單相電壓型pwm整流畢業設計-資料下載頁

【導讀】數校正技術誕生與20世紀80年代，它采用的是高頻開關工作方式，具有體積小，應性強，由于不需要載波，所以輸出電壓不含特定頻率的諧波分量，另外，這種控制方式，壓得到有效的穩定值。同時也調節了交流側電流的大小和相位,實現能量在交流側和直流側。的雙向流動,并使變流裝置獲得良好的功率因數。最后建立其Matlab的仿真模型,驗證了設

　　

【正文】 損耗。 有源功率因素校正（ APFC）技術 對電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關技術、多導電模式和新的電路結構來提高其性能和提高其動態響應速度等。 統的用于電子設備前端的二極管整流器，作為一個諧波電流源，干擾電網線電壓，產生向四周輻 射和沿導線傳播的電磁干擾，導致電源的利用效率下降。近幾年來，為了符合國際電工委員會 6100032 的諧波準則，功率因數校正電路正越來越引起人們的注意。 功率因數校正技術從早期的無源電路發展到現在的有源電路；從傳統的線性控制方法發展到非線性控制方法，新的拓撲和技術不斷涌現。 功率因數 (PF)的定義 華東交通大學畢業設計 17 功率因數 (PF)是指交流輸入有功功率 (P)與輸入視在功率 (S)的比值。即 ?PF SP ? ?cos111rmsIV IV ?cos1rmsII ??cos? （ 1） 式 (1)中： 1I 為輸入基波電流有效值； rmsII1?? (2) ? 為輸入電流失真系數； Irms 為輸入電流有效值； cos? 為基波電壓與基波電流之間的相移因數。 可見 PF 由和 cos? 決定。 cos? 低，則表示用電電器設備的無功功率大，設備利用率低，導線、變壓器繞組損耗大。 ? 值低，則表示輸入電流諧波分量大，對電網造成污染，嚴重時，對 三相四線制供電還會造成中線電位偏移，致使用電電器設備損壞。由于常規整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導通角遠小于 180176。，從而產生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數很低。 功率因數校正 交流輸入電源經整流和濾波后，非線性負載使得輸入電流波形畸變，輸入電流呈脈沖波形，含有大量的諧波分量，使得功率因數很低。由此帶來的問題是：諧波電流污染電網，干擾其他用電設備；在輸入功率一定的條件下，輸入電流較大，必須增大輸入斷路器和電源線的量；三相四線制供電時中線中的電流較大，由 于中線中無過流防護裝置，有可能過熱甚至著火。為此，沒有功率因數校正電路的開關電源被逐漸限制應用。因此，開關電源必須減小諧波分量，提高功率因數。提高功率因數對于降低能源消耗，減小電源設備的體積和重量，縮小導線截面積，減弱電源設備對外輻射和傳導干擾都具有重大意義。所以，設有功率因數校正電路使功率因數近于 1 的開關電源得到迅速的發展。 功率因數校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數接近于 1。 功率因數校正實現方法 由式 (1)可知，要提高功率因數有兩個途徑，即使輸入 電壓、輸入電流同相位；使輸入電流正弦化。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 18 利用功率因數校正技術可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時整流器的負載可等效為純電阻。 功率因數校正電路分為有源和無源兩類。無源校正電路通常由大容量的電感、電容組成。雖然無源功率因數校正電路得到的功率因數不如有源功率因數校正電路高，但仍然可以使功率因數提高到 o． 7~0． 8，因而在中小功率電源中被廣泛采用。有源功率因數校正電路自上世紀 90 年代以來得到了迅速推廣。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個功率變換電路，使功率因數接近 1。有源功率因數校正電路工作于高頻開關狀態，體積小、重量輕，比無源功率因數校正電路效率高。本文主要討論有源功率因數校正方法。 有源功率因數校正方法分類 (1)按有源功率因數校正拓撲分類 因噪聲大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅動電平浮動，很少被采用。 ／降壓式 須用二個功率開關管，有一個功率開關管的驅動控制信號浮動，電路復雜，較少采用。 輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡單電壓型控制， 適用于 150W 以下功率的應用場合。典型電路如圖 所示。 