单相单位功率因数整流器的研究与开发.docx
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单相单位功率因数整流器的研究与开发
中国石油大学(华东)毕业设计(论文)
单相单位功率因数整流器的研究与开发
学生姓名:
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学号:
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专业班级:
电气工程及其自动化---班
指导教师:
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2020年6月20日
摘要
近几十年来,由于大功率电力电子装置的普遍应用,使公用电网受到谐波电流和谐波电压的污染日趋严峻,功率因数低,电能利用率低。
为了抑制电网的谐波,提高功率因数,人们通常采纳无功补偿、有源、无源滤波器等对电网环境进行改善。
本文在参阅国内外大量文献的基础上,综述了最近几年来国内外功率因数校正技术的进展状况,简要分析了无源功率因数与有源功率因数的优、缺点,并详细分析了有源功率因数校正的大体原理和操纵方式。
在通过对主电路拓扑与操纵方式的优、缺点比较后,选择Boost变换器作为主电路拓扑,采纳基于平均电流操纵的UC3854操纵器,设计了两级有源功率因数校正电路的前一级电路,计算了主电路与操纵电路的元件参数。
依照此参数,基于MATLAB环境下对功率因数校正前、后的电路进行了仿真,通过仿真波形的分析。
最后搭建实验电路进行实验,搜集实验波形,对实验结果进行分析,进一步验证了本设计参数的正确性与准确性。
关键词:
有源功率因数校正;Boost变换器;平均电流操纵
ABSTRACT
Theharmonicforvoltageandcurrent,lowerpowerfactorandlowerefficiencyofpublicpowersystemisseriousincreasinglybecauseofmuchbigpowerelectronicequipmentinresentyears.Usually,reactivecompensation,filtersforactiveandreactivewereusedtoimprovedpowersysteminordertocontrolharmonicandimprovepowerfactorofpowersystem.
Thedevelopmentforpowerfactorcorrectionbothhereandabroadinrecentyearsissummarizedandthegoodandbadcharacteristicsforreactiveandactivepowerfactorcorrectionisanalyzedbrieflyandthebasicprincipleandcontrolmethodsofactivepowerfactorcorrectionisanalyzeddetailedafterreadamassofliteraturesbothhereandabroad.ThemainBoostconverterandUC3854controllerwhichbasedonCCMcontrolareselectedandafirststagecircuitoftwo-stageactivepowerfactorcorrectionisdesignedandelementsofmainandcontrolcircuitwereaccountedaftertopologiesofmaincircuitandcontrolmethodswerecompared.ThecircuitwassimulatedbasedonMATLABaccordingtotheseparametersandcorrectnessofthedesignisprovedfirstlyafterusedcomparesimulationwaves.Atlast,theexperimentcircuitisfounded,thecorrectnessandveracityisprovedmoreaftercompareexperimentwaves.
Keywords:
Activepowerfactorcorrection;Boostconverter;Averagecurrentcontrol
第1章绪论
随着电力电子技术的迅猛进展,开关电源以体积小、重量轻和效率高等显著优势,己经成为目前直流稳压电源的要紧形式,普遍地应用在运算机、通信等电子设备上。
