2022年湖北省大学生电子设计竞赛A题（单项交流电子负载）赛后总结
目錄
一、設計要求
1、任務
2、要求
3、說明
二、方案介紹
三、硬件電路
1、主回路
2、同步觸發電路
3、全橋驅動電路
四、遇到的問題及解決方法
問題一、調壓器容量問題
問題二、前級電感問題
問題三、多變量影響功率因數
問題四、輔助電源問題
五、總結
前言
? ? ? ? 又一次的四天三夜，再次封箱，測試，省一。結束了我的兩年電賽生活。
一、設計要求
1、任務
????????設計并制作如圖1所示的單相交流電子負載，其中負載特性模擬單元可模擬電阻性、電感性、電容性負載，能量回饋單元能將盡可能多的能量以50Hz交流電回饋。
?圖1 單相交流電子負載原理圖
2、要求
（1）模擬電阻性負載，電子負載輸入為U1=30V，?I1=2A。（15分）
（2）模擬電感性負載，電子負載輸入為U1=30V，I1=2A，輸入側功率因數cosφ1能根據數字設定在0.50～1.00范圍內自動調整。（25分）
（3）模擬電容性負載，電子負載輸入為U1=30V，I1=2A，輸入側功率因數cosφ1能根據數字設定在0.50～1.00范圍內自動調整。（25分）
（4）模擬電阻性負載，電子負載輸入為U1=30V，I1=2A，測電子負載的輸入功率P1和回饋功率P2，ΔP=?P1-?P2，要求ΔP越小越好。（25分）
（5）其他。（10分）
（6）設計報告。（20分）
| 項 目 | 主要內容 | 滿分 | |
| 設 計 報 告 | 方案論證 | 比較與選擇，方案描述 | 3 |
| 理論分析與計算 | 不同類型負載的模擬，能量回饋的方法 | 6 | |
| 電路與程序設計 | 主回路與器件選擇，控制電路與控制程序 | 6 | |
| 測試方案與測試結果 | 測試方案及測試條件，測試結果及其完整性，結果分析 | 3 | |
| 報告結構及規范性 | 摘要、設計報告正文結構、公式、圖表的規范性 | 2 | |
| 報告總分 | 20 | ||
3、說明
（1）為簡化題目、方便測試，電子負載回饋的能量由電阻性負載消耗。
（2）圖1中的交流電源為50Hz正弦波交流電，其形式不限，但應做好隔離等措施，確保電氣安全。
（3）為方便測試要求（4），交流電子負載僅由圖1中的交流電源供電。
（4）題中所有交流參數均為有效值。
（5）電子負載的輸入功率P1= U1I1cosφ1、輸出功率P2= U2I2cosφ2，其中cosφ1為電子負載輸入側的功率因數，cosφ2為電子負載回饋側的功率因數。
（6）電路制作時應考慮測試方便，合理設置測試點。
二、方案介紹
????????總體方案如圖所示，有交流電源部分（由隔離變壓器，調壓器，功率分析儀組成），前級AC—DC變換電路和后級DC—AC逆變電路，輔助電源，單片機控制，如圖所示。電路整體由交流電源AC—DC的直流量來給輔助電源統一供電，通過同步電網調節前級AC—DC電路接入SPWM相位影響電流與電壓的相位關系去控制功率因數，通過采集到的交流電流調節DC—AC的SPWM的幅度系數去閉環PI控制輸入電流大小為2A。?