圖 反激式 變換器 (Boost) 簡單電流型控制，戶 F 值高，總諧波失真 (THD)小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。典型電路如圖 所示。適用于 75~2020W 功率范圍的應用場合，應用最為廣泛。它具有以下優點：電路中的電感 L 適用于電流型控制；由于升壓型 APFC 的預調整作用在輸出電容器 C 上保持高電壓，所以電容器 C 體積小、儲能大；在整個交流輸入電壓變化范圍內能保持很高的功率因數；當輸入電流連續時，易于 EMI 濾波；升壓電感 L 能阻 止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。 華東交通大學畢業設計 19 圖 升壓式 變換器 (2)按輸入電流的控制原理分類 工作頻率固定，輸入電流連續 (CCM)，波形圖如圖 (a)所示。 TI 公司的 UC3854 就工作在平均電流控制方式。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 20 圖 電流波形 華東交通大學畢業設計 21 這種控制力式的優點是：恒頻控制；工作在電感電流連續狀態，開關管電流有效值小、EMI 濾波器體積小；能抑制開關噪聲；輸入電流波形失真小。 主要缺點是：控制電路復雜，須用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環路。 型 工作頻率可變，電流達到滯后帶內發生功率開關通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖 (b)所示。 工作頻率變化，電流不連續 (DCM)，波形圖如圖 (c)所示。 DCM 采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現的優點，似存在以下缺點： PF 和輸入電壓 Vin 與輸出電壓 V0 的比值有關，即當 Vin變化吋， PF 值也將發生變化，同時輸入電流波形隨 Vin/Vo 的值的加大而使 THD 變大；開關管的峰值電流大 (在相同容量情況下， DCM 中通過開關器件的峰值電流 為 CCM 的 2 倍 )，從而導致開關管損耗增加。所以在大功率 APFC 電路中，常采用 CCM 方式。 工作頻率固定，電流不連續，采用固定占空比的方法，電流自動跟隨電壓。這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場合，另外在單級功率因數校正中多采用這種方法，后面會介紹。波形圖如圖 (d)所示。 (3)其他控制方法 非線性載波控制 (NLC)不需要采樣電壓，內部電路作為乘法器，即載波發生器為電流控制環產生時變參考信號。這種控制方法工作在 CCM 模式，可用于 Flyback,Cuk,Boost等拓撲中，其調制方式有脈沖前沿調制和脈沖后沿調制。 單周期控制原理圖如圖 所示，是一種非線性控制技術。該控制方法的突出特點是，無論是穩態還是暫態，它都能保持受控量 (通常為斬波波形 )的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關周期內，有效地抑制電源側的擾動，既沒有穩態誤差，也沒有暫態誤差，這種控制技術可廣泛應用于非線性系統的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補償。 利用電流互感器檢測開關管的開通電流，并給檢測電容充電，當充電電壓達到控制電壓時 關閉開關管，并同時放掉檢測電容上的電壓，直到下一個時鐘脈沖到來使開關管再次開通，控制電壓與電網輸入電壓同相位，并按正弦規律變化。由于控制信號實際為開關電流在一個周期內的總電荷，因此稱為電荷控制方式。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 22 Tu 圖 單周期控制技術 功率因數校正技術的發展趨勢 目前研究的兩級功率因數校正，一般都是指 Boost PFC 前置級和后隨 DC／ DC 功率變換級。如圖 所示。對 Boost PFC 前置級研究的熱點有兩個，一是功率電路進一步完善，二是控制簡單化。如果工作在 PWM 硬開關狀態下， MOSFET 的開通損耗和二極管的反向恢復損耗都會相當大，因此，最大的問題是如何消除這兩個損耗，相應就有許多關于軟開關 Boost 變換器理論的研究，現在具有代表性的有兩種技術，一是有源軟開關，二是無源軟開關即無源無損吸收網絡。 圖 單級電路 有源軟開關采用附加的一些輔助開關管和一些無源的電感電容以及二極管，通過控制主開關管和輔助開關管導通時序來實現 ZVS 或者 ZCS。比較成熟的有 ZVT—Boost， ZV華東交通大學畢業設計 23 S—Boost， ZCS—Boost 電路等。