有源功率因數(shù)電路的設(shè)計(jì)

1、一、引言1.1課題研宄背景及意義隨著計(jì)算機(jī)的廣泛運(yùn)用以及高尖端科技的出現(xiàn)，這些系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)的供電質(zhì)量 提出了更高的要求，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)用ups不間斷電源供電，可以使得在工 作期間的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橥蝗粩嚯妼?dǎo)致ram中的重要數(shù)據(jù)丟失，避免了不 必耍的麻煩，更為主耍的是ups電源可以避免計(jì)算機(jī)系統(tǒng)因電源中斷而整體癱 瘓。ups不僅可以連續(xù)不斷的向負(fù)載提供電能使其電壓和頻率都工作在一定正常 范圍內(nèi)，并丑可以抑制輸出回路屮的干擾。ups不間斷電源的主要作用是在輸入冋路斷電吋將電池的電能逆變成交 流電提供給負(fù)載并且有穩(wěn)頻穩(wěn)壓的作用。當(dāng)電源恢復(fù)正常后，輸入回路會(huì)繼續(xù)向 負(fù)載提供電源并且同時(shí)向蓄電池組進(jìn)

2、行充電。其基本原理是把電網(wǎng)中的交流電在 經(jīng)過濾波器整流以后變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)過逆變器再轉(zhuǎn)換成交流電，蓄電池組在 電網(wǎng)功能的同時(shí)將一定量的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存并保持著一定的充電電 壓，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障而中斷供電時(shí)，蓄電池組會(huì)立即為逆變器供電，這樣就保證 了不間斷的輸出交流電，其供電時(shí)間的短由儲(chǔ)能多少來決定。典型的晶體管式 ups不間斷電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：按照逆變器的不同工作狀態(tài)ups不間斷電源可以分為兩種形式，即在線式 和后備式：(1)在線式：在線式是指在市電正常工作吋，是以交流一整流一逆變器這樣的流程 方式對(duì)負(fù)裁進(jìn)行提供交流電；當(dāng)市電發(fā)生故障而中斷時(shí)，則會(huì)以蓄電池組一逆變器的這種 工作方

3、式對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障，則由控制器使旁路開關(guān)將市電接在負(fù)載上,(2) 在逆變器排除故障后，再恢復(fù)逆變器對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。(3) 后備式，后備式指的是當(dāng)市電在正常情況下提供電能時(shí)，市電直接為負(fù)載提供電 能：在市電中斷后，蓄電池組才會(huì)為逆變器提供電能，由ups的逆變器為負(fù)載進(jìn)行提供交 流電。當(dāng)單臺(tái)ups不間斷電源能夠?yàn)槿控?fù)載提供電能時(shí)，其連接方式較為簡(jiǎn)單，如閣所 矗不：市電輸入幵關(guān) ups瑜出開關(guān)負(fù)載市電輸入幵關(guān)輸出開關(guān)輸出什又兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的ups不間斷電源的總?cè)萘勘蓉?fù)載總?cè)萘恳?，且該系統(tǒng)會(huì)比負(fù)載 的總?cè)萘慷嘁慌_(tái)ups不間斷電源的容量，任何一臺(tái)不間斷電源發(fā)生故障時(shí)，其余的仍然可

4、以繼續(xù)供應(yīng)全部負(fù)載，這樣的方式稱為并聯(lián)有備份方式，連接方式如圖：一検出幵關(guān)負(fù)載r埔入開關(guān)瑜入開關(guān)當(dāng)ups電源附帶的負(fù)荷超過限度或者逆變器能部件出現(xiàn)故障，ups電源將會(huì) 由旁路直接提供電能。當(dāng)然，ups不間斷電源冋樣存在著不足：(1) 插件的數(shù)量比較多，這使得硬件的成木也會(huì)相應(yīng)變高。(2) 許多潛在故障不會(huì)輕易地暴露。元器件較多，元器件老化以及偶爾的 故障發(fā)生率較高，客戶對(duì)于故障的奔找和修理恢復(fù)運(yùn)行比較困難。(3) 由于ups電源的檢測(cè)特性還僅限于模擬輸出量的測(cè)量值或者用于出發(fā) 聲音和感光報(bào)警器的繼電接點(diǎn)，并乜它只具備少量的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)能力，客戶只能通 過有線的儀器很難確定ups故障，這也使維修有了

5、很大的困難度。(4) 每一款型號(hào)的ups電源都耍設(shè)計(jì)新的硬件電路，這樣，不修改硬件部 分的ups升級(jí)是很不現(xiàn)實(shí)的，所以其通用性較差。1.2 ups發(fā)展趨勢(shì)隨著科技的進(jìn)步，ups的技術(shù)已經(jīng)比較快速的發(fā)展。在許多新的領(lǐng)域， 如金融，證券，航空，電信，電視，辦公&動(dòng)化，ups提出的更新更高的要 求，這無疑推動(dòng)著ups技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。1.2.1高頻逆變器在技術(shù)方面，基本的微電子技術(shù)，電力電子，用作絕緣柵雙極晶體管逆變 器功率器件的新一代ups產(chǎn)品的開發(fā)自動(dòng)控制技術(shù)。由于頻率增加，逆變器 損耗和ac濾波器的損耗的大大減少，所以逆變器的效率可以得到改善。為 2050赫茲的igbt的開關(guān)頻率，在顯