可是,各类非线性负载如整流器,电容滤波器等接到交流电网时,电网电流将发生畸变,含有高次谐波电流,而且产生很强的EMI。
功率因数校正(PFC)问题的提出[1]
从220V交流电网经输入整流滤波后供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为普遍的一种大体变流技术。
传统AC/DC变流器确实是二极管桥式整流加电解电容滤波电路,如图1-1(a)所示的AC/DC变换器中,交流市电经二极管整流和大电容滤波后,取得较为滑腻的直流电压再由直流变换器进行DC/DC变换,取得要求的输出。
整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用,使得输入电流(即电容器的充电电流)成为一个持续时刻很短、峰值很高的周期性尖峰电流,如图1-l(b)所示,从而致使功率因数较低左右),总谐波畸变大(超过100%)。
图1-1二极管整流电路及输入电压、电流波形
由此可见,大量应用整流电路,会使电网供给的输入电流严峻畸变。
对这种畸变的输入电流进行傅立叶分析,把输入电流用傅立叶级数分解可得如下表达式:
(1-1)
式中,I1为基波分量,I3、I5别离为三次和五次谐波分量。
由于输入电流是一个奇函数,因此,表达式中只有奇次谐波。
由上面分析可知,输入电流中除含有基波外,还含有丰硕的奇次高次谐波分量,这些高次谐波倒流入电网,引发严峻的谐波“污染”,造成严峻危害。
其要紧危害有:
(l)产生“二次效应”。
即谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压(原先是正弦波)发生畸变,阻碍各类电气设备的正常工作。
(2)谐波会造成输电线路故障,使变电设备损坏。
例如,线路和配电变压器过热、过载。
在高压远距离输电系统中,谐波电流会使变压器的感抗与系统的容抗发生LC谐振;在三相电路中,中线电流是三相三次谐波电流的叠加,因此,谐波电流会使中线电流过流而损坏,等等。
(3)谐波阻碍用电设备。
例如,谐波电流对电机除增加附加损耗外,还会产生附加谐波转矩、机械振动等,这些都严峻阻碍电机的正常运行;谐波可能使白炽灯工作在较高的电压下,这将致使灯丝工作温度太高,缩短灯丝的利用寿命,等等。
(4)谐波会使测量仪器产生附加谐波误差。
常规的测量仪表是设计并工作在正弦电压、正弦电流波形的,因此,在测量正弦电压和电流时能保证其精度。
可是,这些仪表用于测量非正弦量时,会产生附加误差,阻碍测量精度。
(5)谐波会对通信电路造成干扰。
电力线路谐波电流会通过电场耦合、磁场耦合和共地线耦合会对通信电路造成阻碍。
为了减小AC/DC变换电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”,以保证电网供电质量,提高电网的靠得住性,同时也为了提高输入端功率因数,以达到节能的成效,必需限制AC/DC电路的输入端谐波电流分量[2]。
世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准,以限制谐波电流含量。
如:
IEC555-2,IEC61000-3-2,EN60555-2等标准,它们规定了许诺产生的最大谐波电流。
我国于1994年也公布了《电能质量公用电网谐波》标准(GB/T14549-93)。
关于接入电网的设备的功率因数和总谐波含量提出了很高的要求,因此功率因数校正的重要性更显突出。
功率因数的大体概念
功率因数PF(powerfactor)的概念是:
交流输入有功功率P与视在功率S的比值,如下式:
(1-2)
其中:
U1——电网电压有效值;
I1——输入基波电流有效值;
Irms——输入电网电流有效值;
cos
——基波电压、基波电流位移因数[3];
——输入电流失真系数;
电流的总谐波畸变因数(THD)用来衡量电流波形的失真情形,可表示为:
%(1-3)
又:
(1-4)
得:
(1-5)
由上式能够看出,当交流输入市电的电压、电流同频和同相位时,即cos
=1,功率只与总谐波畸变因数有关。
因此,操纵交流市电输入电流的谐波有助于改善电路的功数,减小对电网的谐波污染。
目前,通常采纳功率因数校正技术来改善开关整流电路的功率因数,具体能够通过两径来实现[4]:
(l)使输入电压、输入电流同相位,现在cos
=1,PF=
。
(2)使输入电流正弦化,即谐波为零,
=1,即PF=1,从而实现功率因数校正。
功率因数校正技术的进展状况
为了提高AC/DC变换器输入端的功率因数,人们最先采纳无源校正技术。
功率因数校正电路最初采纳一个大电感来增大整流二极管的导通时刻,改善功率因数,属于无源PFC电路。
后来又显现了填谷(ValleyFill)方式的无源PFC电路,利用电容和二极管网络的串并联切换特性增大二极管的导通角,改善功率因数。
