杜太行，劉旭林，孫曙光，郝立林，紀學玲，王佳興

(河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院，天津 300130)

0 引言

在低壓配電系統(tǒng)中，低壓電器能否正常運行直接影響系統(tǒng)能否能正常供電配電，低壓電器電壽命試驗是保證低壓電器產品質量的重要手段。低壓電器電壽命試驗系統(tǒng)主要分為測控單元以及模擬負載，測控單元采用工控機、采集卡、信號采集模塊等，實現(xiàn)試驗信號的采集與輸出、數(shù)據(jù)計算處理等功能；模擬負載通常采用電阻器、電感器的組合來實現(xiàn)阻性、阻感性的試驗負載。但模擬負載存在以下方面的問題：模擬負載為了滿足多規(guī)格試品試驗要求，增強設備通用性，需要設計成多段電阻、電感串并聯(lián)來滿足調節(jié)要求，即使采用優(yōu)化設計，避免不了體積大，造價高的缺點，同時這種方式電流調節(jié)有級性不能避免的，存在調節(jié)誤差；能耗大，由于采用能耗型元件進行試驗，大量的電能以熱能的方式浪費掉，還可能導致試驗場所溫度過高，需要外加降溫設備如空調、風扇等，又增加了功率損耗[1-4]。目前,電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用廣泛，在低壓電器領域，利用晶閘管作為主回路的固態(tài)接觸器、繼電器、斷路器[5]等產品已得到廣泛應用；同時,在電源設備檢測等方面得到進一步應用，如為檢測電源質量，設計了電力電子負載，通過控制功率MOSFET或晶體管的導通量，精確調整負載電流，模擬感性、阻性負載[6-7]。

本文設計了一種基于交流固態(tài)負載的低壓電器電壽命試驗系統(tǒng)。測控單元實現(xiàn)控制系統(tǒng)運行,數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等功能。交流固態(tài)負載代替了模擬負載，利用電流發(fā)生單元控制電壓、電流及功率因數(shù)，滿足不同規(guī)格試品的電壽命試驗要求；能量回饋單元將電壽命試驗過程中未損耗的能量通過逆變器回饋至電網，實現(xiàn)能量回饋，達到節(jié)能目的。本文對系統(tǒng)的整體結構進行設計，并對各部分軟硬件設計進行分析，最后進行系統(tǒng)仿真及試驗測試。

1 低壓電器電壽命試驗系統(tǒng)結構

1.1 常規(guī)電壽命試驗裝置

常規(guī)電壽命裝置分為測控單元和模擬負載，測控單元利用計算機、采集卡、電壓電流采集電路以及控制電路等，實現(xiàn)對試驗參數(shù)設置、信號的采集與輸出、數(shù)據(jù)計算處理等。模擬負載采用可調電阻、電感，不同試品的試驗要求不同，負載設計也不同，以繼電器為例[8-9]，繼電器電壽命試驗裝置如圖1所示。該負載設計采用多段可調電阻、電感串并聯(lián)，以滿足調節(jié)要求，存在如前所述的問題。

圖1 繼電器電壽命試驗裝置

參考繼電器使用類別AC-12、AC-14、AC-15，繼電器電壽命負載主要包括：阻性負載、阻感性負載以及變負載模擬。如圖1中負載，通過調節(jié)可調電阻以及電感，對試驗電流以及功率因數(shù)進行調節(jié)，實現(xiàn)阻感性模擬負載試驗；通過開關K1、K2切換不同的負載，實現(xiàn)變負載模擬，如沖擊電流模擬試驗，其控制時序如圖2所示。

圖2 控制時序圖

1.2 基于交流固態(tài)負載的電壽命系統(tǒng)結構

針對常規(guī)電壽命試驗裝置的不足，設計了基于交流固態(tài)負載的低壓電器電壽命試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測控單元和交流固態(tài)負載兩部分。測控單元利用工控機操控PCI-1712高速多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出功能，驅動由固態(tài)繼電器組成的控制電路，從而實現(xiàn)對試品導通、關斷的控制；選用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器進行電壓、電流的信號檢測，通過信號調理模塊將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，對試品觸點電壓電流、交流固態(tài)負載能耗等實時監(jiān)控。交流固態(tài)負載包括電流發(fā)生單元和能量回饋單元，在試驗時，工控機通過通信端口將試驗參數(shù)傳輸給電流發(fā)生單元，電流發(fā)生單元根據(jù)試驗參數(shù)控制試驗電壓、電流及功率因數(shù)；能量回饋單元實現(xiàn)能量回饋。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的整體結構框圖

