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江苏省大学生电子设计竞赛E题设计报告一等奖

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2020年4月19日
文档仅供参考
江苏省大学生电子设计竞赛设计报告（一等奖）
竞赛选题：E题 变流器负载试验中的能量回馈装置（本科）
1. 任务
设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置，其结构如图1所示。
变流器进行负载试验时，需在其输出端接负载。一般情况下，输出电能消耗在该负载上。为了节能，应进行能量回馈。负载试验时，变流器1（逆变器）将直流电变为交流电，其输出经过连接单元与变流器2（整流器）相连，变流器2将交流电转换成直流电，并回馈至变流器1的输入端，与直流电源一起共同给变流器1供电，从而实现了节能。
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U1

图1 变流器负载试验中的能量回馈装置
2．要求
（1）变流器1输出端c、d仅连接电阻性负载，变流器1能输出50Hz、25V±0.25V、2A的单相正弦交流电。 （20分）
（2）在要求（1）的条件下，变流器1输出交流电的频率范围可设定为20Hz~
100Hz，步进1Hz。 （15分）
（3变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，系统能实现能量回馈，变流器1输出电流I1 = 1A。 （20分）
（4）变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，变流器1输出电流I1 = 2A，要求直流电源输出功率Pd越小越好。 （35分）
（5）其它。 （10分）
（6）设计报告 （20分）
项 目
主要内容
满分
方案论证
比较与选择，方案描述
3
理论分析与计算
系统相关参数设计
5
电路与程序设计
系统原理框图与各部分的电路图，系统软件流程图
5
测试方案与测试结果
测试方案合理，测试结果完整性，测试结果分析
5
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。
2
总分
20
3．说明
（1）图1所示的变流器1及能量回馈装置仅由直流电源供电，直流电源可采用实验室的直流稳压电源。
（2）图1中的“连接单元”可根据变流器2的实际情况自行确定。
（3）电路制作时应考虑测试方便，合理设置测试点。
（4）能量回馈装置中不得另加耗能器件。
（5）图1中，a、b与c、d端应能够测试，a、c端应能够测量电流；c、d端应能够断开，另接其它阻性负载。

