轻载

电子电路代载能力的一种情况

轻载是指电子电路代载能力的一种情况:有空载、轻载、全载、超载。其中轻载是指轻载是相对于全载来说的,指的是在电路的负载范围内,,负载率在30%以下。当然你也可以认为50%以下的负载是轻载,因为这是没有严格定义的。至于轻载是否就是负载电阻大还不一定,在恒流源的负载中,电阻小负载才轻。而在恒压源的负载中,电阻大时负载轻。

电气工控
在电气行业中,轻载是指电气控制元件在额定功率的条件下,能拖动同等功率的负载,但是其输出的力矩较小。例:变频器轻载应用7.5KW,是指变频器在额定功率时,能拖动同等功率的电机,此电机只能轻载启动,电机输出力矩较小。
稳定性仿真
异步电机开环V/f 控制系统在空载或轻载时存在持续振荡的不稳定问题。该类系统的轻载稳定性是一个非常复杂的问题,与定子电阻、转子惯量、死区时间、DC滤波电容、载波频率、系统谐振频率等很多因素有关。有关抑制振荡方法的研究很多,但对振荡起因的研究却相对较少。主要对异步电机V/f 控制系统轻载持续振荡的起因进行研究。首先,通过仿真建模详细分析了系统出现持续振荡时的不稳定现象。然后,通过理论推导,从传统控制理论的角度对系统轻载振荡的原因进行了研究,并分析了系统中各参数对此振荡的影响。推导出的结论与实际情况吻合,根据该文的分析结果可对异步电机 V/f 开环控制系统的振荡情况进行预测。
系统轻载振荡仿真
当电机在空载或轻载状态时,系统在中、低频工作范围内存在一段振荡区域。分别给出了系统在稳定时和振荡时各变量的仿真波形。ia为相电流;isd为励磁电流;isq为转矩电流;ψr为转子磁链;Te为输出转矩。仿真模型的基本参数为:电机功率为7.5kW;额定电压为380V;额定频率为50Hz;额定电流为15.4A;额定转速为1440r/min;定子电阻为0.7Ω;转子电阻为0.6012Ω;漏感为3.59mH;互感为122.11mH。PWM载波频率为 10.0kHz,死区时间为6.4s。
仿真模型中,系统在12Hz附近出现振荡现象。电机相电流ia振荡较为严重,此时电流的峰值最大达到了1.5pu(标么值,其基准值为电机额定电流值)。电机稳定时的相电流ia峰值约为0.4pu。经对比可知,相电流中的振荡电流分量幅值为1.1pu。如此大的振荡电流分量很容易造成驱动器的过流保护而使电机停机,更严重时甚至会烧坏驱动器中功率器件。
系统轻载振荡分析
异步电机开环V/f 控制系统轻载稳定性是个非常复杂的问题,很多因素都会导致系统的振荡。为了从理论上对系统的轻载稳定性进行分析,首先在电机工作点附近对电压方程、磁链方程、转矩方程和机械方程进行小信号线性化处理,得到异步电机小信号线性状态。
当电机转速逐渐增大时,系统的极点分布为电机转子角频率ωr0从0增加到2π×50rad/s时系统极点的分布,而对虚轴附近的区域放大后的极点分布可知,随着电机转速的增加,系统主导极点逐渐远离虚轴。由此可知,在中、低频段,系统更容易发生持续振荡;而在高频段,系统的主导极点离虚轴较远,系统中的振荡分量衰减速度较快,因而发生振荡的可能性较小。
系统极点随电机滑差角频率ωs0变化的分布规律图给出了电机滑差角频率ωs0分别为2π×0.1r、2π×1.0和2π×2rad/s(对应电机额定滑差角频率),且电机转子角频率ωr0从0增加到2π×50rad/s时,系统极点的分布规律图,而此时系统极点在虚轴附近的分布给出了电机转子角频率ωr0为2π×10rad/s且电机滑差角频率ωs0从2π×0.1rad/s增加到2π×2rad/s时,系统极点在虚轴附近的分布图。随着负载的增大,系统的主导极点往s平面的左上角方向移动,逐渐远离虚轴,系统中的振荡分量衰减速度逐渐加快,发生振荡的可能性逐渐减小。此结论与实际情况相吻合。在实际应用中,开环V/f 控制系统的持续振荡也只在电机空载或轻载的情况下发生。
定子电阻及死区效应对轻载振荡的影响
在系统中其他参数保持不变的前提下,仅改变电机定子电阻时,及系统的极点变化规律。电机滑差角频率ωs0为2π×0.1rad/s;转子角频率ωr0为2π×10rad/s;定子电阻Rs从0.6Ω变化至1.0Ω。
随着定子电阻的增大,系统的主导极点逐渐向虚轴移动,导致系统的振荡衰减速度变慢。由此可知,定子电阻越大,系统越容易发生振荡。
