一、设计要求

1、任务

2、要求

3、说明

二、方案介绍

三、硬件电路

1、主回路

2、同步触发电路

3、全桥驱动电路

四、遇到的问题及解决方法

问题一、调压器容量问题

问题二、前级电感问题

问题三、多变量影响功率因数

问题四、辅助电源问题

五、总结

前言

又一次的四天三夜，再次封箱，测试，省一。结束了我的两年电赛生活。

一、设计要求

1、任务

设计并制作如图1所示的单相交流电子负载，其中负载特性模拟单元可模拟电阻性、电感性、电容性负载，能量回馈单元能将尽可能多的能量以50Hz交流电回馈。

图1 单相交流电子负载原理图

2、要求

（1）模拟电阻性负载，电子负载输入为U1=30V， I1=2A。（15分）

（2）模拟电感性负载，电子负载输入为U1=30V，I1=2A，输入侧功率因数cosφ1能根据数字设定在0.50～1.00范围内自动调整。（25分）

（3）模拟电容性负载，电子负载输入为U1=30V，I1=2A，输入侧功率因数cosφ1能根据数字设定在0.50～1.00范围内自动调整。（25分）

（4）模拟电阻性负载，电子负载输入为U1=30V，I1=2A，测电子负载的输入功率P1和回馈功率P2，ΔP= P1- P2，要求ΔP越小越好。（25分）

（5）其他。（10分）

（6）设计报告。（20分）

	项目	主要内容	满分
设计报告	方案论证	比较与选择，方案描述	3
	理论分析与计算	不同类型负载的模拟，能量回馈的方法	6
	电路与程序设计	主回路与器件选择，控制电路与控制程序	6
	测试方案与测试结果	测试方案及测试条件，测试结果及其完整性，结果分析	3
	报告结构及规范性	摘要、设计报告正文结构、公式、图表的规范性	2
	报告总分		20

3、说明

（1）为简化题目、方便测试，电子负载回馈的能量由电阻性负载消耗。

（2）图1中的交流电源为50Hz正弦波交流电，其形式不限，但应做好隔离等措施，确保电气安全。

（3）为方便测试要求（4），交流电子负载仅由图1中的交流电源供电。

（4）题中所有交流参数均为有效值。

（5）电子负载的输入功率P1= U1I1cosφ1、输出功率P2= U2I2cosφ2，其中cosφ1为电子负载输入侧的功率因数，cosφ2为电子负载回馈侧的功率因数。

（6）电路制作时应考虑测试方便，合理设置测试点。

二、方案介绍

总体方案如图所示，有交流电源部分（由隔离变压器，调压器，功率分析仪组成），前级AC—DC变换电路和后级DC—AC逆变电路，辅助电源，单片机控制，如图所示。电路整体由交流电源AC—DC的直流量来给辅助电源统一供电，通过同步电网调节前级AC—DC电路接入SPWM相位影响电流与电压的相位关系去控制功率因数，通过采集到的交流电流调节DC—AC的SPWM的幅度系数去闭环PI控制输入电流大小为2A。

通过前级的AC/DC实现电子负载模拟，后级DC/AC实现能量回馈。

关于前级AC/DC的PWM整流控制功率因数的原理如下图（第五版电力电子技术）。

三、硬件电路

1、主回路

电路拓扑图如下：

2、同步触发电路

主要用于产生单片机同步触发信号，使单片机输出的SPWM波形的相位能够同步电网的相位，实现同步整流，由于输入电压会变化，只有使用过零比较电路才能保证每一次触发的是同一相位点。

3、全桥驱动电路

使用IR2184S驱动芯片，驱动MOS管的通断，实现单相电子交流负载的功能和实现后级回馈的功能。

四、遇到的问题及解决方法

问题一、调压器容量问题

单相调压器负载负载的电流最大有效值即

调压器的额定电流=调压器额定容量÷最大输出电压

2KVA的单相调压器负载最大电流=2000VA÷250A=8A

问题：理论上调压器是可以过8A的电流，但是输出小电流和大电流时调压器输出的电压会明显的变化，小电流时输出可以到30V，当电流增加到2A时，输出电压回掉下来1到2V。就很搞事情。去年做三相AC-DC的时候也遇到了这个问题。为了达到要求的测试点，只能通过转动调压器把电压补回来。

原因：利用戴维南定理，把调压器到功率分析仪到系统输入端等效成信号源与内阻，电流小，内阻分到的电压小，输出电压大，电流大，内阻分到的电压变大，输出电压就变小了。最终的问题就是，内阻在哪儿。