6、著提高了逆變器的性能吋，輸出電壓 的諧波含量減少，同時(shí)也提高了 ups和電流峰值因數(shù)的輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同 時(shí)，高頻率的igbt逆變器，減少了能量存儲(chǔ)裝置的大小和重量，從而減少機(jī) 器的尺寸和重量，節(jié)省占地空間，降低了機(jī)器的噪聲和成本。1.2.2小型化傳統(tǒng)的ups輸出通過變壓器，由于硅鋼片的性質(zhì)高頻變壓器的尺寸和重 量很大。在最近幾年，己經(jīng)出現(xiàn)的中小型ups不間斷電源無輸出變壓器的單相 輸出，顯著降低其重量。逆變器沒有輸出變壓器，它需要一個(gè)高頻變壓器的輸入 端，用于輸入匹配，并且電池和逆變器之間需要直流轉(zhuǎn)換器。為了把交流電轉(zhuǎn)換 成逆變器和蓄電池組需要的直流電壓，使ups有高的輸入功率因數(shù)和低的輸

7、入電流失真度，成為綠色功率變換器，近年來，ups輸入交直變換器采用了有 源功率因數(shù)校正電路。1.2.3智能智能的目的是方便管理，提高工作效率，目前的ups容量不僅多了很多， 而且筲能程度越來越高，不僅可以指向監(jiān)控和語音控制，還可以聯(lián)網(wǎng)的多點(diǎn) 監(jiān)控。ups除了其三大基本功能（調(diào)節(jié)，濾波，不間斷）外，逐漸增加自 我監(jiān)控，外部（打電話，發(fā)個(gè)短信）報(bào)警，集中監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)控，切換器， 電池自動(dòng)補(bǔ)償和檢測(cè)，功耗低，直接并機(jī)，對(duì)供電電網(wǎng)程線性載荷，相當(dāng)于 非線性負(fù)載的輸出，共享與電池或分用電池組的功能點(diǎn)。屮小型ups的ac / dc和dc / ac轉(zhuǎn)換器大多是模擬控制電路，dc - dc 轉(zhuǎn)換器控制芯片大多

8、己集成，使用方便，工作可靠。dc/ac逆變器有兩種基本方式：?jiǎn)?，雙回路控制閉環(huán)控制。單回路控制電路簡(jiǎn)單，但難以實(shí)現(xiàn)輸 出短路自恢復(fù);雙閉環(huán)控制具有內(nèi)部和外部的電壓電流，電壓調(diào)節(jié)器的輸出電 流調(diào)節(jié)器的給定，從而限制電流給定幅度將限制逆變器最大輸出電流。電流 調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器可以顯著提高了 ups的動(dòng)態(tài)性能。數(shù)字控制已成為新的主流ups控制技術(shù)，數(shù)字控制器具有精度高，強(qiáng)抗干擾 能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)ups的檢測(cè)，故障診斷和隔離，ups的遙控，遙測(cè)，多 臺(tái)并聯(lián)ups和熱插拔，容易實(shí)現(xiàn)電池監(jiān)控和管理。即，ups計(jì)算機(jī)的介入具 有智能，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)。數(shù)字pwm技術(shù)是數(shù)字控制技術(shù)的核心，用于

9、保證ups輸出電壓，這是 為了確保輸出電壓，頻率和輸出電壓波形，以滿足技術(shù)規(guī)范的要求，初步實(shí) 現(xiàn)了 ups自的品質(zhì)測(cè)試和自檢操作，故障保護(hù)和故障隔離是數(shù)字控制器的另 一個(gè)重要功能。由于數(shù)字控制器時(shí)，ups控制器硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化，從而簡(jiǎn)化 了生產(chǎn)，使用和保養(yǎng)，而il還提高了可靠性的靈活性。1.2.4并聯(lián)冗余技術(shù)由于數(shù)據(jù)中心的重要性円益顯著，因此電源的中斷會(huì)造成明顯的損壞， 為了實(shí)現(xiàn)電源的高可靠性，多冗余連通性已成為數(shù)據(jù)中心電力的必要手段。 并聯(lián)冗余系統(tǒng)是所有ups模塊的并聯(lián)運(yùn)行的參與和系統(tǒng)有同樣的地位，負(fù)荷 分擔(dān)，其中任何一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，其他獨(dú)立的可自動(dòng)承擔(dān)額外的負(fù)荷，此吋 單個(gè)的故障會(huì)自動(dòng)加載總