2 交流固態(tài)負載設計

本系統(tǒng)以PWM VSR為主體實現(xiàn)固態(tài)負載的電流發(fā)生單元，能量回饋單元采用逆變電路，中間環(huán)節(jié)采用直流母線電容，保持直流母線電壓穩(wěn)定，起到兩級解耦作用，使前后級分開控制[10]，如圖4所示。

圖4 交流固態(tài)負載結構圖

試驗電流發(fā)生單元即單相可控整流電路，將其等效為一個電壓源uab，試驗電源電壓為u。在試驗時，根據(jù)不同試驗要求，設置試驗電流給定，根據(jù)試驗電流給定與實際電流i反饋，利用PWM技術，控制單相可控整流電路交流側uab，即可達到控制電流i的目的，實現(xiàn)負載模擬。實際中電流發(fā)生單元可根據(jù)不同試驗要求，設置電流給定，利用PWM技術產生任意形狀的試驗電流，增強設備通用性與靈活性；結合電力電子器件的良好開關特性以及先進的控制方法，可以克服模擬負載試驗電流有級調節(jié)的缺點；同時當前電力電子功率器件具有很高的集成度，性價比高，克服了傳統(tǒng)負載體積大、造價高的缺點。

能量回饋以單相電壓型逆變電路為主體，將試驗中未損耗的能量回饋至電流發(fā)生單元輸入端，達到節(jié)能目的。

2.1 交流固態(tài)負載電路設計

2.1.1 電流發(fā)生單元設計

交流固態(tài)負載整體電路如圖5所示，圖中電流發(fā)生單元主體為單相可控整流電路，通過單相調壓器調節(jié)試驗電壓，滿足試驗電壓要求；通過單相可控整流電路控制試品電流大小以及功率因數(shù)，滿足不同規(guī)格試品的電壽命試驗要求，除進行必要的電壓電流測量外，還包括：

圖5 交流固態(tài)負載整體電路

2.1.1.1 交流側電感

針對不同規(guī)格試品，在試驗過程中試驗電流變化較大，為更好地控制電流和抑制電流紋波，在單相整流電路的交流側串接L1與L2，通過控制固態(tài)繼電器SSR分斷或導通，以選取不同的電感值，從而有效的控制試驗電流。

2.1.1.2 預充電電路

在啟動電流發(fā)生單元前，控制交流接觸器KM2斷開，之后閉合KM1，通過不控整流電路對直流母線電容C進行充電，緩沖電阻R3保護直流母線電容C，減小直流母線電容C在充電過程中的沖擊，在直流母線電容C充電完成后，閉合KM2。

2.1.1.3 保護電路

為保護器件以及有效控制試驗電流，直流母線電壓應保持在一定范圍內，設計了由IGBT Q1和功率電阻R4組成的放電電路。通過控制Q1的導通、關斷，實現(xiàn)對直流母線電容的充放電，從而保證直流母線電壓始終保持在設定區(qū)域內。

2.1.1.4 鎖相模塊

通過鎖相模塊檢測試驗電壓過零點，對試驗電壓相位進行監(jiān)測。

2.1.1.5 試品觸點電壓測量

在電壽命試驗過程中，測控單元通過對試品觸點吸合與分斷電壓測量，判斷試品是否失效；同時電流發(fā)生單元通過對試品觸點端電壓測量，進而判斷試品狀態(tài)，因此對試品觸點端電壓的有效測量很重要。

以R2、調壓器、試品觸點形成回路，不論單相可控整流電路工作與否，均可實現(xiàn)試品觸點電壓的有效測量；同時在試品分斷時，R1釋放調壓器二次側電感電能，R2釋放L1、L2電能，有效抑制試品觸點分斷瞬間電壓沖擊。