逆变器中为防止上、下桥臂直通,必须加入一段死区时间,而此死区时间会引起输出信号畸变。根据文献可知,死区时间引起的信号畸变可等效成电阻造成的畸变。因此,系统中死区效应的存在相当于增加了电机的定子电阻,且死区时间越长,此等效电阻越大,根据分析可知,此时系统将更容易产生持续振荡问题。
漏感对轻载振荡的影响
保持系统其他参数不变,电机漏感从0.6mH逐渐增大到6mH时,从系统极点分布变化可知,当漏感很小时,系统的主导极点离虚轴很近。随着漏感的增加,主导极点逐渐远离虚轴。由此可知,电机漏感越大,系统越容易稳定。相反,当漏感越小时,系统越容易出现轻载振荡。
转子电阻对轻载振荡的影响
电机转子电阻变化时,系统极点分布也随之发生改变。随着转子电阻Rr的增大,系统的主导极点往s平面的左上角移动,逐渐远离虚轴,系统将变得更加稳定。
转动惯量对轻载振荡的影响
系统中其他参数保持不变,仅改变电机的转子转动惯量J时,从系统极点的分布规律可知,转动惯量越小,系统主导极点离虚轴越近。此时系统极容易受谐波干扰而发生持续振荡。随着转动惯量的增大,系统主导极点逐渐远离虚轴,系统稳定性逐渐增强。
数字变换器
针对模拟电源轻载效率低的缺陷,提出一种基于DSP的数字电源设计方案。采用数字控制,轻载时,使其工作在Burst模式,极轻载时,通过同步整流管的寄生二极管整流,有效提高了电源轻载效率。分析了移相全桥变换器的工作原理以及Burst模式的工作原理,并设计了数字控制系统和软件系统。最后,通过一台600W移相全桥DC /DC变换器样机,验证了数字控制的优势。测试数据表明,该数字电源在10%额定负载下效率可达85% ,在5%额定负载下效率仍高于70%。
工作原理
基于TMS320F28335的高轻载效率的数字DC/DC变换器的硬件结构Q1、Q2、Q3、Q4是4个主功率开关管,SR1、SR2 为同步整流管,Ls为变压器漏感,T1是主变压器,L1、L2为同步整流电感,C1~C6 分别为Q1~Q4 以及SR1、SR2的寄生电容,D1 ~ D6分别为Q1 ~ Q4以及SR1、SR2的寄生二极管。
变换器工作时,Ls与主功率开关管Q1~Q4的相应寄生电容形成谐振回路,为Q1~Q4的开通和关断营造ZVS 环境,从而减少主功率开关管的开关损耗和通态损耗,提高变换器的转换效率。通过控制全桥电路中对角开关管的重叠量( Q1和Q4、Q2和Q3的互通时间) ,来控制能量的传输,从而调节输出。具体的,当负载处于重载状态( 20%~100%的额定负载) 时,可以看出Q1和Q4以及Q2和Q3重叠导通的时间较长,因此通过变压器T1可以向次 级传输更多的能量; 当负载处于轻载状态( 5%~20%的额定负载) 时,可以看出Q1和Q4以及Q2和Q3重叠导通的时间较短,因此通过变压器T1向次级传输的能量变少;当负载处于极轻载状态( 0~5%的额定负载) 时,可以看出 Q1和Q4以及Q2和Q3重叠导通的时间极短,因此通过变压器T1向次级传输的能量变的极少。
实验结果与讨论
为了验证设计在轻载下仍具有高效率的特性,设计了一台基于DSP28335的移相全桥同步倍整流DC/DC变换器样机,该样机开关频率为200kHz,输入电压为380VDC~420VDC ,输出电压为12VDC ,额定输出功率600 W。
实验表明,该变换器的4个全桥功率开关管在较大负载范围内,均能实现零电压开通和零电压关断,轻载时 Q1的驱动波形图与其他开关管的驱动波形图有相似特征。可以看出,轻载下变换器仍能实现ZVS。
将提出的变换器与传统全桥变换器的整机效率作比较。可以看出,轻负载情况下,设计的数字变换器效率远高于传统效率,在10%的额定负载下,该数字变换器仍能保持85%的转换效率,在小于5%的额定负载情况下,该变换器效率也高于70%,这是由于本数字变换器在原有移相全桥变换器的基础上加入了轻载Burst和极轻载两种模式,从而使本变换器在轻负载状态仍具有很高的效率。另外在重载情况下,该数字变换器效率最高能达到94% ,也高于传统变换器效率,这是由于本样机采用数字控制方式,减少了外围控制器件的数量,减少了整机损耗所致。
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