能量自循环用电力电子负载在低压开关测试中的应用研究.pdf

能量自 循环用电力电子 负载在低压开关测试中的应用 研究 冰 口孙斌 口张全成 口陈苏生 口庄骏 上海市质量监督 检验技术研究院 上海2 0 0 0 7 2 摘 要 ： 针对现有低压 开关测试 中传统 负载能耗较大的缺点， 研制开发低能耗 电力电子负载 系统 以替代传统的纯阻 生负载 ， 在满足开关测试要求的 同时 ， 实现测试过程 中的能量 自循环 ， 提 高了能源利用效率。 关键词 ： 开关节能检测 中图分类号： T H 7 ； T M9 3 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 8 2 0 3 根 据 国 家 标 准 GB1 4 0 4 8 5 - 2 0 0 8的 规 定 开 关 器 件 都 要 进 行 温 升 试 验 、 接 通 和 分 断 能 力 试 验 、 短 路 接 通 和 分 断 能 力 试 验 与 功 能 试 验 等 。 在 试 验 系 统 中 ， 电 源 和 负 载 是 最 主 要 的 测 试 设 备 ，开 关 器 件 连 接 在 电 源 和 负 载 之 间 ， 由 电 源 和 负 载 给 开 关 器 件 提 供 测 试 电 流 。 根 据 开 关 器 件 的 试 验 要 求 来 设 置 电 源 的 电 压 、 频 率 、 负 载 的 电 流 与 功 率 因 数 目 的是 检 测 开 关 器 件 在 不 同 的 测 试 条 件 下 的 接 通 和 分 断 能 力 1 - 3 。 传 统 按 钮 开 关 试 验 的 技 术 方 案 都 是 采 用 变 压 器 、 调 压 器 等 作 为 电源 ， 电 阻 器 、 电 抗 器 和 电 容 器 等 设 备 作 为 负 载 组 合 实 现 的 。 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 采 用 现 代 控 制 技 术 和 电子 负 载 技 术 实 现 按 钮 开 关 的 电 气 性 能 测 试 方 案 已 成 为新 方 向 和 大 趋 势 。 该 方 案 中 以 电 子 负 载 代 替 传 统 的 无 源 负 载 。 电 子 负 载 检 测 到 电 源 的 电压 信 号 ， 对 电 压 信 号 的 相 位 角 度 和 振 幅 进 行 定 位 ， 根 据 设 置 的 电 流 值 和 功 率 因数 计 算 出 电 子 负 载 的输 出 电 压 振 幅 和 相 位 角 度 。 电 子 负 载 和 电 源 的 电压 对 接 即 可 产 生 开 关 器 件 测 试 需 要 的 电 流 和 功 率 因 数 。本 文 以开 关 测 试 为 研 究 对 象 ，实 现 了 电 源 一开 关 一电 子 负 载 一 电 源 的 内部 能 量 循 环 ， 减 少 整 个 系 统 的 功 耗 ， 同 时 增 加 友 好 的 人 机 交 互 界 面 ， 方 便 了技 术 人 员 的 控 制 调 节 ， 达 到 了 节 能 、 经 济 、 控 制 方 便 的 效 果 。 1 系统原理介绍 如 图 1所 示 ，市 电 在 电 源 内 部 经 整 流 逆 变 后 给 被 试 开 关 提 供 电 源 ， 电 子 负 载 对 电源 电 压 进 行 采 样 ， 根 据 设 定 的 电 流 和 功 率 因数 ，实 现 对 流 过 开 关 的 电 流 和 功 率 因 数 的 控 制 。 能 量 进 入 电子 负 载 后 。 被 电 子 负 载 回 馈 到 电 源 内部 ， 实 现 整 个 系 统 的 内循 环 ， 减 少 系 统 从 电 网 吸 收 的 能 量 ， 从 而 达 到 了 经 济 节 能 的 目的 。 