2.1.2 能量回饋單元設計

能量回饋單元直流側輸入端為電流發(fā)生單元的直流輸出端，交流側輸出端為電流發(fā)生單元輸入端。如圖5中能量回饋單元所示。

2.2 交流固態(tài)負載控制方案

交流固態(tài)負載上電時，首先進行預充電，預充電完成后，啟動電流發(fā)生單元以及能量回饋單元。

針對電流發(fā)生單元，控制器通過鎖相模塊檢測到試驗電壓的過零點，使得電流參考值與試驗電壓的相位差為試驗設置的功率因數(shù)角。

控制器采集試品觸點端電壓、電流，實時計算試品觸點的等效電阻R，觸點正常閉合時R為一極小值，觸點正常分斷時R為一極大值，據(jù)此值大小可實時判斷觸點的閉合與分斷狀態(tài)?？刂破鞲鶕?jù)試驗參數(shù)及試品觸點狀態(tài)，確定試驗電流參考值，利用PWM技術控制單相可控整流電路的交流側電壓值，使得在試品觸點正常閉合時流經試品觸點的電流幅值以及功率因數(shù)為設定值，在試品觸點正常分斷時，流經試品觸點的電流接近于0。從而實現(xiàn)試驗電流幅值可依據(jù)參考值的幅值大小動態(tài)連續(xù)調節(jié)以及功率因數(shù)調節(jié)。電流發(fā)生單元控制流程圖如圖6所示。

能量回饋單元將電流發(fā)生單元輸入電流is作為給定值，利用PWM技術，控制單相逆變電路輸出電流if與電流發(fā)生單元輸入端電流is相位一致，將試驗中未損耗的能量回饋到電流發(fā)生單元輸入端，實現(xiàn)能量循環(huán)利用，降低電壽命試驗中用電損耗。能量回饋單元控制流程序如圖7所示。

圖6 電流發(fā)生單元控制流程圖

圖7 能量回饋單元控制流程圖

3 測控單元軟件設計

本系統(tǒng)測控單元軟件設計使用LabVIEW平臺，實現(xiàn)控制系統(tǒng)運行、試驗參數(shù)設置、信號的采集與輸出、數(shù)據(jù)處理等功能。試驗開始前，對試驗參數(shù)進行設置，并通過串口將試驗參數(shù)發(fā)送給電流發(fā)生單元；開始試驗后，控制試品動作，啟動AD對電壓電流信號采集；并將采集的數(shù)據(jù)進行存儲及處理；當判斷試品失效或者停止試驗時，結束試驗。測控單元控制流程圖如圖8所示。測控單元軟件主要包括試驗參數(shù)設置及串口發(fā)送，信號輸出、采集及數(shù)據(jù)存儲等模塊。

圖8 測控單元控制流程圖

3.1 試驗參數(shù)設置及串口發(fā)送

系統(tǒng)的試驗參數(shù)主要包括試驗次數(shù)、試驗頻率、通斷占空比、試驗電壓、試驗電流、功率因數(shù)等。通過串口通信方式將試驗參數(shù)發(fā)送到電流發(fā)生單元。串口通信中，采用數(shù)據(jù)幀的通信協(xié)議格式：幀頭、參數(shù)碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗，電流發(fā)生單元通過參數(shù)碼識別不同的試驗參數(shù)，根據(jù)試驗參數(shù)進行控制。試驗參數(shù)設置及串口發(fā)送程序如圖9所示。

圖9 試驗參數(shù)設置及串口發(fā)送程序

3.2 信號輸出、采集及數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)采用研華PCI-1712高速多功能數(shù)據(jù)采集卡，通過采集卡IO端口控制試品通斷；利用AD采集端口對電壓、電流信號實時采集，采集卡提供有多個基于LabVIEW的驅動模塊和庫函數(shù)，解決了LabVIEW與采集卡之間的交互問題。數(shù)據(jù)采集模塊程序編寫采用DMA(direct memory access)模式，DMA方式采集數(shù)據(jù)可準確的采集各個傳感器輸出的信號，同時提高采樣速率和CPU的利用率。

在試驗過程中，需要對采集到試品電壓、電流等信號進行實時存儲，以便于后期對試品的性能進行分析。LabVIEW中提供了多種存儲方式，本系統(tǒng)采用TDMS存儲方式。TDMS 文件是一種二進制記錄文件，其文件結構符合一定的存儲規(guī)律。TDMS 的邏輯結構分為3層，文件、通道組和通道，每1個層次上都可以附加特定的屬性，TDM文件的存儲速度很快，非常適合用來存儲海量數(shù)據(jù)，可在實時系統(tǒng)中廣泛應用。數(shù)據(jù)存儲程序如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)存儲程序

4 系統(tǒng)仿真與試驗測試

本文搭建了仿真系統(tǒng)，進行大功率試驗，對試驗方案進行了驗證；同時由于試驗條件限制，利用設計的試驗系統(tǒng)進行了小功率試驗測試。

4.1 系統(tǒng)仿真測試

本文利用Matlab軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真模型如圖11所示。該仿真采用開關元件模擬試品。利用脈沖發(fā)生器控制試品的導通關斷，利用電壓電流采集模塊、示波器實現(xiàn)信號的測量顯示，以此代替測控單元。本仿真設置試品的開關頻率為1 800次/h，通斷占空比50%，試驗電壓有效值為220 V，試驗電流：沖擊電流有效值為125 A、沖擊電流時間200 ms，額定電流有效值為25 A、額定電流時間為800 ms，功率因數(shù)角為60°，直流母線電壓為400～410 V。