无源PFC技术电路设计简单本钱低,功率因数可达~,但却不能专门好的抑制输入电流中的谐波含量(即THD)。
采纳无源技术排除干扰,只能对某些指定的谐波进行抑制和基波相移补偿,且体积质量大。
进入上世纪70年代以后,随着功率半导体器件的进展,开关变换器突飞猛进。
到80年代,现代有源功率因数校正技术应运而生,它是在负载的整流电路与滤波电路之间增加一个功率变换电路,这确实是有源功率因数校正(Activepowerfactorcorrection,简称APFC)电路,如图1-2,它将整流器输入电流校正成与电网电压同相的正弦波,排除谐波和无功电流,因此将电网功率因数提高近似为1。
而且具有稳固的直流输入电压。
80年代是现代有源功率因数校正技术进展的低级时期,其间的研究工作主若是基于Boost变换器,围绕持续导电模式或不持续导电模式的理论研究。
90年代以来,有源功率因数校正技术取得了长足的进展。
自1992年起,PESC(IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference)设立了单相PFC专题,这被看做是单相有源PFC技术进展的里程碑。
从此,不断有新颖的功率因数校正原理,拓扑结构及操纵方式显现。
有源PFC操纵器从分体电路进展到集成电路,Unitrode、Motorola、Silicon、Simens等公司接踵推出了各类有源功率因数校正操纵芯片,如:
UC3852、UC3854、UC385五、MC3426一、ML481二、TDA4814等,极大地简化有源功率因数校正电路的设计,PFC技术由理论研究进展到有历时期。
图1-2含有PFC的AC/DC变换电路
最近几年来,功率因数校正技术的研究热点集中在:
新拓扑的提出、把DC/DC变换器中的新技术(软开关技术和开关电容功率网络等)应用于PFC电路中、新的操纵方式的提出和单级PFC变换器的研究。
本文研究的要紧内容
本文对单相有源功率因数校正电路进行了较为深切的研究,通过对主电路拓扑及操纵方式的分析与比较,从当选择一种比较有效的主电路拓扑和操纵方式,设计了一个单相有源功率因数校正电路,给出了具体电路参数的计算。
本文研究的要紧内容如下:
1.分析有源功率因数校正的大体原理,对PFC的主电路拓扑进行比较;分析PFC电路的几种操纵方式,总结其特点。
2.对有源两级PFC电路和有源单级PFC电路进行分析;并对无源PFC电路、有源两级PFC电路和有源单级PFC电路的性能进行比较,总结各电路的特点及其所应用的场合。
3.由于在Boost型APFC电路中,升压电路部份的输入电压是由电网交流电通过由四个二极管组成的全桥整流器取得的直流电,它具有100Hz周期转变。
本文就针对这一特殊情形,通过度析Boost型APFC电路在CCM操纵方式下的两种不同的工作模式,推导出计算主电路升压电感的数学表达式。
通过度析该表达式得出了这一类型电路的功率因数(PF)是不可能完全为一而只能近似为一的结论。
又用Matlab软件对电路做了仿真实验,分析比较了在电感取不同值时的输入电流的波形,进一步验证了理论分析的结论。
为同类型电路的设计提供了很有价值的参考。
APFC样机,给出了具体电路参数的计算进程及结果,对其进行了实验,达到了预期的成效。
第二章有源功率因数校正技术
有源功率因数校正原理
有源功率因数校正(APFC)是抑制电流谐波,提高功率因数最有效的方式,其原理框图如2-1所示。
其大体思想是:
交流输入电压经全波整流后,对所得的全波整流电压进行DC/DC变换,通过适当操纵使输入电流平均值自动跟从全波整流后的电压波形,使输入电流正弦化,同时维持输出电压稳固。
APFC电路一样都有两个反馈操纵环:
内环为电流环,使DC/DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同:
外环为电压环,使DC/DC变换器输出稳固的直流电压。
图2-1有源功率因数校正原理图
APFC的工作原理如下:
主电路的输出电压和基准电压比较后,送给电压误差放大器VA,整流电压检测值和电压误差放大器的输出电压信号一起加到乘法器的输入端,乘法器的输出那么作为电流反馈操纵的基准信号,与输入电流检测值比较后,通过电流误差放大器CA,其输出再通过PWM比较器加到删极驱动器,以操纵开关管S的通断,从而使输入电流(即电感电流)的波形与整流电压的波形大体一致,使电流谐波大为减少,提高了输入端功率因数,同时维持输出电压恒定。
APFC主电路的拓扑结构
从拓扑结构上讲,原那么上任何一种DC/DC变换器:
Boost变换器、Buck变换器、Buck-boost变换器、Flyback变换器、Cuk变换器等都可实现上述功能,都可作为PFC的主电路拓扑。