10、線脫離系統(tǒng)。顯然，改進(jìn)的并行冗余系統(tǒng)，使維護(hù) 單個(gè)的可靠性變得更容易，整個(gè)系統(tǒng)可以被并聯(lián)連接，在無需中斷電源進(jìn)行 維護(hù)檢修的情況下的負(fù)載，所以使用率是相當(dāng)高的。并行和可熱插拔的ups技術(shù)比開關(guān)穂壓器復(fù)雜。由于可變的交流相序， 頻率，相位，電壓，波形這5個(gè)，當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)格中的任何一個(gè)不一致吋， ups不能投入到電網(wǎng)，而且還通過調(diào)節(jié)電壓和相位必須要實(shí)現(xiàn)同樣的ups輸 出有功和無功功率，電壓和相位，而且調(diào)整不能使電網(wǎng)電壓和頻率偏移。ups交流輸出，所以你不能用一個(gè)二極管來隔離故障的ups，因此要求ups 白我測(cè)試的操作不應(yīng)該只高檢測(cè)率，檢測(cè)速度快和速度的判斷，可快速拆卸 ups故障，以防止大的波動(dòng)并

11、聯(lián)母線電壓，做強(qiáng)免疫力，防止雜散信號(hào)切除 正常的ups。因此，ups的并聯(lián)有三個(gè)主要方面：一是自動(dòng)ups電源的正 常工作，二是有功電流和無功電流分配之間的ups并聯(lián)運(yùn)行;第三，如果ups 故障，應(yīng)于故障設(shè)備的情況下被快速除去不干擾電網(wǎng)。1.2.5環(huán)保ups的影響主要是輸入功率因數(shù)，效率和系統(tǒng)噪聲的環(huán)境因素。傳統(tǒng)雙 轉(zhuǎn)換ups批量標(biāo)準(zhǔn)的六脈波整流器輸入電網(wǎng)控制的干擾，由于電路結(jié)構(gòu)和該 產(chǎn)品的系統(tǒng)效率低，對(duì)環(huán)境有污染的形成。由于排風(fēng)扇應(yīng)用于ups的冷卻， 強(qiáng)大的氣流會(huì)發(fā)出砰的一聲，環(huán)境噪聲污染的形成。1.2.6系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成是在ups應(yīng)用中的一大發(fā)展,其含義并不是指ups木身的融合， 而是作為網(wǎng)

12、絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施（ncpi ）是其職權(quán)超出了單個(gè)功能的功率 參考不可分割的一部分，但與配電，制冷，it機(jī)架，布線（電源和數(shù)據(jù)電纜）， 管理和it服務(wù)，以確保形成一個(gè)良好的環(huán)境正常運(yùn)行。1.3主要研宄內(nèi)容在查閱了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)ups的整體結(jié)構(gòu)以及工作原理做了分析， 主要概括如下：1）、分析了 ups的發(fā)展現(xiàn)狀以及將來趨勢(shì)，尤其重點(diǎn)分析了 ups的原理以及 構(gòu)成2）、了解各種提高ups功率因數(shù)的辦法，在平均電流模式控制有源功率因數(shù) 校正技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電流采樣電路，電壓采樣電路等等，并計(jì)算了關(guān) 鍵部件的參數(shù)3）、對(duì)系統(tǒng)采用matlab進(jìn)行丫仿真。二、ups系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1組成部分在線式u

13、ps 般包含一下組成部分：輸入整流濾波電路、功率因素校正電 路、蓄電池組、充電電路、逆變電路、靜態(tài)開關(guān)電路、人機(jī)交互、微控制器，如 圖2.1所示。圖2.1 ups系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1)輸入整流濾波電路在線式ups的整流電路，其意義在于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，這是在為逆變 做準(zhǔn)備。同吋，這些被整流降壓后的直流電也能對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。整流的方 式有兩種，一種是利用可控硅和大功率二極管作為整流器件，有半橋式整流、全 橋式整流、6脈沖整流、12脈沖整流等方式。而另外一種方法則是用隔離變壓器， 在市電降壓過以后再用二極管橋式整流。前者常用于大功率ups，后者用于小功 率ups。整流之后的電信號(hào)只是一個(gè)帶有紋波

14、的直流信號(hào)，除了直流成分以外， 還有交流成分。濾波電路可以抑制整流之后的交流信號(hào)，將帶冇紋波的直流信號(hào)變成平滑的直流信號(hào)。常用的濾波電路有rc濾波，lc濾波等。(2) 功率因素校正電路功率因素pf指的是交流輸入奮功功率p和視在功率s的比值。在ups不間斷 電源系統(tǒng)中，經(jīng)過整流以后的交流輸入信號(hào)直接加到濾波電容和蓄電池兩端，當(dāng) 交流輸入信號(hào)的電壓超過了濾波電容兩端電壓，則濾波電容充電。扎樣會(huì)有脈沖 電流在充電器和電容器之間產(chǎn)生，從而導(dǎo)致高次諧波形成，功率因數(shù)會(huì)下降，同 時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。功率因素校正電路就是為丫提高系統(tǒng)輸入端的功率因素，抑 制高次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾，使得電網(wǎng)輸入電流和輸入電壓接近同

