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2018年江苏省大学生电子设计竞赛设计报告（一等奖） 竞赛选题：E题 变流器负载试验中的能量回馈装置（本科） 1. 任务

设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置，其结构如图1所示。 变流器进行负载试验时，需在其输出端接负载。通常情况下，输出电能消耗在该负载上。为了节能，应进行能量回馈。负载试验时，变流器1（逆变器）将直流电变为交流电，其输出通过连接单元与变流器2（整流器）相连，变流器2将交流电转换成直流电，并回馈至变流器1的输入端，与直流电源一起共同给变流器1供电，从而实现了节能。

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图1 变流器负载试验中的能量回馈装置

2．要求

（1）变流器1输出端c、d仅连接电阻性负载，变流器1能输出50Hz、（20分）

（2）在要求（1）的条件下，变流器1输出交流电的频率范围可设定为20Hz~

100Hz，步进1Hz。 （15分）

（3）变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，系统能实现能量回馈，变

流器1输出电流I1 = 1A。 （20分）

（4）变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，变流器1输出电流I1 = 2A，

要求直流电源输出功率Pd越小越好。 （35分）

（5）其他。 （10分）

（6）设计报告 （20分）

25V?0.25V、2A的单相正弦交流电。

项 目 方案论证 理论分析与计算 主要内容 比较与选择，方案描述 系统相关参数设计 系统原理框图与各部分的电路图，系统软件流满分 3 5 电路与程序设计 程图 测试方案合理，测试结果完整性，测试结果分测试方案与测试结果 析 设计报告结构及规范摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。 性 总分 5 5 2 20 3．说明

（1）图1所示的变流器1及能量回馈装置仅由直流电源供电，直流电源可采用实验室的直流稳压电源。

（2）图1中的“连接单元”可根据变流器2的实际情况自行确定。 （3）电路制作时应考虑测试方便，合理设置测试点。 （4）能量回馈装置中不得另加耗能器件。

（5）图1中，a、b与c、d端应能够测试，a、c端应能够测量电流；c、d端应能够断开，另接其他阻性负载。

0摘要

本设计是一种采用STC12C5A60S2单片机为主控的变流器负载试验中的能量回馈装

置。其逆变板单片机采用查表法，输出SPWM到H桥，将输入的38v直流电压，逆变到25v交流电输出，通过按键能控制其输出20~100Hz的正弦波，1Hz步进。经过工频变压器隔离后，输入给回馈装置，其采用单片机控制的BOOST电路，闭环控制其电流输出，由于在特定电流下，电路效率基本是恒定的，故能控制环路中逆变部分的输出交流电流。通过按键能步进调节其电流大小。整体设计符合题目要求。

1设计方案工作原理

1.1预期实现目标定位

设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置。变流器进行负载试验时，需在其

输出端接负载。通常情况下，输出电能消耗在该负载上。为了节能，应进行能量回馈。负载试验时，变流器1（逆变器）将直流电变为交流电，其输出通过连接单元与变流器2（整流器）相连，变流器2将交流电转换成直流电，并回馈至变流器1的输入端，与直流电源一起共同给变流器1供电，从而实现了节能。

本系统设计要求：①变流器1输出端c、d仅连接电阻性负载，变流器1能输出50Hz、

25V0.25V、2A的单相正弦交流电。②在要求的条件下，变流器1输出交流电的频率范围可设定为20Hz～100Hz，步进1Hz。③变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，系统能实现能量回馈，变流器1输出电流I1= 1A。 ④变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，变流器1输出电流I1 = 2A，要求直流电源输出功率Pd越小越好。

1.2 技术方案分析比较

（1）控制系统选择

方案一：采用STM32F407ZGT6单片机为控制核心， 通过输出互补SPWM波控制驱动

芯片驱动开关实现正弦逆变。STM32做为系统控制核心,配合12位高精度D/A模块精确控制输出电压。系统具有良好的过流保护功能并可智能检测负载情况,以控制系统工作状态。

方案二：采用STC12C5A60S2，能输出两路PWM波形控制驱动芯片驱动开关实现正弦

逆变。TC12C5A60S2拥有36个I/O口并且具有两路PWM输出、8路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成弱上拉、强上拉、高阻、开漏模式，该单片机内置上电复位电路，性价比