作模态分析及仿真27-32
• 2.3.1 同步整流Boost电路工作模态分析27-30
• 2.3.2 基于Simulink的同步整流Boost电路仿真分析30-32
• 2.4 双推挽升压电路工作模态分析及实验32-37
• 2.4.1 双推挽升压电路工作模式分析32-36
• 2.4.2 双推挽升压电路实验分析36-37
• 2.5 全桥逆变电路工作模态分析及仿真37-41
• 2.5.1 全桥逆变电路工作模态分析37-39
• 2.5.2 基于Saber的全桥逆变电路仿真分析39-41
• 2.6 本章小结41-43
• 第三章 能馈型直流电子负载硬件参数分析与计算43-59
• 3.1 引言43
• 3.2 主拓扑磁元件分析与计算43-49
• 3.2.1 CCM Boost电感设计43-45
• 3.2.2 双推挽变换器变压器设计45-47
• 3.2.3 推挽变换器输出滤波器设计47
• 3.2.4 并网逆变器输出滤波器设计47-49
• 3.3 信号调理电路分析与计算49-55
• 3.3.1 精密电阻分压检测法及其量程偏差评估50-52
• 3.3.2 基于隔离运放的电网电压检测52-54
• 3.3.3 基于ACS712的并网电流检测54-55
• 3.3.4 基于滞回比较器的电网电压过零点检测55
• 3.4 负载可编程硬件分析与设计55-58
• 3.4.1 可编程式电子负载通讯与存储电路55-57
• 3.4.2 TFT-LCD人机交互界面设计57-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第四章 能馈型直流电子负载控制算法分析与设计59-85
• 4.1 引言59
• 4.2 系统软件框架与控制任务时序设计59-64
• 4.2.1 状态机设计59-61
• 4.2.2 控制任务时序设计61-64
• 4.3 负载模拟控制算法64-69
• 4.3.1 Boost负载模拟电路控制策略65-67
• 4.3.2 基于电流模式的负载模拟控制算法67-69
• 4.4 基于预测算法的无差拍并网控制算法及其仿真69-81
• 4.4.1 无差拍并网控制69-71
• 4.4.2 超前一拍控制方法71-73
• 4.4.3 基于Newton插值的预测算法73-75
• 4.4.4 基于Taylor插值的预测算法75-76
• 4.4.5 Newton插值预测与Taylor插值预测仿真分析及对比76-78
• 4.4.6 基于Newton/Taylor预测的无差拍并网控制算法及仿真分析78-81
• 4.5 负载可编程软件设计81-83
• 4.5.1 可编程通信协议设计81-82
• 4.5.2 负载可编程控制实现82-83
• 4.6 本章小结83-85
• 第五章 实验结果与分析85-101
• 5.1 引言85
• 5.2 实验平台及测试仪器介绍85-87
• 5.3 驱动电路功能测试87-88
• 5.4 信号调理电路功能测试88-91
• 5.4.1 电网电压采样与过零点检测电路测试88
• 5.4.2 母线电压采样电路测试88-90
• 5.4.3 ACS712霍尔电流传感器测试90-91
• 5.5 电路软启动功能测试91-93
• 5.6 负载模拟实验93-96
• 5.6.1 恒流负载模拟实验93-94
• 5.6.2 恒阻负载模拟实验94-95
• 5.6.3 恒功率负载模拟实验95-96
• 5.7 并网电能质量与整机效率测试96-97
• 5.8 负载可编程功能测试97-99
• 5.9 本章小结99-101
• 结论101-102
• 参考文献102-106
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果106-107
• 致谢107-108
• 答辩委员会对论文的评定意见108

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