因为不管是哪一种变换器,都是在必然规律的导通比操纵下完成从直流电压到直流电压的变换,故只要选用适合的导通比,实现输入电流跟从全波整流电压、输出稳固直流电压并非难事。
可是在实际应用中,由于PFC是对输入电流进行操纵,因此一样采纳Boost和Flyback变换器,如此电感串联在输入端,电流反馈操纵实质上确实是对输入电流进行操纵。
彼此比较而言,Flyback型PFC尽管易于实现输入、输出间的隔离,但由于隔离变压器磁芯单向磁化,使得其磁通复位操纵困难,变压器利用率低,适用于150W以下的电源和镇流器。
Boost型PFC输入电流持续,储能电感也兼作滤波器抑制RFI和EMI噪声,功率因数高,总谐波失真小,输出电压高,许诺电容贮存更多的电能,能提供更长时刻的掉电爱惜,在整个交流输入电压转变范围内能维持很高的功率因数。
升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变,提高了电路工作靠得住性。
这些优势促使世界上一些电子器件生产厂商开发出许多性能超级稳固靠得住的集成操纵芯片,如UC3854,UC3855,ML4803等,使Boost变换器取得了普遍的应用。
Boost型APFC电路的要紧缺点有:
输出和输入之间没有绝缘隔离;在开关管、二极管和输出电容形成的回路中假设有杂散电感,那么在25~100kHz的PWM频率下,容易产生危险的过电压,对开关管的平安运行不利。
本文采纳的确实是Boost型APFC电路结构。
APFC的操纵方式
在PFC电路中Boost变换器是研究和应用最多的一种变换器。
依照电感电流是不是持续,APFC可分为不持续导电模式(DCM)和持续导电模式(CCM)[6]。
有源功率因数校正的操纵电路必需保证明现输出电压稳固和单位输入功率因数。
为了取得稳固的输出电压,可利用电阻分压网络采样输出电压进行反馈操纵。
对输入电流波形的操纵能够采纳电压跟从和乘法器两种方式实现。
其中乘法器操纵应用较为普遍,它通过引入一个输入电流反馈操纵环,利用模拟乘法器电路来实现将输入电流校正成与输入电压同相位的正弦波,如图2-2所示。
图2-2乘法器操纵
由于输入电流总会带有一些高频纹波,因此必需决定电流反馈点从那里选取,由此产生了二种电流持续操纵方式。
现以Boost功率电路为例说明这二种方式的大体原理,假设电路工作模态为CCM(电感电流持续)。
峰值电流型操纵(PeakCurrentModelControl)
峰值电流型操纵如图2-3所示。
其特点为:
开关管在恒定的时钟周期导通,当输入电流超过基准电流Iref(由乘法器输出供给)时,开关管关断。
取样电流来自开关电流或电感电流。
电流基准为双半波正弦电压,令电感(输入)电流的峰值包络线跟踪输入电压的波形。
使输入电流与输入电压同相位,并接近正弦。
当电感电流峰值按工频转变,从零转变到最大值时,占空比慢慢由大到小。
即半个工频周期内,占空比有时大于,有时小于;因此有可能产生次谐波振荡。
为了避免此现象的发生,必需在比较器的输入端增加一个斜率补偿函数(slopecompensation)或称斜坡(ramp)补偿函数。
以便在占空比转变范围内,电路能稳固工作。
图2-3峰值电流型操纵
峰值法的优势是可实现恒频操纵:
开关电流定额小;电流有效值小;EMI滤波器小。
缺点:
电感电流的峰值与高频状态空间平均值之间的误差,在必然条件下相当大,以至无法知足使THD很小的要求。
另外,峰值对噪声相当灵敏。
电流滞环型操纵(HysteresisCurrentControl)
电流滞环操纵如图2-4所示。
开关导通时电感电流上升,上升到上限阀值
时,滞环比较器输出低电平,开关管关断,电感电流下降,下降到下限阀值
时,滞环比较器输出高电平,开关管导通,电感电流上升,如此周而复始工作。
取样电流来自电感电流。
为了实现正确的操纵,其操纵电路需加滞环逻辑操纵器,逻辑操纵器的特性,和继电器特性一样、有一个电流滞环带(hystereticband)。
优势:
功率因数高:
开关电流定额小:
电流有效值小:
输入电流失真小。
缺点:
负载人小对开关频率阻碍专门大,由于开关频率转变幅度大,设计输出滤波器时,要按最低开关频率考虑。
因此无法取得体积和重量最小的设计。
图2-4电流滞环型操纵
平均电流型操纵(AverageCurrentModeControl)
平均电流型操纵在功率因数校止中应用最为广泛,如图2-5所示。
它把输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积作为基准电流。
而且电流环调节输入电流平均值,使其与输入整流电压同相位,并接近正弦波形。
平均电流型操纵将电感电流信号与锯齿波信号相加。
当两信号之和超过基准电流iref时,开关管关断,当其和小于基准电流iref时,开关管导通。
取样电流来自实际输入电流(电感电流)。
特点:
