2025-A题国一-能量回馈的变流器负载试验装置

团队介绍

我们是来自山东大学电力电子方向的参赛小组，在2025年全国大学生电子设计竞赛中斩获全国一等奖

题目要求

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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。

设计摘要

本系统以三相全桥电路为核心拓扑，TMS320F28335为系统主控，搭建具有能量回馈功能的变流器负载测试装置。系统由三相逆变器、三相PWM整流器、滤波模块、辅助电源模块、采样模块、主控模块等部分组成。
变流器工作模式分为带载模式和回馈模式。系统可以自动检测状态，通过连接单元自动更换工作模式，从而决定变流器1、变流器2的工作模式。在带载模式下，变流器1作为三相对称电压源向负载供电；在回馈模式下，启动变流器2，通过三相PWM整流向直流电源回馈能量。负载调整率降低至0.06%，uTHD降低至0.5%，相关指标满足题目设计要求。

题目分析

由题可见，变换器整体分为两级：前级三相电压源逆变器与后级三相PWM整流器。基础部分全部为对三相电压源逆变器的考察，发挥部分则是两级变流器同时工作。
负载调整率、THD可以通过合理选择控制策略、滤波器参数而达到满分；调频可以通过调整QPR的谐振频率实现。
后级的考察则完全放在效率方面。可以通过降低辅助电源功耗、优化栅极驱动、更换高性能MOSFET实现。
拓扑只能为三相PWM整流，用二极管无控整流会引入二极管导通功耗，必然无法达到要求，同时两级变换器共地会导致桥式整流电路一直工作在半波整流的状态。

系统框图

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硬件电路组成

栅极驱动与功率拓扑

UCC21520，自举驱动
MOSFET选用英飞凌的StrongIRFET2系列的IPP082N10NF2S，TO-220封装

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滤波器设计：
共模EMI滤波：2mH共模电感+2uF 630V法拉电容
变流器输出滤波：670uH 2uF 630V法拉电容

连接单元：
空开+共模滤波
空开建议3P+10A以上，防止启动暂态跳闸，路边五金店购买即可

采样

电压采样采用INA149高共模差分运放，选用0.1%电阻分压采样
电流采样选用CC6902SO-5A霍尔电流传感器，5A量程，后级信号调理简单

辅助电源

采用成品电压模块，输出±12V、5V，2A
辅助电源

主控

主控核心板

程序流程图

1、程序功能描述
根据题目要求，软件部分主要实现按键驱动、屏幕显示、数据更新、环路计算与发波。
1）按键部分：设置频率、电压、电流、工作模式。
2）显示部分：显示频率、电压、电流、故障状态。
3）环路部分：全数字化控制环路，根据采样值完成环路计算，更新占空比。
4）保护部分：通过DSP内的TripZone模块接收外部故障信号，硬件关断PWM。
2、程序设计思路
为保障核心的环路中断不被打断，将环路置于ADC中断内，剩余功能均放于主函数完成。
主函数内完成人机交互功能。通过存储当前按键值与上一次循环的按键值，提取按键下降沿作为触发信号，修改对应数值。在频率发生变化时，重新计算QPR差分方程系数，完成调频功能。
ADC中断内完成环路计算。通过ePWM触发ADC采样，优化系统时序。ADC完成采样转换后进入ADC中断，确保环路输入为当前周期内ADC采样值。在周期末尾装载比较值，更新占空比，减少由单周期内占空比多次改变导致的输出抖动。

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