2系统组成及布局图 国家质检总局公益性项 目( 编号： 2 0 1 0 0 K 2 8 4 ) 收稿 日期： 2 0 1 2年 l O月 2 0 1 3 3 该 系 统 由 电 源 、 电 子 负 载 、 人 机 交 互 系 统 组 成 ， 电 源 由模 拟 量 信 号 采 样 板 、 控 制 电 路 板 、 I GB T驱 动 板 、 整 流 桥 电 路 、 平 波 电 容 、 I GB T逆 变 单 元 、 隔 离 变 压 器 及 输 出 滤 波 电路 组 成 。 电子 负 载 的 直 流 母 线 直 接 连 接 到 电 源 的 直 流 母 线 上 通 过 模 拟 量 采 样 板 对 电 压 信 号 、 电 流 信 号 、 温 度 信 号 进 行 采 样 ， 经 过 调 理 电 路 和 A D 转 换 器 送 入 C P U， C P U 根 据 测 量 到 的 电 压 信 号 来 控 制 电 子 负 载 的 电 压 输 出 ， 实 现 对 接 ， 产 生 电 流 ， 系 统 要 有 很 高 的 控 制 精 度 和 反 应 速 度 。人 机 交 互 系 统 采 用 液 晶 面 板 显 示 。 用 C AN 总 线 通 信 与 主 控 部 分 进 行 通 信 ， 通 过 人 机 交 互 系统 即 可 设 定 电 流 和 功 率 因 数等 。 3 软件部分设计方案 为 了 提 高 电 源 的输 出 电 压 质 量 ，在 电 源 控 制 系 统 中 采 取 了 软 件 闭 环 控 制 算 法 和 快 速 的 硬 件 瞬 时 反 馈 控 制 主 程 序 流 程 图设 计 见 图 3 。 机械制造 5 1 卷 第 5 8 3期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 电 子 负 载 因 为 要 实 现 与 电 源 输 出 电 压 进 行 对 接 控 制 ， 所 以 首 先 要 实 现 电 源 电压 的 定 位 ， 包 括 相 位 角 度 定 位 和 振 幅 定 位 。 在 本 设 计 中 ， 为 了 达 到 快 速 定 位 ， 采 用 了 硬 件 电压 过 零 点 检 测 ， 当 检 t in 4 信 号 发 送 至 C P U， C P U 根 据 电 压 信 号 的 过 零 点 对 电 压 全 相 位 角 度 进 行 估 计 。 通 过 A D 转 换 器 送 过 来 的 瞬 时 电 压 值 信 号 ， 恢 复 出 电 源 的 输 出 电 压 信 号 。 直 接 数 字 合 成 波 形 技 术 指 从 相 位 量 化 概 念 出 发 直 接 合 成 所 需 波 形 。 预 先 在 存 储 器 内部 存 储 一 个 正 弦 波 表 格 ， 表 格 的 地 址 为 正 弦 波 的 * N i ce 。 其 关 系 可 用 y = f( x) 表 示 ， 其 中 为 相 位 ， Y为 幅 值 ， 每 个 相 位 对 应 不 同 幅 值 ， 得 到 相 位 信 息 即 可 得 到 表 格 中 量 化 的 正 弦 波 ， 根 据 振 幅信 号 ，乘 以一个 系 数 即可得 到需 要 的正 弦波 数字 量 ， 经 过 D A 转 化 后 转 化 为 正 弦 波 模 拟 量 。 软 件 中 除 了 控 制 算 法 外 ， 还 利 用 了 C P U 中 的 CAN 总 线 接 口外 设 。 通 过 对 外 设 寄 存 器 的 设 置 可 实 现 CAN 总 线 通 信 ， 当 有 数 据 传 输 到 CP U。 