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?通過前級的AC/DC實現電子負載模擬，后級DC/AC實現能量回饋。
?關于前級AC/DC的PWM整流控制功率因數的原理如下圖（第五版電力電子技術）。
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三、硬件電路
1、主回路
電路拓撲圖如下：
2、同步觸發電路
????????主要用于產生單片機同步觸發信號，使單片機輸出的SPWM波形的相位能夠同步電網的相位，實現同步整流，由于輸入電壓會變化，只有使用過零比較電路才能保證每一次觸發的是同一相位點。
3、全橋驅動電路
????????使用IR2184S驅動芯片，驅動MOS管的通斷，實現單相電子交流負載的功能和實現后級回饋的功能。
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四、遇到的問題及解決方法
問題一、調壓器容量問題
單相調壓器負載負載的電流最大有效值即
????????調壓器的額定電流=調壓器額定容量÷最大輸出電壓
? ? ????2KVA的單相調壓器負載最大電流=2000VA÷250A=8A
問題：理論上調壓器是可以過8A的電流，但是輸出小電流和大電流時調壓器輸出的電壓會明顯的變化，小電流時輸出可以到30V，當電流增加到2A時，輸出電壓回掉下來1到2V。就很搞事情。去年做三相AC-DC的時候也遇到了這個問題。為了達到要求的測試點，只能通過轉動調壓器把電壓補回來。
原因：利用戴維南定理，把調壓器到功率分析儀到系統輸入端等效成信號源與內阻，電流小，內阻分到的電壓小，輸出電壓大，電流大，內阻分到的電壓變大，輸出電壓就變小了。最終的問題就是，內阻在哪兒。
1、調壓器容量小，內部線圈的電阻大。
2、大電流，連接線太長，中間還過了功率分析儀，線路帶來了不可忽略的電阻。
問題二、前級電感問題
前級為電壓型PWM整流電流電路。電感存儲能量。
若電感取值太大，會帶來兩個問題：
????????一是整流得到的直流電壓會很高。在失控情況下很有可能會損壞耐壓值100V的電解電容。
????????二是電感值大，繞磁環的圈數會增加。線路會變長，會增加系統的功耗。
若電感取值太小，主要會影響到電流的波形，在電阻性負載時，電流波形會畸變。這回使得功率因數很難達到0.995以上。
問題三、多變量影響功率因數
????????最后這個問題伴隨了我兩次的電賽。去年做三相AC-DC的最后一項指標即是功率因數達到1，0.9到1之間可設定。今年是單相的主要指標。嗯，一口巨坑。
? ? ? ? 電路分為前級和后級。軟件控制可控制四個變量：前級相位（相對電網），前級幅度，后級相位，后級幅度。
前級相位：首先會整流的相位點，理論上可以通過移動前級相位，改變電流相位。實現控制功率因數。模擬出感性和容性負載。但是，實際上在容性方向移動一兩個點，電流就會突然變得很大，然后保險絲熔斷。往感性方向可多移動兩三個點，移動多了同樣會飛。在功率分析儀之后，進入電路前串聯一個1歐姆電阻，可以增加可移動的范圍，按隊友的說法是這相當于是一個負反饋，電流變大，那么這個電阻分到的電壓會變大，到后級的電壓就變小。所以可調范圍就變寬了。但是這會嚴重消耗能量，使得至少耗掉2W。連木板都燒焦了。錫熔斷了好幾次。
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前級幅度：會影響到前級整流后的直流電壓幅度，同時也會影響到功率因數。所以這個的可調范圍是有限的，必須要考慮到直流側的電容的耐壓值。
后級相位：前后級采用的SPWM波表頻率是一樣的。按道理前后腳中間通過了直流的變換，前后腳基本上相位相互間是沒有影響的。但是，后級相位與前級同相時，功率因數最高，改變相位差會略微降低功率因數。也有一點影響功率因數。
后級幅度：題目雖然沒有明確要求要穩定輸入電流在2A，但是很明顯所有測試條件都是在2A的情況下進行的。所有通過改變后級的幅度來達到穩流2A的目的。（改變后級幅度等效改變了加在直流側的負載大小，所有可以PI控制電流大小）。后級幅度會影響電流大小，所以也會影響到功率因數。
當時搞明白所有的影響因數后已經是第三天的下午了。
最終還是定下了一個折中的方案：
1、1歐姆電阻要加上，即使他會耗掉功率，但是他會讓我們的系統跟穩定，會保護到電路。
2、后級相位不動，減少影響因數
3、后級幅度PI電路2A。以達到測試條件
4、對不同要求的功率因數，對整流SPWM波的初始相位與幅度大小進行查表幅值，達到功率因數控制，并在其中加入了三次諧波的補償，來增加整體的調整精度。
除了以上四點會影響功率因數外，有其他未知的因數也在影響這功率因數。比如每次上電的電壓大小不一樣，即使調壓器的位置沒變。但是依然會變，在0.9到1的范圍影響較小，0.5到0.9的范圍較大。導致了設定精度不高。其次是PI電流2A，這2A的電流也是有波動的。功率因數也會波動。最后就是電路長時間工作后，電路會發熱。系統特性也會變化。所有這道題真的很坑。
作品實物圖
問題四、輔助電源問題
????????輔助電源除了要給電路各個模塊供電還要給單片機供電。強烈建議在比賽的最后一天一定要脫離電腦供電，使用輔助電源供電。以防出現供電不穩的問題。單片機是很耗電的，用一個輔助電源供電，輔助電源供電不足，電感都在響。這還是在封箱前發現的問題。親身經歷。好在有備用模塊。封進箱子里了，在測試前恢復電路的三十分鐘，加入電路，解決了這個問題。萬幸。
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五、總結
????????隨著比賽的結束，意味著我這兩年的電賽就落下了帷幕。回頭看這兩年的經歷，老師的指導，學長學姐的幫助，伙伴的討論。讓我收獲頗豐，也成長了不少。謝謝大家。會繼續前行。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的2022年湖北省大学生电子设计竞赛A题（单项交流电子负载）赛后总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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