15、相位。(3) 蓄電池組儲(chǔ)能裝置中最常用的是蓄電池組，現(xiàn)在在ups中也得到了廣泛的應(yīng)用，在正 常的市電情況下，對(duì)蓄電池組用直流電進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換。在 市電發(fā)生屮斷時(shí)，ups的能源由蓄電池組提供，將存儲(chǔ)在蓄電池組的電能釋放。 在ups正常工作吋，蓄電池組會(huì)按照連續(xù)浮充方式進(jìn)行充電，這吋的整流器是 和蓄電池組在并聯(lián)工作。整流器供給你變電路輸入信號(hào)，同時(shí)，整流器也同時(shí)將 一部分電流提供給蓄電池組，作為蓄電池組的放電消耗補(bǔ)償。與此同時(shí)，浮充充 電這種方式可以進(jìn)行改善ups瞬態(tài)響應(yīng)。(4) 充電電路ups的充電分為兩個(gè)階段，在充電器初期采用橫流充電的方式，當(dāng)蓄電池組 的電壓達(dá)到浮充電壓之后

16、，充電器改成恒壓充電的方式。根據(jù)ups的功率，充 電電路會(huì)采用可用硅整流器件或者開關(guān)器件。充電方式的切換是由控制芯片完成 的。控制芯片在充電過程中檢測(cè)兩個(gè)物理量：電池電壓和電池電流。通常，充電 器的工作是獨(dú)立于逆變器的，只要ups的電源接通，充電電路就處于工作狀態(tài)， 開始為蓄電池充電。(5) 逆變電路整流后的直流經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電源，電源傳送到負(fù)載。除了 ac逆變器 沖高后，浪涌，諧波干擾和不穩(wěn)定電源的其他因素。逆變器的主要部件是igbt 功率器件，微處理器通過spwm波驅(qū)動(dòng)igbt ,輸出交流信號(hào)，使用隨機(jī)提供的 負(fù)載濾波后(6) 靜態(tài)開關(guān)作為逆變器開關(guān)器件和旁路靜態(tài)開關(guān)只需要轉(zhuǎn)換的作用，

17、同時(shí)也有效地保護(hù) 丫逆變器和負(fù)載。當(dāng)ups不間斷電源輸出過載時(shí)，幵關(guān)會(huì)保護(hù)靜態(tài)逆變器將電 力負(fù)荷的電力供應(yīng)。如果逆變器發(fā)生故障，以保護(hù)負(fù)載，靜態(tài)開關(guān)將被轉(zhuǎn)換到主 電源向負(fù)載供電。ups采用低功率繼電器為靜態(tài)開關(guān)。（7）微處理器微處理器是ups的心臟，在ups中起著整體控制作用，是整個(gè)機(jī)器的控制 屮心，它主要由spwm輸出波形驅(qū)動(dòng)igbt , adc通道系統(tǒng)上的各種采樣參數(shù), 包括中輸入信號(hào)吋，電壓反饋信號(hào)，電流和頻率，電池充電電壓和充電電流等參 數(shù)2.2功率因素的定義功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是電氣設(shè)備系數(shù)的效率 的量度。功率因數(shù)低，表明該電路是用來轉(zhuǎn)換交流電的無功功率的

18、磁場(chǎng)，電力線 損耗增大，所以電力部門對(duì)于電力的功率因數(shù)單元有一定的標(biāo)準(zhǔn)耍求。在交流電 路屮，相位差（o）的電壓的余弦和電流之間的被稱為功率因子，用符號(hào)cos 小，功率因數(shù)的值是有功功率和視在功率的比率來表示，即，cos<t=p/s的 定義pf=宥功/視在功率=p /vi在ac/dc電路中，輸入電壓為正弦波，輸入電流為非正弦波，有效值為：錯(cuò)誤!未找到引用源。=錯(cuò)誤!未找到引用源。其中，錯(cuò)誤!未找到引用源。、錯(cuò)誤!未找到引用源。、錯(cuò)誤!未找到引用源。分別是電流的基波分量、二次諧波分量、n次諧波分量的有效值。設(shè)電流基波分量落后于電壓角度，根據(jù)功率因數(shù)的定義有：pf=錯(cuò)誤!未找到引用源。=錯(cuò)誤!

19、未找到引用源。錯(cuò)誤!未找到引用源。稱為相移因數(shù)。同時(shí)，定義總諧波畸變（thd）力：thd =錯(cuò)誤!未找到引用源。，錯(cuò)誤!未找到引用源。由以上可以看出thd與畸變因數(shù)的關(guān)系力：錯(cuò)誤!未找到引用源。=錯(cuò)誤!未找到引用源。2.3提高功率因素的辦法目前廣泛使用的提高功率因數(shù)的方法有下面幾種：(1)多個(gè)整流電路：即按照一定的規(guī)則的兩個(gè)或多個(gè)組合屮的整流電路的結(jié) 構(gòu)相同。整流電路換位度量的多個(gè)連接可以減少交流輸入電流的諧波，同吋 釆用順序控制方法的一系列多個(gè)整流電路能改善功率因數(shù)。(2 )被動(dòng)校正方法：無源功率因數(shù)校正電路中的lc濾波器用來增加整流器 的異通角，從而降低了諧波電流，改善功率因數(shù)的單相整流器

