2018年江苏省大学生电子设计竞赛E题设计报告(一等奖)

2018年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。通常情况下，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，其输出通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。

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I 1 = 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I 1 = 2A ，要求直流电源输出功率P d 越小越好。 （35分）

（5）其他。 （10分）

（6）设计报告 （20分）

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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，另接其他阻性负载。

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，通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。通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。通常情况下，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，其输出通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P d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，通过输出互补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口并且具有两路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并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。所以这里必须要电气隔离变压器。采用1:1的工频变压器，但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，所以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反复的，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

本系统通过采用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，通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。