2018TI杯电赛题E-能量回收装置赛题分析与主电路结构选择.pdf

2018 TI 杯 E 题：变流器负载试验中的能量回馈装置 （本科） 赛题主干分析 ——避免学生走错方向，本文只做主干、方向性分析，实力还得靠自己的努力和坚持，各位同学加 油！只要坚持就会有很大的收货，得奖只是暂时，希望赛后能继续从事相关研究！ 赛题的框图：典型的逆变器+ 电子负载，或者说成是两个变流器并联，也是从2017 年全国电赛过渡 来的，有异曲同工之妙！2017 是三相，现在是单相，单相的难度略比三相大，主要难点在于单相的 PLL 锁相、和闭环控制（三相可以进行dq 变换，控制为直流量，控制就容易了）。当然，单相的硬 件略简单，也可以控制或者锁相简单化，不需要太准，简单化 （例如过零检测锁相、PFC 单位功率 因数校正，PI 控制器），复杂（PLL 锁相、并网逆变有功无功调节，PR 谐振控制器）。有些术语看不 懂的掠过，这个不重要，后面的进入主题。 分析： （1） 变流器 1 输出要求 50Hz 、25V0.25V （这个应该是有效值 25V ），所以直流电源必须要大于 25*1.414=36V，逆变器 1 采用SPWM 逆变器控制，作为电压源，可以开环+前馈，25V+-0.25V 精度应该不难。 SPWM 调制存在着调制比，常规建议调制比需要小于1，常规设置在0.8~0.9 比较稳妥（考虑电感有压降，MOsfet 和二极管有压降，还有mosfet 需要设置死区，所必要小 于1）. 例如调制比设置为0.9 ，那么直流电压=25V*1.414/0.9= 39.3V ，设置40V~42V 直流电压比较稳妥。 （2 ） 变流器 2 将 交流 25V 整流成直流，其实变流器 1 和 2 是一模一样的，只不过一个是输出有 功，另一个是作为负载吸收有功，控制上有区别，硬件上一模一样。当然，上述说的是通常的 电路结构和电子负载应用，如果变流器2 做成 单相boost PFC （整流桥+boost 电路），那么变 流器1 和2 不一样。 （3 ） 难点：变流器1 逆变出正弦电压，可以调节频率，一般难度；变流器2 整流，需要锁相或者单 位功率因数，而且频率从20~100Hz ，中等难度；变流器 1 和2 联调 （之前建议，先把两部分 分开调试，调试成功后再联调），系统架构和两个系统链接，较高难度。 方案一：不能用，有环流存在，可以从下图简单理解为：S3 开关导通，同时Q4 开关导 通（两个桥，肯定存在这种情况），那么DC+与DC- 通过S3 和Q4 直接短路了，必定失 败。 方案二：实施起来容易，一个主控芯片，保持开关频率精准同步 （变流器1 和2 采用交错并联控 制，使得开关错开180 度相位），也就不存在环流了。但是，好像不符合赛题 两个独立系统的意 思，我的理解是变流器1 和变流器2 是两个主控芯片在控制，这样的话，方案二不能用。如果可以 一个主控芯片控制，这个方案还会好做，不需要变压器就可以了。 方案三：可用方案，中间加隔离变压器，主要目的是避免环流产生，容易调试成功。当然实际产品 中可以用下面的方案，也可以用AC 侧不隔离，在DC 侧加高频 DC-DC 隔离变换器。意思是，两个独 立的系统，必须要隔离。 方案三AC-DC 变流器2 也可以做成单相boost PFC （有TI 模拟集成芯片实现PFC 的），如果觉得有难 度，可以用单相 Boost PFC 电路做为备选方案，如下图。 方案三的磁元件设计 （主要是磁元件设计，其他也简单说一下）： 直流电容需要加大一些 滤波电容的设计主要考虑二次谐波，即100Hz 的谐波的大小（交流为50Hz ，那么直流就是100Hz 的纹波，可以仿真验证的哈）。此处可以用一阶RC 放电来粗略计算，即在10mS （两波峰间隔）内不 考虑电感给电容充电，只考虑电容给负载放电的情况最坏情况。根据RC 一阶放电方程可得到， t C f 0