20、的整流電路。 他使用，而不是價(jià)格較高的有源器件電容器，電感器，二極管和其他部件。 然而，其效果不冇源功率因數(shù)校正的校正好，只能改善0.7功率因數(shù)0.8,它 一般用在小容量的情況下，并在串聯(lián)連接的電感器中使用這種方法的輸入電 壓大的低音電感，以減小峰值電流進(jìn)行充電的濾波電容，二極管的導(dǎo)通時(shí)間 增加。這種方法簡(jiǎn)單，低成本，高可靠性。但體積大，笨重，以及工作負(fù)載 的變化和輸入電壓變化的性能和頻率有關(guān)。(3 )有源功率因數(shù)校正：他用有源開關(guān)或ac/dc變換技術(shù)，成為輸入電 壓和電網(wǎng)電壓相位的正弦波。它可以得到非常高的功率因數(shù)。而且體積小， 但電路復(fù)雜，成本高，電磁干擾。平均無故障時(shí)間下降，并且他也只能

21、實(shí)現(xiàn) 一個(gè)簡(jiǎn)單的單向流動(dòng)，因此無法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的再生制動(dòng)。有源功率因數(shù)校正己 被廣泛應(yīng)用于幵關(guān)電源，交流不間斷電源等領(lǐng)域。(4)直接矩陣變換器是一個(gè)逆變器電路，開關(guān)電路中被完全控制所使用的設(shè) 備，其優(yōu)點(diǎn)是，該正弦波的輸出電壓，從電網(wǎng)電壓的輸出頻率也可以被控制， 以限制輸入電流是正弦波兒童和相同的電壓，功率因數(shù)為1時(shí)，也可以控制 所需的功率因數(shù)能量的雙向流動(dòng)可以是交流電機(jī)的四象限運(yùn)行，而不是通過 頻率的屮間部分，效率越高。它的缺點(diǎn)也很明顯，作為開關(guān)器件逆變電路， 該電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高，控制方法還不成熟。此外，最大輸入電壓高于 輸出只有當(dāng)輸出電壓為交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比是低的。(5) pwm整流器：pw

22、m整流器技術(shù)是一種中等容量的單位功率因數(shù)變流 器的用途主要技術(shù)。型三相整流電壓和分電流型，電流源可應(yīng)用于大胡子種成熟的技 術(shù)，在電源開關(guān)的頻率要求不高，缺點(diǎn)是不連續(xù)的輸入電流，輸出電壓紋波 的業(yè)務(wù)流拓?fù)洳⒉淮箅妷涸磧x器可用于控制各種適當(dāng)?shù)牟呗裕⒛軐?shí)現(xiàn)能源， 其主要優(yōu)點(diǎn)腳響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于抑制電磁干擾的雙向流動(dòng)。因此 較為常用的三相整流電壓類型。其控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：獲得較高的功率 因數(shù)，大約有0.970.99，總諧波失真低，可工作在很寬的輸入電壓范圍 內(nèi)，體積小，重量輕3.1有源功率三、有源功率:電路的選擇:電路的設(shè)計(jì)有源功率因數(shù)校正技術(shù)apfc(active power fact

23、or correction)伴隨著開關(guān)電源變換技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)。輸入電流升壓型apfc電路必須強(qiáng)迫或調(diào)節(jié)到相同的輸入電壓成正比，需要控制輸入電流反饋信號(hào)，可以是峰值電流模式控制，滯環(huán) 電流模式控制和平均電流模式控制。峰值電流模式控制異有低增益，寬帶寬的電 流回路，這通常是不適合高性能有源功率因數(shù)校正，因?yàn)樵谛盘?hào)和電流調(diào)節(jié)，這 將產(chǎn)生失真和低功率因數(shù)之間的嚴(yán)重錯(cuò)誤;滯環(huán)電流上的大的體積和重量，不能 以最少的設(shè)計(jì)中獲得的負(fù)載的開關(guān)頻率的大小的控制，由于影響;而平均電流模 式控制的升壓功率電平周圍使用小放大器的輸入電流來調(diào)整跟蹤誤差信號(hào)的反 饋環(huán)，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，而且比較容易控制，恒頻電流控制，高穩(wěn)

24、定性，低失真， 對(duì)于中，大功率幵關(guān)電源是比較合適的。木章首先分析了平均電流控制工程升壓 apfc電路的類型，然后將其小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上。比較起來，升壓apfc具有高 功率因數(shù)，電流波形畸變，輸出電壓越高顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，該功率因數(shù)校正電路 的選擇提高主電路。l圖3-1 boost有源功率因數(shù)校正原理圖據(jù)有關(guān)apfc控制，結(jié)合自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的介紹，我們選擇來控制平均電 流模式控制方案的ccm ,和uc3854集成芯片的設(shè)計(jì)和構(gòu)建的仿真模型的參數(shù)。 的unitrode uc3854是美國(guó)的公司開發(fā)的升壓apfc平均電流控制1c，兵有高帶 寬，高輸入電流跟蹤能力等。有源功率因數(shù)校正電路兩者的整流器和

