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2018TI杯电赛题E-能量回收装置赛题分析与主电路结

作者:admin    来源:未知    发布时间:2019-08-07 23:37    浏览量:

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  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 R ln 1/ (1a%) eq   t 0.01s R 式中放电时间为 , 为输出50W 时在直流侧等效的电阻32Ω (考虑直流电压为40V ), f eq 取a%=10% 。可以计算得到C 3mF ,由于实际效果中电感一直在给电容充电,所以实际情况逼着要 0 C 好些。所以此处取 电容值为3.3mF 以上,可以选择大一些,例如两只2.2mF 的并联,耐压50~60V 0 以上,可以稍微大一些,以免调试过程过压把电容击穿了,可以选择80V 以上的电解电容,如果是国 产没有数据手册的电容,建议电容值并联更多,电解电容有ESR ,会发热的,电容并不是很理想。 同时直流母线还需要高频吸收电容,可以用 0.几uF 的陶瓷电容,或者高频薄膜电容,目的是减 小mosfet 的Vds 过电压(有漏感存在,过电压=L*di/dt ),电解电容频段不高,所以要用高频电容作 为吸收电容。 电感设计 (重要): 选择电感的大小,与方案3 图中,逆变器 和整流器 的SPWM 调制有关系。常用双 极性SPWM 调制 (也就是S1 和S4 同时导○▲-•■□通,同一个半桥的开关是互补导通); 单极性SPWM 调制 (也即是S1 和S4 导通错开了180 度,三角载波是错开180 度的) 单极性和双极性SPWM 调制 关于电感的计算公式后面一页的截图。 例如直流电压40V ,开关频率10khz,纹波系数取值为小于30% : 1)采用双极性SPWM 调制,电感值最小: V T 40V 100us L = dc sw 3.3mH 1 2 I 2 0.3 2A 可以选择3.3mH-5A 的电感。如果是20khz 开关频率,可以选择1.65mH-5A 电感值。 选择电感接近就可以了,不需很精确,相差50%都ok 的,主要是主管经验取值纹波系 数小于30% ,电感值可以大,也可以略小。电流留裕量,减小发热损耗。 2 )采用单极性SPWM 调制,电感值最小 V T 40V 100us L = dc sw 833H 1 8 I 80.32A 可以选择1mH-5A 的电感。如果是20khz 开关频率,可以选择500uH-5A 电感值。 双极性SPWM 调制,电感值计算 单极性SPWM 调制,电感值计算 电感值不能太大,否则电感上的50Hz 电压降会太厉害了,例如常规考虑电感压降不超 过5% ,可以计算电感值最大如下。 5% U 5% 25V L  2mH 1 2fI 2 50 2A 这个值也比较灵活,5%没有硬性要求,也可以规定为8%或者10%,但是后果是电感上 的压降增大了,必须要DC 电压增加,例如从40V 增加到43V 可能才能满足要求。 综上,这个对于开挂频率为10Khz~20kHz 的系统,可以选择1mH-5A ,500uH-5A ;2mH- 5A ,3.3mH-5A 的电感。 特别注意:购买电感一定要知道电感的电流值,电感是磁元件,过流会饱和的。常规标 称的是0A 的电感值,如果不良卖家标称1mH-3A (意思是1mH@0A,用了3A 的漆包线A 的电流,电感值已经★▽…◇饱和、衰减到0.2mH,的确有不太负责的卖家 这么做) /item.htm?spm=a1z10.5-c.w4002- .12.5a0b5444ezHWJU&id=3 如果需要购买电感,竞赛期间时间有限,只发货电赛页面的电感,其他来不及生产 (电 感主要是定制的)下面链接有货,可以很快发 /item.htm?id=7 滤波电容选择,根据LC 滤波器截止频率选择。简单的用下面公式计算,fc 截止频率(与 谐振频率差别不太大)建议 500Hz~1kz (对于 10kHz 开关频率而言)。经验或者书本上 说的,一般大于电源频率 (50Hz )的10 倍,小于开关频率的10 倍 (10khz,或者20Khz 开关◇=△▲频率,这个看各自的系统设计了)。 1 f = c 2 LC 电容值选择建议10uF~20uF ,可以多调试,大概数值数此。电容需要为高频薄膜电容,或者陶瓷电容。 下图是LC 滤波器的滤波效果图(幅频特性,Bode 图): 里面参数为 电感值 1000uH ,电容值 10uF ,阻尼电阻 0.5Ohm (防止★◇▽▼•谐振,与电容串联,可以加一个小电阻,实验调试电容值和阻尼电阻) 20   6 6   20log Gvo 100010 1010 0.5 f     6 6   0 20log Gvo 50010 1010 0.5 f     6 6   20log Gvo 200010 1010 0.5 f     6 6   20log Gvo 330010 1010 0.5 f  20    40 3 4 5 10 100 110 110 110 f 隔离变压器: 20Hz~100Hz 。 选择50Hz,常规是220V~220V ,电流2A 。投个比较大了的。不知道官方是否提供,不 然这个变压器挺贵、挺重了的。20Hz 低频变压器,50W-20Hz 低频变压器,等价于125W- 50Hz,选择需要留裕量的吧,那么选择至少也要有300W~500W-50Hz 的变压器,而且 导线Arms 以上。 这样计算,常规很容买到的220V-2A,50Hz 隔离变压器合适。

  物料看板5Material_Control_Overview-Presentation-CE幻灯片.ppt

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