任务名称
2021年_B题:三相AC-DC变换电路
任务要求
难度

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。

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。 

三 、说明
(1)图 1 中的变压器由三相自耦调压器和三相隔离变压器组合构成,变压器原、副边侧均为三相对称交流电。变压器原边电压较高,请务必注意安全。

(4)AC-DC 变换电路的直流辅助电源作为变换电路的组成部分,可购买电源模块(亦可自制),由图 1 中的变压器供电,其耗能应计入 AC-DC 变换电路的效率计算中。测试现场不另行提供其他交、直流电源。
(5)制作时须考虑测试方便,合理设置测试点,参考图 1。
(6)本题测试统一使用功率分析仪。

评审标准

参考答案

GPT-4o给出的设计方案:


一、系统概述

本设计旨在开发一个可将三相交流电 (AC) 输入转换为稳定直流电 (DC) 输出的三相AC-DC变换器系统。该系统包括变压器模块、AC-DC变换模块以及滤波和控制模块。

二、硬件组成

  1. 变压器模块

    • 变压器:根据要求将三相交流电(输入电压 28V)转换为相同频率和不同相位的交流电,确保输出电压为 36V。
    • 拓扑结构:选用星形接法或三角形接法,具体视需要而定。
  2. AC-DC变换模块

    • 整流电路:选择三相全桥整流电路,以实现电压的整流和初步滤波,避免电网谐波对系统的干扰。
      • 桥式整流:采用功率二极管或高效整流器件,确保在30V-36V范围内,实现高效整流。
  3. 滤波电路

    • 滤波电容:用于平滑整流后的电压,减少输出纹波。推荐选择高耐压值的大容量电容,如1000μF / 50V。
    • 滤波电感:进一步滤除高频噪音及谐波干扰。
  4. 控制和调整模块

    • PWM控制器:如TI的TL494,用于实现电压和电流的精确控制,根据反馈信号调整输出电压,确保DC输出电压稳定在36V,容差为±0.1V。
    • 反馈电路:通过采样输出电压及电流信号,实时调整PWM占空比,实现稳定输出。
    • 显示与保护电路:包括LED显示屏、电压电流监控及过压、过流保护电路。

三、软件设计

  1. 初始化

    • 配置PWM控制器参数,设定输入电压、频率、占空比初始值。
    • 初始化测量模块,启动电压、电流传感器。
  2. 实时控制

    • 电压电流检测:采集实时电压、电流数据,确保输入电压28V,输出电压36V,负载电流最大2A。
    • 反馈调整:根据采集数据,调整PWM信号占空比,维持输出电压稳定。
    • 恒定负载控制:通过电流传感器监测负载电流,避免超载和短路。
  3. 数据处理与显示

    • 将测量数据实时传输至显示模块,显示输入电压、电流、输出电压、电流。
    • 数据记录与分析,通过控制器储存历史工作数据,确保系统稳定性。

四、校准与测试

  1. 初次校准

    • 对变压器和整流电路进行初步测试,确保转换效率和电压范围符合要求。
    • 调节滤波电路参数,使输出电压纹波降至最小。
  2. 功能测试

    • 电压测试:将交流电输入控制在28V,上下浮动范围内,确保输出稳定36V,误差不超过±0.1V。
    • 负载测试:对系统施加0.1A到2A不等的负载,监测输出电压,确保稳定性和纹波系数 < 0.3%。
    • 效率和功率因数:检测整机效率不低于85%,交流侧功率因数大于0.99。

五、系统优点与注意事项

  1. 优点

    • 高效率:选用高效器件和优化设计,确保转换效率高于85%。
    • 高稳定性:精准的PWM控制和实时反馈,确保输出电压稳定,满足负载需求。
    • 高安全性:多重保护电路,避免过压、过流、短路等故障,确保系统和负载安全。
    • 简单易用:模块化设计,更换和维护方便。
  2. 注意事项

    • 准确校准与调试各模块,保证系统整体性能。
    • 定期维护和检查关键组件,如滤波电容、电感及整流二极管等,确保系统长时间稳定运行。
    • 使用过程中严禁超载和短路,定期检测并更换老化或损坏元件。

通过此设计,变换器可以有效地将输入的三相28V交流电转换为36V直流电,并确保在负载变化时保持高效稳定工作,满足所有给定的要求和标准。


该题目考查的知识点:

本题目考察的是三相AC-DC变换电路的设计与实现,要求学生理解并应用交直流变换的基本原理。考察内容包括三相交流电的整流、电压和电流的稳定控制、能效评估、功率因数分析等。此外,题目要求设计包含实际电路调试、参数调整和效率计算等技术内容,涉及到对变压器、整流电路、滤波电路、控制电路的综合应用能力。最终目标是在特定工况下,实现高效、稳定的AC-DC变换,同时满足功率因数大于0.99和效率不低于85%的要求。

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