25、電壓調(diào)整器的功能，這需要整流器輸 入功率因數(shù)為1吋，穩(wěn)壓器的輸出電壓的穩(wěn)定性要求。出于這個(gè)原因，pfc電 路的電壓和電流應(yīng)引入以形成一個(gè)反饋環(huán)路控制系統(tǒng)，外環(huán)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出 電壓，輸入電流整形內(nèi)實(shí)現(xiàn)，使得在相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波與輸入電壓。其基本原理都boost功率因數(shù)校正電路。圖中顯示的有源功率因數(shù)校正升壓 原理圖3-1。主電路由一個(gè)單相橋式整流器和dc/dc轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，所述控制電 路括一個(gè)參考電壓和電壓誤差放大器va，乘法器m，電流誤差放大器ca，脈 沖寬度調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)器等部件，之負(fù)載可以是一個(gè)開關(guān)電源。升壓型apfc的工作原理如十*:當(dāng)主電路的參考電壓進(jìn)行比較，輸出電壓， 輸入到電壓誤差放大

26、器，電壓誤差放大器的輸出與施加到公共乘法器整流輸入電 壓時(shí)，乘法器的輸出作為反饋控制的電流參考值，輸入電流和所檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn) 行比較，誤差放大器的一個(gè)輸入電流和pwm驅(qū)動(dòng)器和施加到控制開關(guān)s處于關(guān) 閉狀態(tài)，以使輸入電流（即，電感器電流）輸入電壓的整流器的相位基本波形， 以便大大減少電流諧波，改善輸入功率因數(shù)，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定。3.2 apfc電路的參數(shù)設(shè)計(jì)本文說研允的單相boost有源功率因數(shù)校正器，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入交流電壓 : 80-2701/輸入頻率,：50hz 輸出直流電壓4001/開關(guān)頻率乂： 100khz輸出功率p: 500w 功率因數(shù)pf: >0.99功率因數(shù)校正主要

27、實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：控制輸入電流波形，使其跟蹤輸入電壓波 形，從而得到高輸入功率因數(shù)；為后一級(jí)電路提供平滑的直流電壓。3.2.1主電路設(shè)計(jì)(1)升壓電感起著線路電感的能量傳遞，存儲(chǔ)和過濾的效果，并且確定的高頻紋波電流的 輸入量，并因此限制了電流紋波按照最小電感值的原則來確定。考慮最壞的情況: 最大輸出功率，輸入電壓降到最低。在這種情況下，最大輸入電流紋波是最大的， 以確保在這種情況下，輸入電流紋波和仍然滿足要求，電感器的設(shè)計(jì)應(yīng)在輸入電 壓的最低點(diǎn)來計(jì)算。設(shè)最人峰值電流為: x500 808.84(a)式中，設(shè)置允許的最大電感電流紋波，通常選擇的最大峰值在大約20%的線電流， 這使得當(dāng)最大峰值電感電流

28、是通過在輸入電壓峰值時(shí)間確定發(fā)生從20%占空 比，電感電流的波動(dòng)的，峰值輸入電流應(yīng)達(dá)到的最大電流波動(dòng)時(shí)，因此，應(yīng)在最 小輸入電壓的峰值點(diǎn)處計(jì)算占空比，有騙in :400_人><80二071 v,400計(jì)算升壓電感值為：£v,minxd = 72x80x0.71 =xxa/, 100000x1.8本設(shè)計(jì)屮l實(shí)取值為0.5mho (2)輸出電容旨在滿足吋間標(biāo)準(zhǔn)的要求。保持吋間之后是輸入電源關(guān)閉吋，吋間的長(zhǎng)度輸 出電壓保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。持續(xù)時(shí)間是下面的電參數(shù)的函數(shù)：存儲(chǔ)在輸出電 容，負(fù)載功率，輸出電壓，最小電壓，以使工作負(fù)荷的能量的總和。所以用維持 時(shí)間ar來確定輸出電容值

29、的計(jì)算公式為：(3-1)2qzul、-"二n)取/v為36ms，則_ 2x500x0.036 4002 -3502=960/f電容c取值為960/f。(3)電流取樣電m通常有兩個(gè)電流檢測(cè)的檢測(cè)方法，逆變器的接地電阻器和與其串聯(lián)的一個(gè)樣 本來檢測(cè)輸入電流或具有兩個(gè)電流互感器即返回側(cè)。使用低輸入電流取樣電阻， 以檢測(cè)比電流互感器的成木，它主要是用在電源和輸入電流小的場(chǎng)合。因此，設(shè) 計(jì)的選擇，用于檢測(cè)輸入電流取樣電阻的方法。電流取樣電阻的電壓降通過電流 環(huán)路的調(diào)節(jié)電流采樣信號(hào)輸入時(shí)，輸入電流為正弦波形狀。電流取樣電阻/?、.上 的電壓的典型值為v、=1.0v。求出 k(max)= ipk