C P U 会 进 人 中 断 程 序 ， 接 收 外 部 传 输 的 数 据 ， 对 数 据 进 行 解 析 ， 设 置 输 出 电 压 值 、 电 流 值 或 者 功 率 因数 。 4硬件设计方 案 控 制 电 路 采 用 ARM+ C P L D 的 组 合 控 制 方 案 ， 利 用 ARM 对 ADC 采 样 过 来 的 电 压 电 流 信 号 进 行 监 控 ， 用 C P L D 的 查 表 方 式 产 生 波 形 ， 实 现 逻 辑 控 制 和 相 位 快 速 同 步 跟 踪 及 逆 变 控 制 和 各 种 保 护 电 路 控 制 。 控 制 板 架 构 如 图 4所 示 。 机械制造 5 1 卷 第 5 8 3 期 硬 件 部 分 主 要 包 括 信 号 采 集 电 路 、 信 号 处 理 电路 、 逻 辑 部 分 电 路 、 S P W M 波 形 产 生 电 路 及 死 区 补 偿 部 分 等 。 CP U 通 过 采 集 的 信 号 计 算 出 电 压 电 流 相 位 等 信 息 ，通 过 高 速 S P I总 线 传 递 到 CP L D， C P L D 内 做 DDS 核 经 外 部 DAC及 低 通 滤 波 后 产 生 正 弦 波 和 三 角 波 。 两 种 波 形 经 过 比较 电路 后 产 生 所 需 要 的 两 两 互 补 的 四 路 S P W M 波 形 ， 信 号 输 出 给 I GB T驱 动 电 路 ， 实 现 控 制 功 能 。 系 统 中 采 用 的 逆 变 单 元 的 核 心 器 件 是 I GB T。 也 是 整 个 系 统 的 核 心 器 件 同 时 采 用 直 流 储 能 电 容 稳 定 直 流 电 压 ， 减 少 纹 波 。 为 了提 高 阻 抗 匹 配 能 力 ， 增 加 电 气 滤 波 功 能 ， 系 统 增 加 隔 离 变 压 器 。 5 应 用效 果验证 根 据 开 关 测 试 要 求 ，开 关 需 要 承 受 6倍 的 冲 击 电 流 即 测 试 系 统 具 备 模 拟 开 关 合 闸 时 的 电 流 情 况 且 时 间 为 4 6个 周 波 ，合 闸 后 通 过 的 是 额 定 电 流 。采 用 研 制 的 新 能 开 关 测 试 系 统 进 行 开 关 测 试 ，将 启 动 电 流 设 定 为 额 定 电 流 的 6倍 。 启 动 时 间 的 周 波 数 设 定 为 4， 同 时 O n 0 试 时 间 t 任 意 ，被 试 开 关 通 断 时 通 过 的 电 流 波 形 如 图 5所 示 。 满 足 开 关 测 试 相 关 要 求 。通 过 电 表 计 量 ， 电 能 消 耗 为 传 统 负 载 系 统 的3 0 主 要 消 耗 为 开 关 和 电 子 负 载 本 身 的 热 能 损 耗 。 6结论 本 文 研 制 的 能 量 自循 环 电 子 负 载 ， 解 决 了 电 阻 电 感 型 假 负 载 对 供 配 电 容 量 的 苛 刻 要 求 ， 以 及 进 行 实 验 时 能 源 浪 费 的 问题 ， 并 改 善 了工 作 环 境 ， 实 现 可 程 控 的 自动 化 检 测 。 解 决 了 能 馈 型 电 子 负 载 二 级 变 换 器 间 的 控 制 协 调 问 题 实 现 了 直 流 能 量 回馈 主 、 从 变 换 器 间 功 率 自动 均 衡 ， 控 制 简 单 ， 系 统 的 可 靠 性 提 高 。 实 际 使 用 效 果 表 明 ， 测 试 系 统 电 流 值 和 测 试 周 期 可 以任 意 设 定 满 足 开 关 o n 0 试 相 关 要 求 。 