能馈型电子负载的设计
电能回馈直流电子负载的设计与实现
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｌ ｃｒ ｎ ｃｌ ａ ；Ｂ ｏ ｔ ｏ ｖ ｒ ｒｃｒ ｕ ｔ ｉｈ ｆｅ ｕ ｎ ｙｉｏ ａｉｎ ｃ ｒｕ ｔ ｎ ｅ ｓ ｒ — ｏ ｎ ｃｅ ｉ ｕ ｔ ｙ ｒ ｓ ｅ ｅ ｔ ｉ ｏ ｄ ｏ ｓ ｎ ｅ ｔ ｉｃ ｉ；ｈｇ － ｑ ｅ ｃ ｓ ｌｔ ｉ ｉ；ｉｖ ｒ ｅｇ ｉ ｃ ｎ ｅ ｔｄ ｃｒ ｉ ｏ ｃ ｅ ｒ ｏ ｃ ｄ ｃ
ｌ ｏ ． ｈ ｏ ｔ ｌ ｃ ｌ ｏ ｈ ｉｈ ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｉｏａ ｉｎ ｃ ｒ ｕ ｔｉ Ｓ ５ ５ Ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｍｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｉ ａ ｏ ｔｄ ｉ ｈ ｎ ｏ ｐ Ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｅ ｌ ｆ ｔ ｅ ｈｇ 一 ｑ ｅ ｃ ｓ ｌｔ ｉ ｉ ｓ Ｇ３ ２ ． ｕ ｒ ｎ ｄ ｏ ｔ ｓ ｄ ｐ ｅ ｎ ｔ ｅ ｉ — ｏ ｏ ｃ ｈ ｏ
第４ ５卷 第 ７期
２ １年 ７ 月 ０１
电 力 电子 技 术
浅析能馈型交流电子负载的设计应用
浅析能馈型交流电子负载的设计应用摘要：能馈型交流电子负载是一种高精度、高稳定性和高可靠性的负载，广泛用于电子设备测试、电源研究等领域。
本文介绍了能馈型交流电子负载的基本原理及其在设计应用中的注意事项，包括负载的性能要求、控制回路的设计和负载的散热设计等方面。
关键词：能馈型交流电子负载；负载；控制回路；散热设计正文：能馈型交流电子负载是一种利用功率电子器件实现定电流、定电压、定功率等功能的电子负载。
它可以模拟各种真实工况，对电源进行有效的测试和验证，具有高精度、高稳定性和高可靠性等优点。
在设计能馈型交流电子负载时，首先需要考虑负载的性能要求，包括承受功率、负载和输入参数范围、响应时间等。
其次，需要设计控制回路，实现精准的电流、电压、功率调节，提高负载的稳定性和精度。
控制回路主要由比例-积分-微分控制器和电流、电压传感器组成，并结合负载的特性进行优化。
此外，还需要设计保护措施，保障负载和被测设备的安全性。
另外，由于能馈型交流电子负载在工作过程中会产生大量的热量，因此散热设计也至关重要。
通常采用散热片或风扇进行散热，同时考虑风道设计和电路板布局等因素，以保证散热效果和稳定性。
综上所述，能馈型交流电子负载在设计和应用中需要考虑负载的性能要求、控制回路设计、保护措施和散热设计等方面，以充分发挥其优势完成各种测试和研究工作。
能馈型交流电子负载具有广泛的应用，包括电源研究、电源测试、光伏发电、风力发电等领域。
在电源研究中，能够利用能馈型交流电子负载对电源进行电流、电压、功率等参数的测试和验证，以评估其性能和稳定性。
在风力、光伏发电等领域，能够利用能馈型交流电子负载实现电网电压、电流调节和发电机控制等功能。
在能馈型交流电子负载的应用中，还需要了解其特殊的功能，例如快速切换、万兆测量、数字监控、瞬时电流测量、电子开关等。
这些功能对精密仪器测试和电源研究非常有用。
同时，应用能馈型交流电子负载还需要考虑负载的准确性、精度和稳定性等因素。
能馈式电子负载中交错并联Boost电路的设计
能馈式电子负载中交错并联Boost电路的设计赵国强;马皓【摘要】为满足服务器电源测试用能馈式电子负载对第一级DC/DC低压大电流输入、低输入电流纹波和高效率的要求,第一级DC/DC采用交错并联Boost电路.分析了该电路的工作原理,给出了电路中各主要元器件的选取原则.针对电子负载恒流输入需求,给出了基于dsPIC33FJ16GS504的输入电流恒流控制环路设计思路和方法.利用DSP实现了快速运算,达到精确设定输入电流大小的目的.最后,制作了一台12 V/100 A输入,48 V输出的1.2 kW实验样机.实验结果验证了该电路在低压大电流输入情况下的可行性,电路工作稳定,满足了能馈式电子负载的要求.%In order to satisfy the requirements of low voltage and large current, low input current ripple, and high efficiency in energy-feedback electronic load for server power supply test, an interleaved Boost converter was employed in first stage DC/DC. The operation principle of the circuit was analyzed and the selecting method of main components was presented. In accordance with the demand of constant input current in electronic load, design of constant current control loop based on dsPIC33FJ16GS504 was introduced. Accurate set of input current was achieved by means of high-speed calculation with DSP. Finally a 1. 