30、+ a/2 = 8.84+ 0.9 = 9.74(a)電流取樣電阻值/?、=1/伙=1/9.74 = 0.1(，選取0.15q峰值檢測(cè)電壓的實(shí)際值心=8.84x0.15 = 1.3(v)。(4)功率幵關(guān)管和二極管當(dāng)電源開關(guān)接通時(shí)，二極管的反向阻斷，通過電感器的電流開關(guān)的電流，反 向電壓的二極管上的輸出電壓;當(dāng)電源開關(guān)被關(guān)斷時(shí)，二極管被正向，開關(guān)上的 輸出電壓電壓時(shí)，電感電流通過二極管的電流。因此，選擇的電源開關(guān)和二極管 時(shí)，額定電壓必須大于輸出電壓，額定電流必須大于最大電感電流。電壓考慮 1.2倍的安全裕量，電流考慮1.5倍的安全裕量，則1.2x400 = 480v, /cew)1.5/l(m

31、ax) = 1.5x8.84 = 13.26/u3.2.2控制電路的設(shè)計(jì)(1)控制電路的建模1) 電流調(diào)節(jié)器的建模電流控制環(huán)由電流誤差放大器、pwm比較器和功率級(jí)組成，電流環(huán)的結(jié)構(gòu) 圖如圖3-2所示。圖中g(shù)ea (5)是電流誤差放大器的傳遞函數(shù)，是脈沖寬 度調(diào)節(jié)器pwm的傳遞函數(shù)，表示主電路上&兩端電壓受占空比d控制的小信號(hào)傳遞函數(shù)。功率級(jí)傳遞函數(shù)：=巡，萬=叢(3.2) don(s)sl sl式屮vscy)為取樣電阻&上的電壓，為功率電路輸出電壓，l為功率電路 電感。pwm比較器的傳遞函數(shù)為:pwm (3-3)_ 丄其中vs為振蕩器斜坡電壓峰峰值。uc3854中的v5s5.2

32、v。電流誤差放大器及其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示，根據(jù)虛短、 理，可求其傳遞函數(shù)為：穴cz c(；z_ k' r|ty + l虛斷的原(3-4)rcccz ccps s 2s + t = rczccz t2= rc7ccp o式中&rciccz 2)電壓調(diào)節(jié)器的建模電壓環(huán)由電壓誤差放大器和升壓級(jí)組成，結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示圖3-5電壓誤差放大器電壓誤差放大器如閣5-5所示，傳遞函數(shù)為:(5)rvf 1 二 k2尺vi+ 175* + 1(3-5)式中廠rvfvi按照輸入功率表示的升壓級(jí)傳遞函數(shù)為pln _ k 3gb»sc(yoxvvea s(3-6)式屮，是包括乘

33、法器、除法器、平方器在內(nèi)的升壓級(jí)增益，為平 均輸入功率，c。為輸出電容，avve，是電壓誤差放大器的輸出電壓范圍(avve,=4v) v；是輸出直流電壓，。c,kxavve4(2)電流調(diào)節(jié)器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì) 1)開關(guān)頻率點(diǎn)的電流誤差放大器增益計(jì)算因電感電流下斜在檢測(cè)電阻上的電壓，然后除以開關(guān)頻率，用/?、.代替 電流互感器(/?v/ao,方程式為：(3-7)即 av/<s. = (400 x 0.15)/( 0.0005 x 100000) = 1.2(v斤)，該電壓必須等于v、的峰峰值，即定時(shí)電容上的電壓(5.2v)o則誤差放大器 的增益為：gq =v4/avs =5.2/1.2 =

34、4.3。2 )反饋電阻器，設(shè)/?ei等于/,: /?ei = /?,n() = 4f2 ,rcz = gca x rci = 4.3 x = 17.2h1。 3)電流環(huán)穿越頻率/e/f = voxr、xrcz jci vs x2£x/?cl代入數(shù)值得/q. =15.8ahz4)零點(diǎn)補(bǔ)償電容cez(3-8考慮到電流環(huán)路的截止頻率設(shè)在15.8rhz, 截止頻率，即在環(huán)路的截止頻率值頻率設(shè)零點(diǎn),相位容限為45 則零點(diǎn)補(bǔ)償電容零點(diǎn)頻率等丁qz =2d 27rxl5.skxll.2k=586 pf取 620pfo5)極點(diǎn)補(bǔ)償電容c,cp極點(diǎn)頻率至少高于功率開關(guān)切換頻率的一半，即極點(diǎn)必須在乂/2

35、以上，則極點(diǎn)補(bǔ)償電容為:ccp =27tfsrcz 2x100x17.2/:92 pf取 92/?f。(3)電壓調(diào)節(jié)器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)1)輸出紋波電壓主電路的輸出紋波電壓由下式給定，式中厶是二次諧波紋波頻率:opk2(v)50027rf'rcov()2/r x 100 x 960廠 x 4002) 放大器的輸出紋波電壓和增益為了使av減小到電壓誤差放大器輸出所允許的紋波電壓，應(yīng)按如k關(guān)系設(shè)置電壓誤差放大器在二次諧波頻率點(diǎn)上的增益值:gva =opk按規(guī)定取交流輸入電流的三次諧波為3%,(3-9)電壓誤差放人器輸出端占1.5%，且該端口的電位對(duì)于 uc3854 而言，avv40 = 5-