工频电流的峰值是高频电流的平均值,因而高频电流的峰值比工频电流的峰值更高,THD很小,对噪声不灵敏,电感电流峰值与平均值之间的误差小。
原那么上能够检测任意拓扑、任意支路的电流,并且在CCM和DCM两种工作模式都能够用。
图2-5平均电流型操纵
以上三种PFC操纵方式的大体特点如表2-1
表2-1经常使用的三种PFC操纵方式
控制方法
检测电流
开关频率
工作模式
对噪声
适用拓扑
注
电流峰值
开关电流
恒定
CCM
敏感
Boost
需谐波补偿
电流滞环
电感电流
变频
CCM
敏感
Boost
需逻辑控制
平均电流
电感电流
恒定
任意
不敏感
任意
需电流误差大
有源功率因数校正的两种电路
有源PFC技术变换器工作在高频开关状态,具有体积小、重量轻、效率较高和公率因数高等特点。
从不同的角度看,对有源PFC技术有很多种分类方式。
从电路结构上划分,有源PFC可分为两级PFC电路和单级PFC电路。
两级PFC电路
两级PFC电路通过量年大量的研究,相对来讲比较成熟。
图2-6(a)为两级PFC电路的方框图。
它由两个彼此独立的变换器别离实现输入电流整形和输出电压调剂。
前级为PFC级,通常采纳Boost变换器实现输入电流整形,其输出电压为储能电容C的电压U,U的转变范围一样为380~400V。
U再通过DC/DC变换器实现隔离和变换,取得直流输出电压。
DC/DC变换器实现对输出电压的快速调剂。
图2-6有源两级PFC电路方框图(a)和输入交流电压、电流与占空比(b)
图2-6(b)是两级PFC电路的输入交流电压UN、电流iN与占空比转变波形。
PFC的占空比dPFC在半个交流周期内随输入电压转变,最大可为1,使输入电流跟从输入交流正弦电压波形,能够使输入电流接近正弦。
稳态工作时,由于DC/DC变换器输入输出电压恒定,因此DC/DC变换器的占空比dPFC是恒定的。
两级PFC电路的校正成效比较理想,其优势是:
THD低、PF高、PFC级输出电压恒定、维持时刻久、输入电压范围宽、应用于各类功率应用范围等。
缺点是:
至少需要两个开关管和两套操纵电路,增加了本钱,电路复杂,体积大。
这些缺点使得两级PFC电路不适合于低功率应用,如200~300W以下的功率范围。
因此最近几年来有许多单级PFC电路被提出来。
单级PFC电路
单级PFC电路是把PFC级和DC/DC级组合在一路,只用一个开关管和一套操纵电路,同时实现输入电流整形和输出电压的快速调剂。
其方框图如图2-7(a),输入交流电压UN、电流iN。
与占空比波形如2-7(b)。
储能电容C0用来平稳PFC级和DC/DC级之间瞬时不相等的能量。
事实上,操纵电路只对输出电压进行快速调剂。
因此单级PFC变换器工作在稳固状态时,在半个交流周期里占空比大体不变。
因此,在固定占空比下,要求电感能够自动实现输入电流整形。
总的来讲,单级PFC的性能(THD和PF)比无源方案要好,但不如两级PFC方案。
但IEC1000-3-2标准对功率因数没有要求,只有电流谐波知足该标准即可。
图2-7有源单级PFC电路方框图(a)和输入交流电压、电流与占空比(b)
很多单级PFC拓扑能够直接从两级PFC拓扑通过简单的组合取得,在所有的PFC变换器中,瞬时输入功率在一个交流周期里都是脉动的,而后接的DC/DC变换器的输出功率是恒定的。
因此,任何PFC电路都必需有一个储能电容存储这些不平稳的能量。
但是不同于两级PFC变换器,在单级PFC变换器里,操纵器只调剂输出电压,不调剂储能电容上的电压U0。
因此U0不是一个恒定值,U0随着输入电压和负载的转变而转变。
电压转变范围大,阻碍了变换器的性能,同时为了知足维持时刻的要求,需要大容量和高耐压的电解电容。
电解电容的价钱和尺寸随容量增加,因此要在价钱、减少开关管和操纵器所节约的本钱和电容增加的体积、本钱之间折衷。
第三章APFC电路设计
在拓扑结构必然的情形下,主若是依照所设计电路的各项技术指标来设计和选择器件。
本文所研究的Boost电路的要紧技术指标如下:
额定输出功率P0:
250W
交流输入电压范围UN:
80~270V
输入电压频率范围
:
47~65Hz
输出直流电压U0:
400V
开关频率
:
100kHz
主电路设计
3.升压电感的设计
电感电流的最大峰值出此刻交流输入电压最低且满载时:
(3-1)
许诺电感电流有20%的波动,那么:
(3-2)
电感电流显现最大峰值时的占空比为:
(3-3)
升压电感值为:
(3-4)
四舍五入取1mH。
输出电容的选择
选择输出电容时要考虑开关频率纹波电流、二次谐波电流、直流输出电压、输出电压纹波、维持时刻。
流过输出电容器的
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- 单相 单位 功率因数 整流器 研究 开发