圖11 交流固態(tài)負載仿真模型

仿真試驗波形如圖12所示。試品控制時序以及試驗電壓、電流參考波形如圖12(a)、(b)所示。t0到t3為一個通斷周期2 s，通斷占空比為50%：

t0=0 s時刻：試品導通，電流為沖擊電流125 A；

t1=0.2 s時刻：電流由沖擊電流變?yōu)轭~定電流25 A；

t2=1 s時刻：試品關斷，電流變?yōu)? A；

t3=2 s時刻：試品導通，進入下一個通斷周期。

圖12 仿真試驗波形

如圖12(c)所示。仿真中含有沖擊電流，根據(jù)試驗電流不同，實時改變交流側電感值，從而有效的控制試驗電流。

試品觸點端電壓波形如圖12(d)所示，試品處于分斷狀態(tài)，試品觸點電壓為試驗電壓，試品處于導通狀態(tài)，試品觸點電壓接近于零。

通過對試品觸點電壓電流的有效測量，可實時計算試品觸點的等效電阻R，判斷試品觸點的閉合與分斷狀態(tài)，控制試驗電流大小以及功率因數(shù)。電流發(fā)生單元所產生的實際電流如圖12(e)所示，試品導通時沖擊電流有效值為125 A，沖擊時間200 ms，額定電流有效值25 A，額定時間800 ms，圖中放大部分為2.2 s處的電壓電流波形，試驗電流與電壓的功率因數(shù)角為60°?？梢婋娏靼l(fā)生單元實現(xiàn)了預設的試驗電流產生功能，具有很高的精度。

如圖12所示，(f)為電流發(fā)生單元輸入電流，(g)為回饋電流，放大部分為2.2 s處電流波形。如圖13所示，對電源輸出端的有功功率進行測量。由圖13可知，能量回饋單元的節(jié)能效果明顯。

(a)無能量回饋的有功功率

(b)有能量回饋的有功功率圖13 電源輸出的有功功率

4.2 試驗系統(tǒng)測試

根據(jù)設計方案搭建試驗系統(tǒng)，進行試驗系統(tǒng)測試。圖5中，交流固態(tài)負載的開關器件為IGBT模塊FF150R12ME3G模塊及其對應的驅動模塊2SP0115T2B0-12，控制器采用TMS320F28335芯片。R1、R2為1 000 Ω，R3為20 Ω，R4為10 Ω，L1為50 mH，L2、L2、L3為5 mH，直流母線電容C為4 700 uF。

選取交流繼電器試品，進行感性負載試驗。進行實際試驗測試，通過LabVIEW平臺設置試驗頻率1 800次/h，通斷占空比50%，試驗電壓為220 V，試驗電流為額定電流10 A，功率因數(shù)角為45°。試驗過程中，測控系統(tǒng)軟件界面如圖14所示，試驗電壓、電流及功率因數(shù)與設置相符，且節(jié)能效果明顯。

圖14 系統(tǒng)界面

5 結束語

本文設計了基于交流固態(tài)負載的低壓電器電壽命試驗系統(tǒng)，通過分析常規(guī)電壽命試驗的不足及試驗要求，給出了系統(tǒng)整體設計方案，并進行了交流固態(tài)負載以及測控單元的軟硬件設計。交流固態(tài)負載代替了常規(guī)電壽命試驗中的模擬負載，交流固態(tài)負載的電流發(fā)生單元對試品觸點端電壓有效檢測，實時判斷試品觸點動作狀態(tài)，以控制在動作過程中流經試品觸點的電流，實現(xiàn)了試驗電壓、電流以及功率因數(shù)的調節(jié)，可以產生任意形狀的試驗電流，更加契合控制實際負載，增強設備通用性與靈活性，同時降低設備的成本，具有更高的調節(jié)精度；利用能量回饋單元實現(xiàn)了能量回饋，降低了試驗用電損耗，達到了節(jié)能的目的。同時測控單元實現(xiàn)系統(tǒng)運行的控制、試驗數(shù)據(jù)的采集、處理與存儲，且操作方便。