2 kW prototype was built with input 12 V/100 A and output 48 V. The results validate the feasibility of the proposed converter with input of low-voltage and large-current, show that the circuit can work in stable state and meet the requirements of energy feedback electronic load system.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2011(028)010【总页数】4页(P1269-1272)【关键词】服务器电源;交错并联;能馈式电子负载【作者】赵国强;马皓【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TM13随着信息产业的快速发展和数字化革命的不断深入，服务器电源的输出电流越来越大。
能馈型直流电子负载的设计与研究
图2系统电路图 2被测直流电源控制策略 被测直流电源控制器使用TL494电压驱动型脉宽调制器。 该控制器基本包含开关电源所有控制功能，因其工作可靠性
围输出的直流电转化为可任意调节的交流电;变压器可实现不 同电压下的变压及电气隔离;能量回馈装置可实现将交流电转 换成可并入直流电源侧的直流电，并可调并入电流值，实现电 能的高效循环利用。
基金项目：省级大学生创新创业计划(201810623055)。
PWM波
图3 TL494驱动波形
-4 - 科学技术创新2019.11
降低用于控制器供电;使用Boost拓扑升压，选择合适的反馈电
在开关管导通的T。时间内，二极管所加反向电压即二极管 不导通，此时输入电源通过电感给电容以及负载提供能量，同
2019.11科学技术创新 - 3-
能馈型直流电子负载的设计与研究
余婷王澄睿蒙怡帆
(西华大学电气与电子信息学院，四川成都610039)
摘要：能量回馈型直流源电子负载是一种新型实验测试装置，该装置能将被测直流源输岀电能通过变换后回馈到被测直
流源输入端，实现能量的循环利用，相比传统电子负载具有高效节能的优点。本文设计了一种PWM控制方式下的直流源能量回
传统直流源出厂测试基本上都是使用电阻器、电阻箱等作 任意调节的交流电、采用环形变压器实现电气隔离；由于冋馈
为负载，在测试过程中不仅将电能完全消耗，同时还产生大量 侧为恒流源，回馈电压值容易被直流电源钳位，所以回馈电压 热量,恶化了周围的工作环境。随着当今社会高速发展,能源危 可以通过逆变电源输岀间接控制，在电气隔离的基础上实现任
际选择时开关管最大允许工作电压应留有一定余量，一般选择
原则为V^=(2-3)1.1x1.200,而开关管的最大允许工作电流一般 选择原则为Idm=(2~3)I,叫
单相能馈型交流电子负载的研究
单相能馈型交流电子负载的研究李照;师延飞【摘要】针对能馈型交流电子负载传统控制方法精度低、动态响应慢、模拟效果差等问题,将重复+P控制用于负载模拟侧电流控制器的设计.首先介绍了能馈型交流电子负载的原理及结构;其次对系统整体控制方案进行了设计,模拟变换器采用单电流环控制,并网变换器采用电流内环和加入二次陷波器的电压外环双闭环控制,可使能馈型交流电子负载准确模拟真实负载,并使能量单位功率因数回馈电网,达到节能的效果;最后通过仿真实验,验证了理论的正确性.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】4页(P50-52,55)【关键词】交流电子负载;重复+P控制;模拟变换器;并网变换器【作者】李照;师延飞【作者单位】日照市第一中学日照市重点实验室,山东日照276800;日照市第一中学日照市重点实验室,山东日照276800【正文语种】中文能馈型交流电子负载是一种考核电源设备性能的新型电力电子节能装置，可模拟阻性负载及任意功率因数的感性和容性负载，并可使能量单位功率因数回馈电网。
基于实验自动化、节能减排和减少开支的要求，开发能准确模拟各种负载特性并具有能量回馈功能的交流电子负载，具有重要的现实意义和经济效益[1]。
在控制方法的选择上面，滞环控制虽然控制简单，动态响应快，但开关频率不固定，导致滤波器设计困难；传统PI控制虽参数容易整定，动态响应较快，但存在稳态误差；重复控制虽然能增强系统鲁棒性能，消除稳态误差，但动态性能较差。
