2017电赛A题微电网系统

1年前

简介:2017年电赛A题微电网系统

开源协议: GPL 3.0

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描述

  • 系统设计

该系统由三相逆变电路、驱动电路、反馈电路、控制电路四部分组成。系统结构框图如图2所示。三相逆变电路通过半桥式逆变结构,通过开关管的开断控制输出 。驱动电路采用IR2103驱动芯片,能够将单片机输出的PWM波驱动开关管的开断。反馈电路采用电流互感器、电压互感器和真有效值检测的AD637芯片构成,电流互感器和电压互感器能够很好地将输出的交流电进行隔离和缩小,单片机读取AD637的输出值进行调制度的调整。控制电路采用当下最流行的STM32系列单片机STM32F103C8T6为控制核心,其中包含按键操控、ADC、OLED显示等功能。  image.png

  • 电路设计
  1. 三相逆变器模块的论证与选择

方案一:基于全桥结构的三相逆变器的拓扑结构。该结构由三个相互独立的单相逆变器组合而成,各模块相互独立互不干扰,故系统控制简单。但要求三个单相逆变器的输入且彼此隔离,增加了系统复杂度。


方案二:基于半桥结构的拓扑结构,如下图2所示。该结构中开关器件较三相全桥式逆变器少,且仅需一路直流输入,但是其开关管所承受的电压为三相全桥式三相全桥式逆变器的两倍,故需要选择耐高压MOSIRF540。


方案分析:为尽量简化系统设计,减少硬件复杂度,系统采用方案二。 image.png


2.反馈电路模块 电压互感器和电流互感器可以将输出的交流电进行隔离并进行比例缩放,能够很好地作为真有效值模块的输入。


方案一:采用真有效值转换芯片AD637直接测量。AD637可准确计算各种信号有效值,使用简单,但计算时间较长。


方案二:AD采样计算,通过取离散样值的均方根得到有效值。该方案硬件简单,测量实时性强,但需要复杂的算法,会占用大量的资源。


方案分析:由于单片机与单片机之间采用了通信的方式,通信不同步就会导致波形的不同步,所以需要降低对单片机的资源占用,故采用方案一。 image.png


3.逆变控制方案选择 方案一:用硬件产生正弦波和三角波。将正弦波作为基波,三角波作为载波,输入到模拟运放比较器进行比较后输出 SPWM 波。


方案二:由带有 PWM 产生功能的单片机利用正弦表扫描法产生 SPWM,驱动逆变电路,此方案控制电路简单,由软件产生的SPWM幅度频率较容易控制,产生的SPWM波质量较好。


方案分析:方案一由于三角波和正弦波焦点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而增加了其计算的繁琐性,硬件调频十分困难且不易调试。故选择方案二。


4.滤波器的设计 逆变器输出会带有基波的奇数次谐波,我们需要滤除这些谐波或者抑制这些谐波输出。


逆变器输出是作为供电所用,输出电阻要小,所以选择用 LC 无源滤波器 。滤波器参数计算如下所示。LC 无源低通滤波器是滤除高次谐波分量,使电压输出波形为正弦波。本系统的 SPWM 调制信号为 20K。而输出需要的波最高 100Hz,滤波容易实现。


image.png


滤波器截止频率:设置截止频率f=3000Hz ,CCB电容 取 10μF。得电路中 L= 1mH,满足滤波器的要求。


  • 程序设计

1.设计思路 设计核心在于采用STM32中的PWM调制控制开关管的开断;利用72M高精度TIM2、TIM3定时器准确控制PWM开通关断;采用内部12位AD采样获取输出值并通过PID调节算法调节PWM的调制度;在核心程序外附加了更易于信息交互的OLED显示,使电源整体状态更简洁明了。


2.程序流程图 ***image.png ***


  • 特别说明:
  • 由于实验室电源设备的限制,对题目中的指标做了部分降低(如交流24V有效值,3A电流)

BOM

ID Name Designator Footprint Quantity
1 HDR-F-2.54_1x6 GND-MAIN,VCC-MAIN HDR-F-2.54_1X6 2
2 IN4148 D9,D4,D8 DO-35_BD2.0-L4.2-P8.20-D0.5-RD 3
3 HDR-M-2.54_1x1 J4,J5,J6,J9,J2,J8,J1,J7,J3 HDR-M-2.54_1X1 9
4 IR2103PBF U2,U1,U3 DIP-8_L9.8-W6.6-P2.54-LS7.6-BL 3
5 1N4148 D7,D6,D3,D1,D5,D2 DO-35_BD2.0-L4.0-P8.00-D0.5-FD 6
6 HDR-M-2.54_1x3 IRF540-5,PWM1,GND-2103,IRF540-1,IRF540-2,IRF540-3,IRF540-4,PWM3,PWM2,IRF540-6,1/2VCC,VCC-2103 HDR-M-2.54_1X3 12
7 100nf C6,C8,C7 C0805 3
8 1u C5,C4 CAP-D6.3×F2.5 2
9 1N5819W_C402219 D10,D13,D15,D12,D14,D11 SOD-123_L2.8-W1.8-LS3.7-RD 6
10 4.7 R15,R5,R6,R16,R17,R4 R0805 6
11 0R R8,R2,R9,R3,R13,R19,R14,R20,R1,R7,R18,R12 R0805 12
12 1k R23,R24 R0805 2
13 24R R26,R25,R10,R22,R21,R11 R0805 6
14 100uF C3,C2,C1 CAP-TH_BD6.3-P2.50-D1.0-FD 3
15 KF128-5.08-2P P3,P2,P1 KF128-5.08-2P 3

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