2021年B题——三相AC-DC变换电路 赚钱靠团队 - 嘉立创EDA开源硬件平台

三相 AC-DC 变换电路（B 题）

【本科组】

一 任务

设计并制作图 1 所示的三相 AC-DC 变换电路，该电路的直流输出电压 Uo应稳定在 36V，直流输出电流 Io额定值为 2A。

图 1 三相 AC-DC 变换电路原理框图

二 要求

 

1.基本要求

 

（1）交流输入线电压 Ui=28V，Io=2A 时，Uo=36V±0.1V。

（2）当 Ui=28V，Io在 0.1A～2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI ≤ 0.3%。

（3）当 Io=2A，Ui 在 23V～33V 范围内变化时，电压调整率 SU ≤ 0.3%。

（4）在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路的效率 η 不低于 85%。

 

2.发挥部分

 

（1）在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路输入侧功率因 数不低于 0.99。

（2）在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路的效率 η 不低于 95%。

（3）三相 AC-DC 变换电路能根据数字设定自动调整功率因数，功率因数调整范围为 0.90~1.00，误差绝对值不大于 0.02。

（4）其他。

 

 

根据赛题要求，设计并制作了一个输出电压稳定在36V、直流输出额定电流为2A的三相AC-DC变换电路。采用了三相桥式可控PWM整流电路以及直流斩波电路来实现高精度的电压控制和高效率电能变化。采用STM32F103单片机作为主控器，其产生的PWM波，通过IR2110驱动电路来实现对功率开关管的通断控制。采样电路则由电压互感器、电流互感器、放大电路及加法电路组成，采样信号得到的电压电流信号输入到单片机，经三相解耦的DQ坐标变换处理后，形成一个电压电流双闭环反馈，通过调节和整定PI控制器参数，最终达到输入功率因素和输出电压可调可控的目的。此外，本作品还设计了手机端APP，以实现电路各参数进行监控和智能调节功率因数、输出电压、电流等功能。作品测试电压及负载调整率、功率因素调节精度远超题目指标要求，效率高达95.5%。

关键词：AC-DC变换；PWM整流; 单片机；功率因数

1系统方案

1.1 系统主电路拓扑方案论证

1.2 控制方法的论证与选择

2 系统理论分析与计算

2.1 元器件选型分析

2.2 锁相环原理

3 电路与程序设计

3.1 电路的设计

3.1.1 系统总体框图

3.1.2  电路设计及原理分析

3.2 程序的设计

3.2.1 程序功能描述与设计思路

 

3.2.2 程序设计原理框图

4  测试方案与测试结果

4.1  测试方案

4.2 硬件测试及结果

4.2.1 基础部分

4.2.2 发挥部分

4.3 软件测试及结果

4.4 测试结果分析

 

5  复现时注意事项

 

5.1 程序部分

 

5.2 硬件部分

1系统方案

 

本系统主要由三相桥式整流电路、BUCK电路、电压检测电路、电流检测电路、驱动电路和辅助电源组成，下面分别论证这几个模块的选择。

 

1.1 系统主电路拓扑方案论证

 

方案一：采用二极管不可控整流+硬件PFC（功率因素调整电路）。该方案的优点是：简单易实现，缺点是功率因素无法调节，满足不了发挥部分（3）的要求。

方案二：三相全桥PWM可控整流电路。该方案的优点是可满足题目所有指标要求，但是控制复杂，软件工作量比较大，且需要在软件中做dq变换解耦等算法实现。

综合以上两种方案，选择方案二。

 

1.2 控制方法的论证与选择

 

方案一：采用硬件电流滞环控制。该方案的优点是：电路简单，电流响应快,对负载的适应能力强。由于不需要载波，所以输出电压中不含特定频率的谐波分量。另外,这种控制方式还可提高直流电压利用率,增大整流的输出能力。但是这种控制方式在响应很快的同时，电流脉动也很大,并且滞环宽度不好控制。环宽过大,虽然开关频率和开关损耗可降低，但跟踪误差会增大，反之,环宽过窄, 虽然跟踪误差减小, 但开关颊率和开关损耗会大大增加，且会受到开关器件工作频率的限制。如果环宽固定,虽然可以保证电流跟随误差范围是固定的，但是功率器件的开关频率是随机变化的，这对于电力电子器件的工作频率提出了过高的要求。

方案二：采用软件控制方案，采用单片机内部比较器产生所需要的SPWM波形，SPWM 整流具有输入电流谐波小、功率因数可控等优点。其输入电流非常接近正弦波，且功率因素调整很方便，如果设置输入电流参考与输入电压同相位，则功率因数近似为1,控制灵活，开关频率固定，可以通过软件建立反馈灵活控制整个电路的输出。

综合以上两种方案，选择方案二。

 

2系统理论分析与计算

 

2.1 元器件选型分析

 

题目要求最大输入线电压 33V，由于采用桥式三相整流器，折算输入电压需要高于 50V所以MOS 管选择低导通电阻的IRF540，其耐压值为 100V 导通电阻Rds=22mΩ。

本系统最终的输出稳定取决于BUCK电路，根据赛题要求，最大输入线电压为33V,则取直流母线电压为50V,设电流的纹波比为r=0.5，电压纹波为0.1V 

2.2锁相环原理

 

三相PWM整流,进行反馈环路设计时,需要对输入三相电流进行采样并加以控制,但是此时的反馈电流为时变的量.而我们一般设计反馈回路时,反馈量一般为直流量,因此直接以三相输入电流作为我们的反馈量,不利于我们设计反馈回路.