1、调压器容量小，内部线圈的电阻大。

2、大电流，连接线太长，中间还过了功率分析仪，线路带来了不可忽略的电阻。

问题二、前级电感问题

前级为电压型PWM整流电流电路。电感存储能量。

若电感取值太大，会带来两个问题：

一是整流得到的直流电压会很高。在失控情况下很有可能会损坏耐压值100V的电解电容。

二是电感值大，绕磁环的圈数会增加。线路会变长，会增加系统的功耗。

若电感取值太小，主要会影响到电流的波形，在电阻性负载时，电流波形会畸变。这回使得功率因数很难达到0.995以上。

问题三、多变量影响功率因数

最后这个问题伴随了我两次的电赛。去年做三相AC-DC的最后一项指标即是功率因数达到1，0.9到1之间可设定。今年是单相的主要指标。嗯，一口巨坑。

电路分为前级和后级。软件控制可控制四个变量：前级相位（相对电网），前级幅度，后级相位，后级幅度。

前级相位：首先会整流的相位点，理论上可以通过移动前级相位，改变电流相位。实现控制功率因数。模拟出感性和容性负载。但是，实际上在容性方向移动一两个点，电流就会突然变得很大，然后保险丝熔断。往感性方向可多移动两三个点，移动多了同样会飞。在功率分析仪之后，进入电路前串联一个1欧姆电阻，可以增加可移动的范围，按队友的说法是这相当于是一个负反馈，电流变大，那么这个电阻分到的电压会变大，到后级的电压就变小。所以可调范围就变宽了。但是这会严重消耗能量，使得至少耗掉2W。连木板都烧焦了。锡熔断了好几次。

前级幅度：会影响到前级整流后的直流电压幅度，同时也会影响到功率因数。所以这个的可调范围是有限的，必须要考虑到直流侧的电容的耐压值。

后级相位：前后级采用的SPWM波表频率是一样的。按道理前后脚中间通过了直流的变换，前后脚基本上相位相互间是没有影响的。但是，后级相位与前级同相时，功率因数最高，改变相位差会略微降低功率因数。也有一点影响功率因数。

后级幅度：题目虽然没有明确要求要稳定输入电流在2A，但是很明显所有测试条件都是在2A的情况下进行的。所有通过改变后级的幅度来达到稳流2A的目的。（改变后级幅度等效改变了加在直流侧的负载大小，所有可以PI控制电流大小）。后级幅度会影响电流大小，所以也会影响到功率因数。

当时搞明白所有的影响因数后已经是第三天的下午了。

最终还是定下了一个折中的方案：

1、1欧姆电阻要加上，即使他会耗掉功率，但是他会让我们的系统跟稳定，会保护到电路。

2、后级相位不动，减少影响因数

3、后级幅度PI电路2A。以达到测试条件

4、对不同要求的功率因数，对整流SPWM波的初始相位与幅度大小进行查表幅值，达到功率因数控制，并在其中加入了三次谐波的补偿，来增加整体的调整精度。

除了以上四点会影响功率因数外，有其他未知的因数也在影响这功率因数。比如每次上电的电压大小不一样，即使调压器的位置没变。但是依然会变，在0.9到1的范围影响较小，0.5到0.9的范围较大。导致了设定精度不高。其次是PI电流2A，这2A的电流也是有波动的。功率因数也会波动。最后就是电路长时间工作后，电路会发热。系统特性也会变化。所有这道题真的很坑。

作品实物图

问题四、辅助电源问题

辅助电源除了要给电路各个模块供电还要给单片机供电。强烈建议在比赛的最后一天一定要脱离电脑供电，使用辅助电源供电。以防出现供电不稳的问题。单片机是很耗电的，用一个辅助电源供电，辅助电源供电不足，电感都在响。这还是在封箱前发现的问题。亲身经历。好在有备用模块。封进箱子里了，在测试前恢复电路的三十分钟，加入电路，解决了这个问题。万幸。

五、总结

随着比赛的结束，意味着我这两年的电赛就落下了帷幕。回头看这两年的经历，老师的指导，学长学姐的帮助，伙伴的讨论。让我收获颇丰，也成长了不少。谢谢大家。会继续前行。

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2022年湖北省大学生电子设计竞赛A题（单项交流电子负载）赛后总结

一、设计要求

1、任务

2、要求

3、说明

二、方案介绍

三、硬件电路

1、主回路

2、同步触发电路

3、全桥驱动电路

四、遇到的问题及解决方法

问题一、调压器容量问题

问题二、前级电感问题

问题三、多变量影响功率因数

问题四、辅助电源问题

五、总结

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