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2025年全国大学生电子设计竞赛A题:能量回馈的变流器负载试验装置(国一方案分享+代码工程+仿真) - 详解

1、电赛题目


2、题目要求

(1)基础部分要求搞定一个带载的三相逆变,不涉及并离网,可能由单片机自行生成三个相差120°的正弦波做调制。

(2)控制上,可以采用三个分立abc三相分别控制,也可以通过Park变换将三相静止坐标系(ABC坐标系)转到两相旋转坐标系(dq坐标系)上进行控制。

(3)单逆变,THD到达0.2%~0.5较为理想;变频部分,修改接口参数即可。

(4)题目的核心首要在发挥部分,如何优化Pd的值,使得其越小越好。

    i++;if(i >= (int)ceil(sample_rate / frequency))i = 0;time = i * time_step;theta = 2.0f * PI_CLA * frequency * time;

3、具体方案

3.1 系统方案

图1 平台框图

框架设计框图如图 1 所示

直流电源为三相逆变器提供初始能量,逆变器在 DSP 控制下通过DPWM完成 DC-AC 转换,输出交流电直接进入三相整流器。

整流器在 PWM控制下将交流能量回馈至直流母线,形成闭环能量回馈通路

DSP 采用电压电流双闭环控制,实时调节系统状态,确保逆变器输出稳定THD 达标,同时提升整流器回馈效率,降低直流电源功耗,搭建高效运行。系统承受交流侧频率宽范围可调。


3.2 软件程序设计

图 2 CLAtask1 软件控制流程

如图 2 给出了系统控制的流程图

  主程序执行 OLED 显示按键检测并通过 CpuToCla1MsgRAM 将数据传递给 CLA

CLAtask1 程序控制架构主要包括数据采样故障检测与保护以及基于闭环控制的调制信号生成三大模块。

  控制器 TMS320F280049C持续对逆变器输出电压,同时对三相交流电流进行实时采样。一旦发生过流故障,平台将立即关闭输出,确保设备安全。如电流没过流,则依据 PI 和 PR 控制实现,对电流电压的控制。

3.3仿真验证

根据要求构建以下电路图

仿真结果


4、电路效率优化方式

4.1 降低开关频率

通过适当降低功率开关器件的开关频率,能够显著减少开关损耗,开关频率从 20kHz 降到 10kHz

4.2 减小电感感值

在满足电能质量要求的前提下,合理减小滤波电感的感值,有助于降低电感自身的铜损和铁损,我们逆变侧从 2mH 降低为 1mH,从而提升滤波环节的效率。这一部分A题,可以把逆变侧电感降到250uH

4.3 改变调制方式

可以采用DPWM(不连续PWM调制)、TCM等方式,减小导通损耗

4.4 改善功率因数

通过精确控制整流器,使其输入电流与电压同相位,可最大化有功功率传输,减少无功功率在电路中的循环。

4.5 优化死区时间

调整功率开关器件的死区时间至 150ns,管用避免桥臂直通和体二极管的非理想导通,从而降低开关损耗和传导损耗,提升架构效率和输出波形质量。

4.6 器件选型

可以采用GaN MOS , 主控芯片采用STM32,能够进一步降低功耗

http://www.jsqmd.com/news/8231/

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