0 引言
直流斩波器是一种将电压恒定的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置，被广泛应用于煤矿直流电动机调速、开关电源等领域[1-4]。依据JB/T 6481—1992《蓄电池车辆用直流斩波器》和JB/T 5348—1991《牵引用直流斩波器基本技术条件》要求，需要完成直流斩波器的轻载、温升、电压波动、导通比、换电流能力等性能测试。
现有直流斩波器测试平台通常由直流电源和负载组成。其中，直流电源大多选用三相调压器+三相不控整流电路来实现，但输出电压纹波大[5-6]；负载通常选用电阻或电感负载，但大功率负载需采用多个负载串联或并联来实现，造成测试效率低、能耗大。本文设计了一种基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台，具有电源可调范围大且输出稳定、负载易调节且能量可反馈等特点，适用于不同矿用直流斩波器各项性能测试需求。
1 测试平台设计
基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台由可调电压源和能量自循环负载组成，如图1所示。可调电压源输出电压0～750 V可调，电压精度为±3 V，电压纹波低于500 mV，最大输出电流为240 A。能量自循环负载作为可调电流源，输出电流0～240 A可调，电流精度为±5 A。可根据测试需要将N组能量自循环负载并联，增加电流输出能力。同时将能量自循环负载输出能量反馈至可调电压源输出端[7-8]，实现能量自循环模式，降低能耗。
图1 基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台组成
Fig.1 Composition of mine-used DC chopper test platform based on energy self-circulation mode
1.1 可调电压源
可调电压源主要采用三相变压器+三相不控整流电路+Buck电路实现，其主电路拓扑如图2所示。
图2 可调电压源主电路拓扑
Fig.2 Main circuit topology of adjustable voltage source
假设用户根据待测直流斩波器所需输入电压设定可调电压源输出电压为Uset，限流最大值为Imax，设定为240 A。以电容C3两端电压Upo和电流互感器MA1电流Ipo为控制对象，采用电压环、电流环并联的恒压限流控制策略[9-11]，如图3所示。当Ipo较小时，与Imax的差值较大，电流调节量大于电压调节量，根据电压调节量控制PWM调制信号，使Upo快速跟踪Uset，实现恒压输出。当Ipo在Imax附近时，若电流调节量小于电压调节量，根据电流调节量控制PWM调制信号，使输出电流限定在Imax，实现限流输出。
图3 恒压限流控制
Fig.3 Constant voltage and current limiting control
1.2 能量自循环负载
能量自循环负载采用Boost电路[12]实现，其主电路拓扑如图4所示。
图4 能量自循环负载主电路拓扑
Fig.4 Main circuit topology of energy self-circulation load
假设用户根据待测直流斩波器所需输出电流设定能量自循环负载电流为Iset，以电流互感器MA2电流Ico为控制对象，采用恒流控制策略[13-15]使Ico快速跟踪Iset，如图5所示。
2 测试平台仿真
利用Matlab搭建基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台仿真电路，如图6所示。其中可调电压源忽略前级的三相变压器和三相不控整流电路，仅给出Buck电路。
图5 恒流控制
Fig.5 Constant current control
设置L2=L5=L6=4.1 mH，L7=0.4 mH，C3=3 300 μF，C6=C7=C8=1 100 μF，开关管T1和T3的开关频率为1.3 kHz，Uset=250 V，Iset=100 A。
图6 基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台仿真电路
Fig.6 Simulation circuit of mine-used DC chopper test platform based on energy self-circulation mode
Upo仿真波形如图7所示，可看出电压变化范围在249.8～250.5 V之间，电压纹波小于500 mV，满足设计要求。
图7Upo仿真波形
Fig.7 Simulation waveform ofUpo
Ico仿真波形如图8所示，可看出Ico能快速跟踪Iset，电流瞬时值在98～102 A之间波动，电流有效值为100 A，满足设计要求。
3 测试平台试验
为验证基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台的有效性，以ZKT-2×100/250矿用直流斩波器性能测试为例，根据待测直流斩波器进行不同测试时所需输入电压、输出电流分别设定可调电压源输出电压Uset、能量自循环负载电流Iset，对应的测试结果见表1。
图8Ico仿真波形
Fig.8 Simulation waveform ofIco
从表1可看出，测试平台满足电压精度为±3 V、电流精度为±5 A的设计要求；以温升测试为例，若选用传统电阻负载测试，负载消耗功率为UsetIset=250 V×200 A=50 kW，采用能量自循环负载后，最大消耗功率为UpoIpo=250.4 V×24 A≈6 kW，节省能耗约88%。
表1 矿用直流斩波器性能测试数据
Table 1 Performance test data of mine-used DC chopper
4 结语
基于能量自循环模式的矿用直流斩波器测试平台采用三相变压器+三相不控整流电路+Buck电路和恒压限流控制策略实现可调电压源，采用Boost电路和恒流控制策略实现能量自循环负载，从而实现电压和电流大范围调节，提高了测试效率。同时该平台将能量自循环负载输出能量反馈至可调电压源输出端，实现能量自循环，降低了测试能耗。
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