0摘要
本设计是一种采用STC12C5A60S2单片机为主控的变流器负载试验中的能量回馈装置。其逆变板单片机采用查表法，输出SPWM到H桥，将输入的38v直流电压，逆变到25v交流电输出，经过按键能控制其输出20~100Hz的正弦波，1Hz步进。经过工频变压器隔离后，输入给回馈装置，其采用单片机控制的BOOST电路，闭环控制其电流输出，由于在特定电流下，电路效率基本是恒定的，故能控制环路中逆变部分的输出交流电流。经过按键能步进调节其电流大小。整体设计符合题目要求。
1设计方案工作原理
1.1预期实现目标定位
设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置。变流器进行负载试验时，需在其输出端接负载。一般情况下，输出电能消耗在该负载上。为了节能，应进行能量回馈。负载试验时，变流器1（逆变器）将直流电变为交流电，其输出经过连接单元与变流器2（整流器）相连，变流器2将交流电转换成直流电，并回馈至变流器1的输入端，与直流电源一起共同给变流器1供电，从而实现了节能。
本系统设计要求：①变流器1输出端c、d仅连接电阻性负载，变流器1能输出50Hz、25V0.25V、2A的单相正弦交流电。②在要求的条件下，变流器1输出交流电的频率范围可设定为20Hz～100Hz，步进1Hz。③变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，系统能实现能量回馈，变流器1输出电流I1= 1A。 ④变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，变流器1输出电流I1 = 2A，要求直流电源输出功率Pd越小越好。
1.2 技术方案分析比较
（1）控制系统选择
方案一：采用STM32F407ZGT6单片机为控制核心， 经过输出互补SPWM波控制驱动芯片驱动开关实现正弦逆变。STM32做为系统控制核心,配合12位高精度D/A模块精确控制输出电压。系统具有良好的过流保护功能并可智能检测负载情况,以控制系统工作状态。
方案二：采用STC12C5A60S2，能输出两路PWM波形控制驱动芯片驱动开关实现正弦逆变。TC12C5A60S2拥有36个I/O口而且具有两路PWM输出、8路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成弱上拉、强上拉、高阻、开漏模式，该单片机内置上电复位电路，性价比高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。
综合考虑性价比、成本、面积、功耗等因素软硬件设计，采用方案二。
（2）驱动电路选择
方案一：半桥式驱动电路是两个三极管或MOS管组成的振荡，振荡转换之间容易泻有电流使波形变坏，产生干扰。成本低，电路容易形成。
方案二：全桥式驱动电路，桥电路是四个三极管或MOS管组成的振荡。全桥电路不容易产生泻流，采用IR2104作为它的驱动芯片，该芯片结构简单性能可靠而且能极大地提升电路的稳定性且降低了设计难度。
综合考虑设计完成难度，采用方案二。
（3）连接部分电路
为了避免变频器和升压电路直接相连，地线耦合在一起，无法识别高电位和低电位，电流不会起作用。因此这里必须要电气隔离变压器。采用1:1的工频变压器，可是实际使用中有铜损和铁损，最后测出变压器效率为96%。
（4）单相桥式整流电路
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只二极管导通，得到正弦波的正半周；输入正弦波的负半周时，另两只管导通，由于是反接的，因此输出依然得到正弦波的正半周。经过RC滤波电路之后变成直流输出。
（5）BOOST稳压分析
在MOS管导通的时间里，电感L会把流经的电流转变成为磁能来完成能量的贮存，电容C把流经的电感L的那一部分电流转变成为电荷来进行贮存。在MOS管关掉的时间里，电感L会产生反向电动势叠加在电源上，输送给负载R并与续流二极管D组成回路，同时电容C将电荷转换成电流向负载供电。若是这个进行通断的过程是不断进行重复的，那么就能够在电容的两端获得高于输入的电压。把迅速进行通断的晶体管置在输入和输出之间，单片机的ADC检测其输出电流的实时情况，经过与设定电流的比较，实时调节通断比例（占空比），从而闭环控制输出的电流，达到闭环控制输出电流的目的。
1.3系统结构工作原理
本系统经过采用C51单片机为主控的变流器负载试验中的能量回馈装置。将输入的38V直流电压，逆变到25v交流电输出，经过按键能控制其输出20~100Hz的正弦波，1Hz步进。经过工频变压器隔离后，输入给回馈装置，其采用单片机控制的BOOST电路，闭环控制其电流输出。

图 1系统结构
1.4功能指标实现方法
根据题目任务，有如下系统设计：
（1）要求1和2中，只要直流电源DC电压是稳定的，同负载下，输出的AC电压就是稳定的，从而逆变部分能够采用开环设计。
（2）经过1:1的变压器隔离后，便于逆变器1和变流器2的单元设计，系统无需考虑共地问题，降低系统设计和调试难度。
（3）由于在工作中，在特定电流下，电路效率基本是恒定的。因此本回馈电部分可闭环稳定采集馈能流回变流器1的电流，去达到环路中变流器1的输出电流的目的。
2 核心部分电路设计
2.1逆变电路
逆变电路经过单片机控制驱动芯片的通断控制H桥逆变电路输出SPWM波，经过LC滤波之后变为正弦波。

图 2逆变部分电路图
2.2变压器部分
为了避免变频器和BOOST电路直接连，地线耦合，无法识别高电位和低电位，电流就不会起作用因此这里必须要电气隔离。变压器这里采用1:1的工频变压器，可是实际使用中有铜损和铁损，最后测出变压器效率为96%。
注：连接部分可使用导线直接相连，使转化效率达到100%，若如此则不能使用接地的设备（如三角插座示波器）测量。
2.3整流升压部分电路
(1)整流部分
用整流桥进行全波整流，同一时刻必然有2个二极管在导通，将产生1.4V左右的电压降（单个肖特基压降为0.7V）。于此同时，电路中变压器输出平均电流1.5A，考虑滤波电路带来的峰值电流，这里选取3倍余量，选取大于5A的整流桥。