本文采用重复+P控制用于负载模拟侧电流控制器的设计，实现动态响应快、鲁棒性强及稳态精度高的功能，可以快速、准确地模拟真实负载特性，并使能量单位功率因数回馈电网[2,3]。
图1为单相能馈型交流电子负载的主电路拓扑结构。
模拟变换器包括由IGBT开关管VT1～VT4构成的PWM整流桥、滤波电抗器L1和交流侧等效电阻 R1。
并网变换器包括由IGBT开关管VT5～VT8构成的PWM逆变桥、滤波电抗器L2和交流侧等效电阻R2。
IDI7101能馈型交流电子负载概述
IDI7101能馈型交流电子负载概述交流电源在研发生产过程中或产品出厂前都需要进行负载试验以检验电源的电气性能和输出能力。
交流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,而且对于非线性负载的某些特性也可模拟。
电子负载通过控制输入电流达到模拟各种负载的目的,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。
交流电源在研发生产过程中或产品出厂前都需要进行负载试验以检验电源的电气性能和输出能力。
目前，电源试验和性能检测一般都是通过无源负载进行的。
无源负载包括阻性负载、感性负载、容性负载以及阻感容混合负载等。
无源负载在电源试验中，有功电能均通过阻性负载消耗，能耗大、发热量大、稳定性差，并且还存在负载调节不便等缺点。
交流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，而且对于非线性负载的某些特性也可模拟。
电子负载通过控制输入电流达到模拟各种负载的目的，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。
交流电子负载又分为能量消耗型和能量回馈型两类，由于输入电流受控，两者均具有电子负载模拟功能强、控制精度高的优点。
但能量消耗型电子负载从电源吸收的有功电能仍须通过电阻消耗，而能量回馈电网型电子负载与它的区别在于：一方面，它从被试电源吸收的电能可最大量的为被试电源循环使用，损耗仅仅是变流器的开关损耗和线路损耗，从而最大限度地节约了电能；另一方面，由于所采用的PWM变流器工作在开关状态，与一般工作在放大状态的电子负载相比它可很容易地实现大功率应用的要求，因而具有更广阔的应用领域。
青岛仪迪电子公司研发的能馈型电子负载IDI7101主要应用于110V、220V电力电源老化测试及总体测试。
设备自动适应220V和110V电力电源的老化。
高频PWM技术，能够将老化测试过程中92%以上电能循环利用，节能高效、安全稳定。
基于STM32的能量反馈型电子负载设计
基于STM32的能量反馈型电子负载设计雷新颖;王成;苏力【摘要】In order to the energy-feedback-type electronic load can continuous and steady run,it is controlled by STM32 SCM,using the hysteresis control and digital PID control.The result shows that the electronic load can work in resistive state,inductive state or capacitive state,at the same time the output current has the same frequency and phase with the Grid voltage,the power factor is 1.When the input current phase of the system leads or lags the input voltages phase with 90°,the inverter will work in weak rectifying state.The system work at dynamical balance state,the start-up must go gently.In short,the system can continuous and steady run under the STM32 MCU control,the effect of PID algorithm to stable the voltage value of the large capacitance for energy storage is good.%为了使能量反馈型电子负载,能够连续稳定运行,采用STM32单片机对能量反馈型电子负载进行控制,使用滞环控制法和数字PID算法对系统进行控制.结果表明实现电子负载在阻性、感性和容性状态运行的同时,可以使输出电流与电网电压同频同相,逆变功率因数为1.当系统输入电流相位滞后或超前输入电压相位90°时,逆变级处于微弱的整流状态.工作时,系统处于动态平衡状态,启动要平缓.总之,在STM32单片机控制下系统可以连续稳定运行;PID算法对稳定储能大电容上的电压,效果良好.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)021【总页数】4页(P19-22)【关键词】电子负载;STM32;滞环控制法;数字PID【作者】雷新颖;王成;苏力【作者单位】西安航空学院电子工程学院,陕西西安710077;西安航空学院电子工程学院,陕西西安710077;西安航空学院电子工程学院,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】TN99为了使UPS能够满足不同情况的应用，对其进行老化或性能测试的实验中需要使用不同性质的负载。