为了解决上述问题,我们引入了坐标变换概念,将静止坐标系abc的三相电量转换到静止坐标系的两相电量,然后在将静止坐标系的两相电量转换为旋转坐标系dqo下的单一直流量.经过等幅值CLARK变换后可表示为:

 

将交流信号转化为直流信号方便计算。

 

3电路与程序设计

 

3.1电路的设计

 

3.1.1系统总体框图

图1 三相系统整体框图

由三相系统框图可知采样三相电网电压、三相交流电流和直流输出电压共 8 路信号。三相整流系统在稳态运行时，其主电路的电压、电流很大并且其中的交流量可正可负，而在控制电路中负责对这些信号进行处理的 ARM 的采样口只能接收 0~3.3V 的电压信号，当输入电压信号在其它范围时会使ARM芯片损毁，故在主电路和ARM 之间需使用电压、电流采样调理电路进行电气隔离和电信号的转换，将主电路电压、电流信号转换成符合ARM输入要求的电压信号再传输给其采样口。

3.1.2 电路设计及原理分析

如图4所示，电流采样调理电路的具体工作过程为：主电路的交流电流经过互感器转化为-3~+3V 的小电压信号，电压信号经过后级的加减法电路和反相电路最终变为 0~3V 的电压。经过采样调理之后的信号便可经AD采样输入到ARM中参与程序运算。

图3 电压检测原理

图4 电流检测电路

通常，对于整流器系统性能指标主要有两个要求。其一是直流电压可调，且交流分量即谐波电压较小，一般要求小于1%；其二是交流侧功率因数高，且电流中谐波电流较小，THD要求小于5%。同时对于一个具体的工程，电能传输效率、变流器体积和电磁兼容性都是需要考虑的问题。

 

3.2程序的设计

 

3.2.1程序功能描述与设计思路

1、程序功能主要实现键盘控制，自动测量及测量结果显示的功能。

1）键盘实现功能调整功率因数，可以步进加减。

2）显示部分：显示输入电压、功率因数。

3）测量部分：ADC采样模块

2、程序设计思路

首先通过键盘或APP，输入修改内容，然后进入相应的模式，最后显示测量结果。

3.2.2程序设计原理框图

单片机编写程序的原理框图如图5所示，依据通过这种逻辑来编写单片机软件，实现电路各种功能。

图5 程序设计原理框图

 

4测试方案与测试结果

 

4.1测试方案

 

图6 三相AC-DC原理框图

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。通过万用表以及示波器等设备对最终的硬件和软件进行测试，具体测试要求根据题目所述逐步逐项进行测试

 

4.2硬件测试及结果

 

4.2.1基础部分

(1)  交流输入线电压 Ui=28V，Io=2A 时，Uo=36V±0.1V。

实际值：Ui=28V, Io=2A ,Uo =35.98V。

(2) 当 Ui=28V，Io在 0.1A～2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI ≤ 0.3%。

实际值：Ui=28V, Io1=0.1A ,Uo1=35.98V。

Ui=28V, Io2=2.0A ,Uo2 =35.98V。

SI=0;

(3) 当 Io=2A，Ui 在 23V～33V 范围内变化时，电压调整率 SU ≤ 0.3%。

实际值：Ui=23V, Io2=2.0A ,Uo1=35.98V。

Ui=33V, Io2=2.0A ,Uo1 =35.98V。

SI=0;

(4) 在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路的效率 η 不低 于 85%。

实际值：Ui=28V, Io2=2.0A ,Uo1=35.98V。

η≈95.5%;

4.2.2发挥部分

(1) 在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路输入侧功率因数不低于 0.99。

实际值：功率因数=0.997。

(2) 在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路的效率 η 不低 于 95%。

实际值：Ui=28V，Io=2.0A，Uo=35.98V

 

η≈95.5%。

(3)三相 AC-DC 变换电路能根据数字设定自动调整功率因数，功率因数 调整范围为 0.90~1.00，误差绝对值不大于 0.02。

实际值：

（4） 其他。

手机APP操作页面见附录3，APP具有实时显示电路波形及参数；修改输出电压幅值及功率因数等功能。

 

 

4.3 软件测试及结果

 

软件测试主要包括单片机输出PWM波测试以及ADC采样的设置，通过调试程序可以看到PWM波的输出以及ADC采样的精度均能达到设计的目标要求。

 

4.4 测试结果分析

 

从硬件测试结果可以看出，作品能够满足题目的基本部分和发挥部分的全部要求，由于实际功率因数很难达到1.0，因此在最后功率因数可调的情况下，无法达到在功率因数设定为1.0的情况下，实际电路也达到相同的要求。

 

 

5复现时注意事项

 

5.1 程序部分

 

1 首先注意定时器一中断服务函数中减掉的偏置值的大小，以及采样数据的比例，每块板子都有不同，大家可以用MATLAB进行曲线拟合

 

 

 

2 注意调节整流时的PID参数，及DQ变换到DQ反变换的PID参数，主要受交流采样时放大比例的影响