参 考 文 献 1 刘杰 直流 电子负载在直流电源校准 中的应用 J 计量与 测试技术 2 O L O ( 1 0 ) 2 梅樱 ， 刘 志刚 ， 张钢 基于 C A N总线 的电子负载监控 系统 的设计实现 J 电气应用 ， 2 0 0 7 ( 8 ) 3 赵屹 ， 臧小杰 ， 檀柏红 电能回馈型航空发电机测试 用电子 负载的研制 J 中国民航大学学报， 2 0 0 8 ( 5 ) 4 王子剑 ，孑 L 峰 基于 D S P的数字 电子负载控制器设计 f J 计算机技术与发展 。 2 0 1 0 ( 2 ) 2 0 1 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铍 铜 高 速 铣 削 表 面 粗 糙 度 数 学模 型 的构 建木 口肖军民 中山职业技术学院 机械工程系广东 中山5 2 8 4 0 4 摘要 ： 利用正 交试验 法， 设计并 实施 了对铍铜 C 1 7 2 0 0试件的等 高切 削试验 ， 运用指数 函数构建 了球形铣 刀等 高 切 削模式 下的粗糙度数 学模型。基于正 交切 削试验数据 ， 并利用 MA T A L B软件推导并求解出 了铍铜 C1 7 2 0 0加工表 面粗 糙度数学模型。对计算 的粗糙度理论值 和试验 获得 的实际测量值进行 了比较 结果表 明， 该粗糙 度数 学模 型的误差 可控 制在 l 0 左右， 对实际生产具有很好的指 导意 义。 关键词 ： 高速铣削 数控加工表面粗糙度数学模型铍铜 中 图分 类 号 ： TH1 6l 1 4； T G8 0 6 文 献标 识码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 8 4 0 3 铍 铜 合 金 是 一 种 可 锻 和 可 铸 合 金 属 时 效 析 出强 化 的 铜 基 合 金 ，经 淬 火 时 效 处 理 后 具 有 高 的 强 度 和 硬 度 ， 并 且 稳 定 性 好 ， 具 有 耐 腐 蚀 、 耐 磨 、 耐 疲 劳 、 无 磁 性 和 导 热 性 好 等 一 系 列 优 点 。 由 于 铍 铜 材 料 诸 多 的 优 势 ， 近 年 来 铍 铜 应 用 在 高 端 模 具 的 比例 也 越 来 越 大 。 铍 铜 模 具 的 零 件 成 型 时 间 只 有 钢 模 的 1 3 1 2 而 铍 铜 模 具 寿 命 则 可 以达 到 钢 模 的 5 6倍 以 上 。 随 着 我 国制 造 业 的转 型 升 级 。铍 铜 在 高 端 精 密 模 具 的 应 用 也 将 越 来 越 广 泛 因 此 研 究 和 推 广 铍 铜 精 密 铣 削 加 工 技 术 对 提 高 我 国 高 端 模 具 的 制 造 水 平 具 有 重 要 作 用 。 表 面 粗 糙 度 是 衡 量 切 削 加 工 过 程 性 能 和 评 定 零 件 表 面 质 量 的 一 个 重 要 指 标 ， 它 是 切 削 系 统 中 切 削 参 数 和 系 统 变 量 对 切 削 过 程 影 响 的 综 合 反 映 建 立 基 于 加 丁 过 程 参 数 的 表 面 粗 糙 度 预 测 模 型 已受 到 国 内外 研 究 者 的 广 泛 关 注 研 究 表 面 粗 糙 度 目前 有 许 多 理 论 和 方 法 本 文 是 基 于 正 交 切 削 试 验 法 来 研 究 铍 铜 表 面 粗 糙 度 模 型 的 。 正 交 试 验 法 是 利 用 整 齐 的 正 交 表 来 对 试 验 进 行 整 体 设 计 、 综 合 比较 和 统 计 分 析 ， 在 因 素 变 化 范 围 内 均 衡 抽 样 ， 以 尽 量 少 的 试 验 次 数 找 到 影 响 因 素 中 的 主 要 问 题 ， 进 而 得 出指 导 生 产 实 践 的 正 确 结 论 。 