能馈式智能电子负载的研究
能馈式智能电子负载的研究林舜臣【摘要】根据能馈式智能电子负载能够实现电能的再生利用的特点，本文结合PID控制及数字锁相环技术，设计出一种新型的能馈式智能电子负载系统，并用MATLAB搭建系统进行仿真。
仿真结果表明，装置运行稳定，放电电流纹波较小；能够实现电能的再生利用，具有非常好的应用前景。
【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2011(037)006【总页数】2页(P134-135)【关键词】能馈式;软锁相;PID【作者】林舜臣【作者单位】中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN4010 前言随着国民经济的发展，人们对能源的要求及试验自动化的要求越来越高，一方面工业交通等场合需要越来越大的功率试验手段，由于能源的紧缺使得能耗的费用也越来越高，基于节约能源减少开支和试验自动化的要求，本文提出了能馈式智能电子负载，它是一种用于各种直流电源调节的新型电力电子装置。
同时能够将直流电能逆变为交流并入电网，实现电能的再生利用。
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，将待试设备的输出能量循环再生利用，节约了能源;另一方面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，而且不需要使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，节约了安装空间。
电阻负载在功率较高时不得不采用有级调节，使用时受到很大限制，而电子负载可在使用时可以实现无级调节。
另外由于采用馈能工作方式，因此试验场所不必配备较大的电源容量。
对于不同电压等级的直流设备，有两种实现方案:①直流电通过DC/DC变换后得到直流电，再逆变为交流;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1所示。
图1 电子负载实现方案1 能馈式智能电子负载的工作原理1.1 系统的主电路系统框图电子负载主电路采用三相PWM整流电路。
交流侧的工频变压器为pwm变换器与工业电网提供合理的阻抗匹配，可实现二者间的电气隔离。
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4．存在的困难与问题 虽然现在进度合格，但是还有一系列的问题有待解决： 1） 、负载电流波动比较大； 2） 、功率平衡的计算还存在一些问题； 3） 、各种模拟负载的仿真； 4） 、pi 调节器的设计问题； 5） 、整体仿真的改进。
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图 2-8
简化后电压环等效结构图
对其的反馈部分 simulink 仿真如下图：
图 2-9
电能反馈部分仿真图
2.4 整体仿真 整体仿真图如下：
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图 2-10 整体仿真
图 2-11 负载电流
图 2-12 直流侧电压
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图 2-13 电流反馈电网图
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3．后期拟完成的研究工作及进度安排 2014.5.4-2014.6.1: 根据仿真结果对系统进行修改； 2014.6.4-2014.6.17: 准备毕业论文； 2014.6.18-2014.6.23: 修改论文，准备答辩； 2014.6.26-2014.6.27: 提交论文等材料。
图 2-3
单管级联型 BOOST 变换器的电路图
并对其中原件的参数进行了设计与计算。 对于逆变电路选择了易于控制的电压型单相全桥逆变电路， 最后通过 LCL
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滤波器链接到 220V 的交流电网中。其中对 LCL 滤波器进行了建模分析：
图 2-4 LCL 滤波器频域等效电路图
得其传递函数为：
GF s
图 2-7 滞环电流控制基本原理图
