2021年电赛国赛B题三相AC_DC总结
作为今年的参与者在电力电子题目中B题AC_DC和C题DC_DC中选择了B题。起初究其题目来说,DC_DC相较于AC_DC较容易实现,但究其最终想获得更好的成绩最终选择AC_DC这题,这也意味着面临着各种风险和未知。
目录
一、题目分析
1.1AC_DC变换电路原理框图
1.2主要用到的方法:AC-DC变换 三相整流 PID算法
1.3其中重点和难点如下
1.4方案设计与选择
1.5变换电路选择
1.6 总体方案描述和系统框图
1.7提高效率方法
1.7.1降低辅助供电系统功耗
1.7.2提高主功率变换回路效率
1.8 功率因数调整方法
二、电路设计
2.1主回路与器件选择
2.1.1三相AC-DC电路
2.1.2DC-DC降压电路
2.1.3电压采样电路
2.1.4触发同步电路
2.1.5 LC滤波电流
三、程序设计
四、总结
一、题目分析
1.1AC_DC变换电路原理框图
对于设计该交变电压的直流电压变换,在理论上可以通过三相半桥电路进行转换,在本次比赛的设备中也可以达到相应硬件指标的要求。
图2
基本要求中第一项也就意味着整体电路的成型,如果第一步都没有能够实现后续都无法进行,即三相电路并网结构可以实现正常连接三相电网,并且与回路中的元器件进行连接保证电路在长时间里进行运作,电路不会出现故障,从而进行指标的测量。
1.2主要用到的方法:AC-DC变换 三相整流 PID算法
第一问主要使用单片机(我是用的是STM32F4系列的核心板)内部ADC进行变压器过来之后分压的电压采集,根据多组数组采集求均值进行PID快调控和慢调控从而达到控制第一问中输出电压Uo的电压稳定在36V±0.1V之间,首先就是需要明确控制的范围在哪里,很显然只需要根据DC_DC输出端的电压情况进行反馈控制升压参数。(这些都需要在三相电路可以实现并网的基础上进行操作,并网也需要调整三相的SPWM波的相序与其电网相同,否则会出现很多的事故,具体并网原理可网上搜寻)
1.3其中重点和难点如下
(1)AC-DC变换电路的效率要求高;
(2)AC-DC变换电路输入测功率因素不低于0.99;
(3)可设定自动调整功率因数。
1.4方案设计与选择
方案一:电压型AC-DC变换器,直流侧电压极性不变,功率方向随着直流电流的方向改变而改变,电压型变换器能力传递是双向的,输出电压的幅值、相角和频率都是可控的。
方案二:电流型AC-DC变换器,直流侧电流极性不变,功率方向随着直流电压的方向改变而改变,三相电流型AC-DC变流器和电压型AC-DC变流器一样,可以有效地消除输入电流纹波,实现交直流双向变换,限流能力强,短路保护可靠性。
电压型AC-DC变换电路直流侧输出电压纹波少,等级可调且母线稳定,网侧电流畸变小近似于正弦波且与电压相同,此事功率因数约为1,因此选择方案一。
1.5变换电路选择
方案一:AC-DC+DC-DC两级变换,AC-DC整流升压,DC-DC降压。
方案二:AC-DC一级变换。
AC-DC+DC-DC两级变换有利于调节和采样测试,因此选择方案一。
1.6 总体方案描述和系统框图
1.7提高效率方法
1.7.1降低辅助供电系统功耗
(1)关闭所有不使用GPIO口,因为本体对频率要求较低,选择降低单片机主频(Fmax=168MHz)为1/2,即F=1/2Fmax,以及一些不重要GPIO口的输出速度。
(2)外接低功耗显示屏进行显示。
1.7.2提高主功率变换回路效率
(1)提高三相PFC电路效率:采用三相六开关结构,合理选用通态电阻小、开关损耗小的功率管,减小滤波电感欧姆损耗,减小吸收回路损耗
(2)DC-DC降压电路中,MOS管栅极电阻越大,上升下降时间越大,相应的开关损耗越大,所以应减小MOS管栅极电阻;对于MOS管的导通损耗,与MOS管的导通电阻RDS有关,可以选择RDS较小电器件以提高效率;对于续流二极管可以选择VF小、反向恢复时间短的二极管以提高效率;对于输出电感,选择线圈直流电阻小的电感,并多股绕线。
1.8 功率因数调整方法
通过调节单片机输出SPWM波的相位进行功率因数的微调,由功率因数cosΦ=P/S,即交流电路中的电压与电流间的相位差经ADC采集到的电压与电流进行数据分析与计算得到功率因数的调节参数,并且选择适合电路的电感大小,取适中值。
二、电路设计
2.1主回路与器件选择
系统主回路包括AC-DC变换电路,DC-DC降压电路,LC滤波电路,电压采样电路组成,AD-DC与DC-DC半桥模块选择CSD19535KCS场效应管和IR2184芯片,电感取值350uH,采样电路使用ina282芯片。
图3 总体系统电路图
2.1.1三相AC-DC电路
使用CDS19535KCS场效应管和IR2184芯片,相比较各NMOS管CDS19535KDCS的内阻小,利用三个半桥设计出三相六开关PFC主电路。为减小功耗,驱动电阻取值较小,为增大耐压,使用CBB电容。如图4所示。
图4 三相六开关PFC主电路
2.1.2DC-DC降压电路
用半桥设计出BUCK降压电路。实际电路如图5所示。
图5 半桥电路图
2.1.3电压采样电路
系统中需要采样DC-DC的输出电压控制电路,为了提高测量的精准度,采用ina282同时对电流进行采样,并通过电容滤波减少干扰。
对电流采样串联一个阻值较小的电阻,对电压采样并联一个阻值较大的电阻。可以使输出的电压和电流保持恒定状态。实际电路如图6所示。
图6 电压采样电路图
2.1.4触发同步电路
单片机同步触发电路选择使用LM339设计过零比较器,并加入二极管限压保护。
图7 同步电路图
2.1.5 LC滤波电流
系统采用LC低通滤波器滤除SPWM波带有的载波及谐波频率成分,以得到更好的正弦波形,滤波器截止频率计算公式为:
(3) |
AC-DC电路输出频率50Hz为,载波频率为20KHz,依据公式设计取值L=400uH,C=47uF,计算得f=1160Hz。
三、程序设计
首先进行单片机程序初始化,单片机根据采样电压进行判断电路工作情况进行选择模式调整,当达到工作要求进行电路驱动即解锁三相以及输出SPWM波,通过触发进行相位调节后三相整流,在DC-DC输出端进行电压采样,经过PID反馈控制DC-DC输出端电压稳定在36V,并且在调整电路期间进行交流电压、电流采样反馈控制功率因数。
图8 软件流程图
四、总结
实测本系统可以满足上述的所有情况,主要细节方面需要在硬件上的选择有很多细节要求,程序设计中需要考虑单片机没有用的引脚口关闭,外设接入的功率损耗,以及显示功能等的功率消耗,一定要实现闭环调控,这样才能实现整个系统可以稳定运行,不会出现设备损坏,主要难度就是三相并网,功率因数调控,以及高精度PI调控稳压。(一定要有功率分析仪,不然基本做不了)
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