雖然有源軟開關能有效地解決主開關管的軟開關問題，但輔助開關管往 往仍然是硬開關，仍然會產生很大損耗，再加上復雜的時序控制，使變換器的成本增加，可靠性降低。 無源無損吸收則是采用無源元件來減小 MOSFET 的 dv／ dt 和二極管的 dv／ dt，從而減小開通損耗和反向恢復損耗。它的成本低廉，不需要復雜的控制，可靠性較高。 除了軟開關的研究之外，另一個人們關心的研究方向是控制技術。曰前最為常用的控制方法是平均電流控制， CCM／ DCM 臨界控制和滯后控制 3 種方法。但是新的控制方法不斷出現，其中大部分是非線性控制方法，比如非線性載波技術和單周期控制技術。這些控制技術的主要優點是使電路的復 雜程度大大降低，可靠性增強。現在商業化的非線性控制芯片有英飛凌公司的一種新的 CCM 的 PFC 控制器，被命名為 ICElPCSOI，是基于一種新的控制方案開發出來的。與傳統的 PFC 解決方案比較，這種新的集成芯片 (IC)無需直接來自交流電源的正弦波參考信號。該芯片采用了電流平均值控制方法，使得功率因數可以達到 1。另外，還有 IR 公司的 IRIS51XX 系列，基于單周期控制原理，不需要采集輸入電壓，外圍電路簡單。 提高功率因數的幾種方法 提高自然因數的方法： (1). 恰當選擇電動機容量，減少電動機無功消 耗，防止 “大馬拉小車 ”。 (2). 對平均負荷小于其額定容量 40%左右的輕載電動機，可將線圈改為三角形接法（或自動轉換）。 (3). 避免電機或設備空載運行。 (4). 合理配置變壓器，恰當地選擇其容量。 (5). 調整生產班次，均衡用電負荷，提高用電負荷率。 (6). 改善配電線路布局，避免曲折迂回等。 人工補償法： 實際中可使用電路電容器或調相機，一般多采用電力電容器補嘗無功，即：在感性負載上并聯電容器 ， 在感性負載上并聯電容器的方法可用電容器的無功功率來補償感性負載的無功功率，從而減少甚至消除 感性負載于電源之間原有的能量交換。在交流電路中，純電阻電路，負載中的電流與電壓同相位，純電感負載中的電流滯后于電壓 90186。，而純電容的電流則超前于電壓 90186。，電容中的電流與電感中的電流相差 180186。，能相互抵消。電力系統中的負載大部分是感性的，因此總電流將滯后電壓一個角度，如圖 1 所示，將并聯電容器與負載并聯，則電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數將提高。 提高功率因數的實際意義 對于電力系統中的供電部分 提供電能的發電機是按要求的額定電壓和額定電流設計的，發電機長期運行 中，電壓和電流都不能超過額定值，否則會縮短其使用壽命，甚至損壞發電機。由于發電機是通過額定電流與額定電壓之積定額的，這意味著當其接入負載為電阻時，理論上發電機得到完全的利用，因為 P=U*I*cos216。 中的 cos216。=1；但是當負載為干性或容性時， cos216。1,發電機就得不到充分利用。為了最大程度利用發電機的容量，就必須提高其功率因數。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 24 對于電力系統中的輸電部分 輸電線上的損耗： Pl=RI*I，負載吸收的平均功率： P.=V*I*cos216。 ，因為 I=P./V/ cos216。，所以 Pl=R*P./V/cos216。（ V 是負載端電壓的有效值）。 由以上式可以看出，在 V 和 P 都不變的情況下，提高功率因數 cos216。 會降低輸電線上的功率損耗 . (1)提高用電質量，改善設備運行條件，可保證設備在正常條件下工作，這就有利于安全生產。 (2) 可節約電能，降低生產成本，減少企業的電費開支。例如：當 cos216。= 時的損耗是cos216。=1 時的 4 倍。 (3) 能提高企業用電設備的利用率，充分發揮企業的設備潛力。 (4) 可減少線路的功率損失，提高電網輸電效率。 (5) 因發電機的發電容量的限定，故提高 cos216。 也就 使發電機能多出有功功率。在實際用電過程中，提高負載的功率因數是最有效地提高電力資源利用的方式。在現今可用資源接近匱乏的情況下，除了盡快開發新能源外，更好利用現有資源是我們解決燃眉之急的唯一辦法。而對于目前人類所大量使用和無比依賴的電能使用，功率因數將是重中之重。 華東交通大學畢業設計 25 4 Matlab 仿真實驗 電路的工作原理 有源功率因素校正（ Active Power Factor Correction， APFC）電路。是指在傳統的不控整流中融入有源器件，使得交流側電流在一定程度上正弦化，從 而減小裝置的非線性，改變功率因數的一種高頻整流電路。 基本的單相 APFC 電路在單相橋式不可控整流器和負載電阻之間增加