此外，PID 控制器因其原理简单、适用性强、对被控对象参数变化不敏感 等优点而广泛的应用在了工业控制系统当中。其中 PI 控制的作用是增大低频 增益和提高系统的稳态精度，在本文中电压外环选择 PI 控制就可使控制系统 满足指标的要求。
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根据文献了解，滞环电流控制，因其本身是一种典型的非线性控制方法， 不具有完备的线性小信号模型支持， 通常采用描述函数法进行分析， 仅考虑其 基波分量， 又因此处内电流环对电流指令的跟踪速度远快于瞬时外电压环对波 形的跟踪速度，所以在低频小信号下，为简化电压环设计，可将电流环等效为 1 一个比例环节 Gi s ，则简化后的电压环等效结构如图 2-8 所 k fi
2．目前已完成的研究工作及结果 正如开题报告中的系统整体方案的设计， 将能馈型电子负载的设计大致分为两 个部分
图 2-1
电子负载工作原理图
第一部分为负载模拟部分，第二部分为能量回馈部分。进而细分，第一部 分可分为主电路的设计和控制部分的设计， 第二部分也可以分为主电路的设计 以及控制部分的设计。 这样我的整体的方案为了四个小部分。 其中我将两个电 路设计的部分整合到一起，就形成了最后三个部分。
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2.1 主电路的设计 本文电子负载的设计是针对于太阳能电源设计的， 光伏电池的单体电压通 常都很低，仅为 0.4V~0.6V 左右，使用时需对其进行串联升压,常见太阳能电 池组件是串联 36/48/72/96 片，即组件的电压通常在 18/24/36/48V 左右。我选 取了针对 48V 电源的电子负载的设计， 如欲将测试用的电能回馈至 220V 交流 电网，则需控制直流母线电压值大于电网电压的峰值 220 2 通常是将直流母 线电压升至 400V 左右。这就必然需要一个升压电路以满足逆变需要。所以主 电路的基本设计是：
图 2-2
能馈型直流电子负载系统基本框图
传统的 Boost 变换器尽管在理论上可以无限升压， 但是在实际应用中其升 压比却受各种寄生因素的影响而无法达到很高， 通常仅为四到五倍左右。 根据 以上分析，本文拟在系统的负载模拟部分采用具有宽调压特性的高升压比 DC/DC 变换器。 在经过对于一些升压电路的学习，例如：Boost 升压电路，Double-Boost 变换器，单管级联型 Boost 变换器等，最终选择单管级联型 Boost 变换器作为 本设计中的升压电路。
图 2-5 负载模拟部分单管级联 Boost 变换器的电流闭环控制框图
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图 2-6
负载模拟部分仿真图
2.3 并网逆变控制环节的设计 并网逆变部分的控制目标是：1）控制直流母线电压稳定在 400V，以保证 系统的功率平衡和并网逆变的顺利进行。2）控制并网电流与电网电压的相位 和频率相同， 保证将测试所用的电能以单位功率因数馈送到电网中， 最大限度 的回收利用电能。 在多次的尝试之后， 我对并网逆变部分控制策略的选择， 采用电压电流双 闭环的控制方式， 即直流母线电压外环和并网电流内环， 其中内环采用滞环电 流控制。
2.2 负载控制环节的设计
I2 s 1 sCR 3 2 Ui s s L C 2s 2 LCR 2sL
（2-1）
由上面的分析可知,负载模拟部分采用的升压变换器之后，为了实现模拟真 实负载的功能,需为其设计电流跟踪控制器。负载模拟部分的单管级联 Boost 变换器的输入电流进行闭环控制框图如图 2-5 所示，
哈尔滨工业大学
学士学位论文中期报告
姓 班 导
名 级 师
胡浩 1002302 李军远
论 文 题 目能馈型电子负载的设计 中期报告日期 2014.5.10
1．开题报告中课题总体进度安排如下： 2013.12.12-2013.12.27: 信息收集； 2013.12.28-2014.1.4: 阅读、整理收集的资料； 2014.1.5-2014.3.22: 准备撰写开题报告，制作 PPT； 2014.3.22-2014.4.5: 完成系统中主电路的设计； 2014.4.5-2014.4.20: 完成系统中控制策略的基本设计； 2014.4.21-2014.4.30: 完成外围电路的设计； 2014.5.1-2014.5.3: 进行系统仿真与调试； 2014.5.4-2014.6.1: 根据仿真结果对系统进行修改； 2014.6.4-2014.6.17: 准备毕业论文； 2014.6.18-2014.6.23: 修改论文，准备答辩； 2014.6.26-2014.6.27: 提交论文等材料。 现在是 2014.5.10 我现在进度应该如上文所述到仿真与调试阶段，实际上 我的总体进度正是在仿真与调试阶段，完成我初期对于设计工作的预期进度。
传递函数， Gid s 为单管级联型变换器的占空比至输入电流传递函数。其中
Gc s K p K I 1 ，取 K p 137 ， K I 1.2 。 s 并对其做出了 simulink 的仿真，如下图：
其中，Gc s 为设计的补偿网络的传递函数，GM s 为 PWM 脉宽调制器