图 3整流电路
（2）LC滤波部分
电流纹波比r是开关电源最基本的设计参数之一。将r值设定为0.4左右，是考虑了电源各应力参考后得到的最佳值。根据定义，r值与电感电流平均值（斜坡中点值或直流分量值）和电感电流总摆幅（交流纹波）△I有关。r的大小应该在变换器设计初期确定，因为它影响所有其它参数的选择，对于给定的开关频率，r值讲解表示出电感L的数值。

当前最通用的电感设计规则是基于r的基础公式，首先设置r=0.4,这适用于任何频率和拓扑。输入电压Vin是25V交流整流后的电压，大概是34V，输出电压为38V此中D为PWM的占空比、f为开关电源频率。为输入电压、为输出电压、由于使用同步整流方案，因此没有续流二极管，为肖特基二极管的电压降（这里设置为0）。Io为输出电流。
根据电流公式

得到电感。
对于BOOST电路，

根据伏秒法则，

得到占空比D，
最后得到电感L为

计算得到190uH电感，这里采用这个数值附近的220uH的功率电感。
按照串连型开关电源的电容的推导公式，此中C是电容的容量、Io为一个模块个输出电压、△Up-p为输出纹波电压，T为PWM一个周期的时间。

假定纹波的电压是0.01V,把各个参数代入式子（2-8）得式（2-9），其结果为：

遵循经验设计，1A用1000uF电容，这里使用2颗1000uF的高频电容并联，以达到降低纹波电压的目的。
（3）升压部分电路

图 4升压部分电路图
（3整流部分总电路

图 5整流部分总电路图

3、系统软件设计分析
3.1逆变部分
SPWM逆变器采用的是等效原理实现的，即让逆变器输出的波形是一系列的和正弦波一样效果的虽不等宽但等幅的矩阵脉冲波形，方法是单极性SPWM调制H桥输出正弦波。
在系统初始化过后首先经过键盘设置输出频率,进入SPWM脉宽计算程序,根据所设置频率选择调制比，计算脉宽并确定最大值。在SPWM输出程序中,特殊功能寄存器进行设置并启动计数器,开始输出SPWM波。

图6 逆变流程图 图7 整流升压流程图
3.2整流升压部分
主程序主要处理对时间要求不敏感的数据，例如按键检测，和显示电压电流状况，此中显示这些数据时刻采用数字平均滤波算法，采集50个数据，继而取平均值，使得到的数据更加接近真实状况，抗干扰能力得到很大的提升。
4、竞赛工作环境条件
4.1测试方案
采用先分别调试再整体调试，且硬件测试与软件测试结合的方法，以提高调试效率。具体测试方案如下：
(1）硬件测试
整个过程中，首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功，然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能，然后进行联合测试。经测试，我们的电量检测电路、偏移电路和单片机控制电路均工作正常。
(2）软件仿真测试
软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，并借助串口调试窗口查看并分析运行数据，结果正常。
4.2 测试仪器
1. 设计分析软件环境
AD9电路绘制软件，KEIL4等编程软件。
2. 仪器设备硬件平台
稳压电源，示波器，万用表等。
3. 配套加工安装条件
电烙铁、电钻等。
5、作品成效总结分析
5.1测试结果
（1）输出交流电参数为50Hz、25.04V、2.01A单相正弦交流电，波形无失真。
（2）输出交流电的频率在20Hz~100Hz之间可调，步进为1Hz。
（3）变流器1输出电流大于1A。
（4）变流器1输出电流为2.02A，大于2A，此时电源输出电压与电流示数分别为38.6V、0.357A，计算可得电源输出功率为13.7W。
5.2测试分析与结论
任务功能全部实现，输出功率较低。
6、参考资料