電子設(shè)計(jì)競賽(7)-2017年電賽A題

二、系統(tǒng)的整體框架

? ? ? ?系統(tǒng)包括兩個(gè)三相逆變模塊、電壓電流采樣模塊、主控模塊及輔助電源，框圖如下圖所示。

? ? ? ?圖中，兩個(gè)三相逆變模塊分別由兩個(gè)直流電源供電，系統(tǒng)利用STM32產(chǎn)生SPWM波控制半橋驅(qū)動(dòng)器IR2104實(shí)現(xiàn)三相逆變功能。其中MOSFET驅(qū)動(dòng)電路選用自帶死區(qū)的橋式驅(qū)動(dòng)芯片IR2104驅(qū)動(dòng)，采樣電路選用專用高精度電流采用芯片INA282對(duì)電流進(jìn)行采樣，單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波通過驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)三相逆變電路實(shí)現(xiàn)直流到交流轉(zhuǎn)換，通過對(duì)電壓電流采樣、PI算法實(shí)現(xiàn)功率分配。當(dāng)僅有逆變器1工作時(shí)，根據(jù)采樣電壓信息利用PID算法對(duì)STM32生成的SPWM波進(jìn)行反饋控制，保證輸出線電壓穩(wěn)定在24V。當(dāng)逆變器1和逆變器2并聯(lián)工作時(shí)，根據(jù)采樣電壓電流信息利用雙PID算法對(duì)兩路逆變器的SPWM波進(jìn)行反饋控制，保證輸出線電壓穩(wěn)定在24V。

三、 ?理論分析與計(jì)算

1．逆變器提高效率的方法及關(guān)鍵器件的選擇

??1.選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率。較高的開關(guān)頻率可以減少變換器的體積和重量，提高輸出電壓THD，但是隨著頻率的提高開關(guān)管的損耗也會(huì)隨之增加,開關(guān)管的損耗與頻率成正比，開關(guān)頻率越大，損耗也隨之升高。因此，綜合考慮下逆變器的開關(guān)頻率為20kHz。
??2.選擇柵極電容與導(dǎo)通電阻較小的開關(guān)管IRF3205；減小開關(guān)管的柵極串聯(lián)電阻，可改變控制脈沖上升/下降時(shí)間、防止震蕩，減小開關(guān)管的漏極的沖擊電壓；同時(shí)在開關(guān)管的柵極和源極之間并聯(lián)較大阻值電阻，減小開關(guān)管斷開時(shí)的靜態(tài)電流。
??3.合理設(shè)計(jì)濾波電感。由于SPWM波載波頻率為20kHz，為濾除載波頻率及高次諧波，提高輸出THD，將濾波器截止頻率設(shè)置為fT=750Hz，電容選擇Cf=30uf的CBB電容，由截止頻率公式：fT=1 / 2π* 根號(hào)下Cf*Lf ，算得電感約為1.5mH?？紤]到題目對(duì)效率的要求，選擇EE55型號(hào)磁芯，繞線更加緊湊而減少漏感；適當(dāng)增加電感氣隙來免因磁飽和所附加的銅損；采用多股細(xì)銅線代替單股粗線來繞制電感，從而降低銅損，減少鄰近效應(yīng)效應(yīng)。

2 三相交流電電壓、電流有效值和功率的計(jì)算

3 諧波失真THD的計(jì)算與測量

??THD有兩個(gè)常用的定義。在IEC 61000-4-7中，THD定義為指定次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。下列公式用來計(jì)算電壓和電流THD：

??這一THD定義更常見于能源計(jì)量系統(tǒng)，如果基波的貢獻(xiàn)小于其他諧波的總貢獻(xiàn)，得到的THD值可能會(huì)超過100%。
??THD的另外一個(gè)定義是指定次(N)全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。總RMS值包括基波和其他諧波的作用。下列公式分別用來計(jì)算電壓和電流THD：

??在THD的這一定義中，由于總均方根被用作分母，而不僅僅是基波均方根值。因此，得到的值總小于100%。
??在上面的公式中，Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。
??在測試THD精度時(shí)，需注意所使用的THD定義，因?yàn)檫@兩個(gè)不同的定義會(huì)得出兩個(gè)不同的值。由于THD計(jì)算比較麻煩，故我們直接用專門的電子儀器來測量THD的值。

四、電路與程序設(shè)計(jì)

1.三相逆變電路

??微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)由兩個(gè)三相逆變器并聯(lián)構(gòu)成，作為系統(tǒng)的核心部分，三相逆變電路采用半橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)，完成直流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換。兩部分三相逆變器電路完全一樣，其中一個(gè)三相逆變器電路如下圖所示。

2.濾波器的設(shè)計(jì)

??逆變器輸出會(huì)帶有基波的奇數(shù)次諧波，我們需要濾除這些諧波或者抑制這些諧波輸出。逆變器輸出是作為供電所用，輸出電阻要小，所以不用RC 無源濾波器選擇用 LC 無源濾波器。濾波器參數(shù)計(jì)算：LC 無源低通濾波器是濾除高次諧波分量，使電壓輸出波形為正弦波。本系統(tǒng)的 SPWM 調(diào)制信號(hào)為 20K。而輸出需要的波最高 100Hz，濾波容易實(shí)現(xiàn)。濾波器截止頻率公式的設(shè)置截止頻率f=750Hz ，CCB電容 取 30μF。得電路中 L= 1.5mH，滿足濾波器的要求。

3.電壓電流采樣電路

??方法一：電流采樣電路選用高增益高精度電流芯片 INA282 與康銅絲采樣電阻組合成采樣電路對(duì)電流進(jìn)行采樣。電壓利用 Uo=UR1+UR2(串聯(lián)分壓)原理直接對(duì)電壓進(jìn)行采樣，為了使電壓采樣更精確在分壓電阻的輸出點(diǎn)接一個(gè)電壓跟隨器，采集跟隨器的輸出電壓。
??方法二：采樣電路是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋控制保證系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵部分。具體電路如下圖6所示。電壓互感器TV1013-1H和電流互感器TA12-200實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的隔離，同時(shí)將三相逆變電路輸出的高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為易于采集的小電壓信號(hào)，后級(jí)3階有源低通濾波器對(duì)互感器輸出信號(hào)進(jìn)一步調(diào)理后輸出給單片機(jī)采樣。

4.控制電路與控制程序的設(shè)計(jì)

??為滿足采樣、生成SVPWM波、穩(wěn)壓及分流等復(fù)雜功能，系統(tǒng)選用STM32作為系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制分為兩種模式，模式1僅有逆變器1工作，模式2是逆變器1、2并聯(lián)工作。模式1、2的程序框圖如下圖所示。

五、實(shí)物圖