1 数学模 型的分析与研 究 1 1 表 面 粗 糙 度 的数 学表 达 式 传 统 的 切 削 表 面 粗 糙 度 经 验 公 式 为 ： cl C 2 C q R =K0 ( 1) 中L U 市科技计划项 目( 编 号： 2 0 1 1 4 A 2 4 2 ) 收稿 日期 ： 2 叭2年 l O月 5 6 式 中 ： K 为 切 削 条 件 综 合 系数 ： a v 为 轴 向切 削 深 度 ， ram； 吼 为 径 向 切 削 宽 度 ， mmi 为 每 齿 进 给 量 ， mm z ； 为 刀 具 切 削 线 速 度 ， m mi n； C i 为 待 解 系 数 。 该 公 式 能 较 好 地 反 映 平 铣 刀 切 削平 面 工 件 的 表 面 状 态 ， 但 不 能 充 分 反 映 球 形 铣 刀 切 削 工 件 的 表 面 质 量 。 在 球 形 铣 刀 等 高 切 削 工 件 的情 况 下 传 统 的 表 面 粗 糙 度 经 验 公 式 显 然 不 能 很 好 地 反 映 加 工 表 面 质 量 。 等 高 切 削 时 ，刀 具 每 层 下 切 深 度 对 加 工 表 面 质 量 的 影 响 是 非 常 显 著 的 其 次 等 高 切 削 时 切 面 处 的 锥 角 也 将 对 表 面 粗 糙 度 有 较 大 影 响 ，而 这 些 在 传 统 的 经 验 公 式 中 都 没 有 体 现 。 为 了 能 更 好 地 衡 量 球 刀 切 削 状 态 下 3 2 件 表 面 质 量 的好 坏 ， 本 文 构 建 了 式 ( 2) 所 示 的 加 工 表 面 粗 糙 度 模 型 ： R a = K v q A ( 2 ) 式 中 ： H 为 刀 具 每 层 下 切 深 度 mm； A 为 刀 具 接 触 点 曲 面 法 向与 刀 轴 的 夹 角 ， ( 。 ) 。 1 2表 面 粗 糙 度 矩 阵模 型 的 建 立 对 于 式 ( 2 ) 的 指 数 方 程 进 行 数 学 求 解 是 非 常 困 难 的 ， 本 文 通 过 对 式 ( 2) 两 边 取 对 数 ， 将 该 指 数 方 程 转 变 为 线 性 方 程 ( 3 ) ， 然 后 再 构 建 线 性 方 程 组 进 行 求 解 ， 其 过 程 如 下 ： l = l g K+ C , I + C 2 1 g c 3 l + ( 3 ) 令 6 = l g 尺 ， C o = l g K， =l g v ， y = l g f _ ， m= l g n， n = l ，则 指 数 方 程 可 转 化 为 线 性 方 程 ( 3 ) 。 b = C o + x Cl C 2 + mC 3 + n c 4 ( 4) 式 中 ： b、 、 Y、 m 、 n可 以通 过 切 削 试 验 数 据 获 得 。 根 据 数 学 求 解 的 必 要 条 件 需 要 构 建 包 含l 6个 方 冯 宝成 ， 苏建徽 ， 刘 文涛 基 于可变 电子负载的光伏阵列特 性测试技术 J 电力电子技术 ， 2 0 1 1 ( 9 ) 龙厚涛 侯振义 ， 孙 刚 一种非线性 电子负载基准 电流的产 2 01 3 3 生方法 J 空军工程大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 1 l ( 6 ) ( 编 辑 丁 罡 ) 机械制造5 1 卷 第 5 8 3期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m