2025-A题国一-能量回馈的变流器负载试验装置

一、团队介绍

我们是来自河南理工大学的前行者-gmq队，在2025年全国大学生电子设计竞赛中获得国家一等奖。

二、题目要求

基本要求1：按图2进行测试。变流器1能输出f=50Hz,线电压U1=32±0.25V、额定线电流I1=2A的三相对称正弦交流电。
基本要求2：在基本要求1的工作条件下，要求输出交流电压总谐波畸变率（THD）不大于2%。
基本要求3：变流器1输出50Hz，U1=32±0.25V的三相交流电，I1在0A到2A间变化时，要求负载调整率SI1≤0.3%。
基本要求4：要求变流器1输出交流电的频率范围为20Hz~100Hz，步进1Hz。
发挥部分1：按图1进行测试。试验装置能实现能量回馈，要求变流器1输出电流I1不小于1A。
发挥部分2：变流器1输出50Hz，U1=32V±0.25V、I1=2A，要求直流电源输出功率Pd=IdUd越小越好。
发挥部分3：其他。

三、设计摘要

本系统采用立创天空星开发板设计，以STM32F407VET6为控制核心，设计制作了能量回馈的变流器负载试验装置。系统主要包括三相逆变电路、三相整流电路、辅助电源电路、信号调理电路、滤波器电路等，且电路中功率部分和控制部分进行了隔离，提高了系统的稳定性。直流稳压电源将55V直流电输入三相电压型逆变电路，经连接单元滤除谐波和噪声干扰后输入三相PWM整流电路。三相整流电路输出一路直流电与直流稳压电源共同给三相逆变电路供电，实现了输出能量回馈。经测试，系统完成了题目要求，三相逆变输出线电压有效值平均32.05V，频率50.00Hz，总谐波失真不超过0.3%，变流器1负载调整率0.2%，Pd仅输出6W功率，完成全部发挥指标。此外，系统可以通过按键步进设置输出频率在20Hz到100Hz间调整并具有过流保护功能，系统稳定性和安全性高，人机交互良好。

四、题目分析

对题目仔细分析不难看出：基础部分要求制作一个输出恒压恒流的三相逆变器即可，其中对THD的要求可以通过合理设计滤波器与优化算法实现，需要通过软件实现输出调频功能也较为容易。发挥部分要求在三相逆变器后级接入三相整流器，并将整流后的单相直流电反馈回三相逆变的直流侧输入端，实现能量回馈。其中如何使实现变流器2的能量回馈并尽量提高回馈效率是该题的重点。最后一问的开放性要求也暗示回馈效率是本题的关键。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

1.驱动电路：

采用UCC21520隔离驱动芯片及其外围电路，具有高性能、高可靠性、集成保护等功能，其支持互补模式和硬件死区控制，可以避免功率电路上下桥臂直通短路，极大提高了系统的安全稳定性，能有效保护控制电路。

2.采样滤波电路

电压采样电路选择电压互感器ZMPT107+OPA2188进行差分采样，将差分信号送入主控板的减法器将高频噪声消除，并加入1.65V基准电压抬升使主控芯片采集到正弦信号，极大降低了信号互相干扰。电流采样电路选择CKSR6-NP型霍尔电流传感器进行霍尔采样，使采样信号精度高，干扰小，外围电路结构简单。滤波电路选择逆变输出LC滤波器加三相共模电感再输入到三相整流。三相共模电感极大抑制了环路共模噪声，提高环路稳定性。
采样滤波电路.png

3.辅助电源电路

辅助电源采用TPS54360芯片，该芯片具有宽电压范围输入，输出稳定的特点，输入电压最高可达60V。从直流稳压电源取电经隔离电源输出+12V和+5V给单片机和其他芯片供电。

隔离电源部分采用海凌科成品模块URB4812YMD-5WR3，该模块具有较宽的电压输入范围。

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4.防倒灌二极管

在直流电源输入侧加入一个理想二极管模块，放止电流倒灌。
型号为DG7512,也可更换为其他型号，保证耐压和过流足够即可。

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七、程序流程图

本系统程序设计使用了STM32F407的PWM模块触发ADC同步采样，实现采集电流纹波即平均电流。ADC采样完成后触发ADC中断，在此中断完成闭环控制和流保护。在软件上，用PIR控制器实现变流器1电压环闭环控制，实现电压输出的快速且稳定调节。同时，增设过载保护机制，监测电流变化，一旦超阈值即自动调整或切断输出，确保系统安全。发挥部分我们针对恒流控制做出代码优化，摒弃原有的电流互感器，选取高精度霍尔电流传感器结合PR控制器，确保输出电流稳定可靠。对于能量回馈模式，我们实现了同步控制，确保两台变流器协同工作，减小波动；通过PR算法动态调整回馈电流，提高运行效率。
程序流程图如下所示，通过ADC通道采样分别得到变流器1和变流器2的两路线电压和线电流。变流器1采用电压PR环加电流P环控制，变流器2采用电流PR环加电压前馈的单闭环控制策略，得到稳定输出电流回馈至变流器1输入侧。