36、1 = 4,故= 4x0.015/2 = 0.03 o3) 反饋網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值0.103/f已知gva，可求出電壓誤差放大器反饋回路屮的元件cv,.值，rvigva2兀 x 100 x 511z: x 0.03式中厶為工頻的二次諧波頻率，/?v,，的值是一個(gè)適當(dāng)?shù)娜我庵担话闳vl = 511h2。4) 設(shè)置直流輸入電壓，利用，可得rvd= rv,vref/(vo- vref) = 51r x 7.5/(400 7.5) = 9.8h2，取 10k q。5) 求出極點(diǎn)頻率6)求尺a-fvivfpt.avvao xvoxrvi xcoxcvfx (2)5004x400x51 rx960px0.10

37、3/zx(2)2rvf27ifvl cvf2tt x 12.5 x 0.103/(3-10)12.5hz12偏有源功率因數(shù)電路的仿真分析4.1 matlab 簡(jiǎn)介在本文中，matlab6.5軟件平臺(tái)模擬。math works公司的matlab是美國(guó)的公司 推出丫矩陣計(jì)算科學(xué)計(jì)算軟件，它利用思想的開放開發(fā)，在數(shù)值計(jì)算，圖像處理, 數(shù)據(jù)分析和工程設(shè)計(jì)仿真等方面極為廣泛，它內(nèi)置了豐富的庫(kù)函數(shù)，具有很高的 編程效率，靈活的程序設(shè)計(jì)，圖形等特點(diǎn)。己發(fā)展成為實(shí)力雄厚的大型軟件一個(gè) 合適的多學(xué)科，多平臺(tái)的工作。matlab產(chǎn)品是一組數(shù)值計(jì)算，先進(jìn)的圖形和 可視化，高層次的編程語言和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真于一體的

38、開發(fā)環(huán)境。得到廣泛 應(yīng)用，包括信號(hào)處理和閣像處理，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，金融，醫(yī)藥等 諸多領(lǐng)域。一個(gè)主要特點(diǎn)是matlab工具箱進(jìn)行許多具體的應(yīng)用，包括一套完整 的功能，為圖像信號(hào)處理，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電力系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。matlab工 具箱是一系列的專業(yè)圖書館，在解決特定領(lǐng)域的問題，工具箱是開放的，可擴(kuò)展 的，可根據(jù)特殊需要來開發(fā)自己的算法。sinwlink中的matlab用于提供動(dòng)態(tài)系 統(tǒng)建模和仿真和支持連續(xù)的，離散的，并ii線性和非線性系統(tǒng)的組合的分析軟件 包。形成了一系列大規(guī)模的，覆蓋面很廣的工具箱，包括控制理論，電力系統(tǒng)， 信號(hào)處理，大量現(xiàn)代工程技術(shù)學(xué)科。sinwlink中為用

39、戶提供了圖形化建模界而， 它與傳統(tǒng)的仿真軟件建模與微分方程和差分方程，以更加直觀，方便，靈活的優(yōu) 點(diǎn)相比。matlab/ simulink的電力系統(tǒng)工具箱spb包括所需的各種電路仿真模型組件，包 括電源模塊，基本電路模塊，電力電子模塊，電機(jī)模塊，連接模塊，電源模塊檢 測(cè)模塊和附加等七大模塊庫(kù)。每個(gè)模塊庫(kù)氈含所有基木組件模型，如功率模塊的 直流電壓源和電流源，交流電壓源，電流源，受控電壓源，電流源，如五大發(fā)電 模式;電機(jī)模塊庫(kù)屮包含各種電機(jī)型號(hào)，如異步電機(jī)，同步電機(jī)，水永磁同步電 機(jī)，功率電子模塊庫(kù)中伍含理想的開關(guān)器件，晶閘管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，gto , 以及其他功率開關(guān)元件的模型。只需將模塊組件

40、simulink的窗口，通過參數(shù)設(shè) 置對(duì)詔框來設(shè)置參數(shù)就町以實(shí)現(xiàn)模擬電力電子電路。本章使用matlab / simulink 的電力系統(tǒng)工具箱模塊apfc電路的設(shè)計(jì)仿真。4.2 apfc主電路的仿真4.2.1主電路的原理圖采用狀態(tài)方程法來推導(dǎo)boost電路的數(shù)學(xué)模型。圖4-1為基本boost型變換 器的主電路。為了確定開關(guān)管和二極管的工作狀態(tài)，引入二進(jìn)制變量a,當(dāng)開關(guān)s導(dǎo)通時(shí)，a=l；當(dāng)開關(guān)s截止時(shí)，a=0。這樣，變量a就可以代表開關(guān)管和二極 管的狀態(tài)，它是二進(jìn)制變量，取值0, 1。kt :ll.lvd±r1圖4-1基本boost型變換器電路當(dāng)開關(guān)管s導(dǎo)通時(shí)，a=l,則(4-1)li=ui，即 u dtdt ldtdt rc(4-2)當(dāng)開關(guān)管s截至?xí)r，a=0,則有、=ulk-llm(4-3)(4-4)將方程（4-1）（4-4）聯(lián)立，運(yùn)用二進(jìn)制變量a,由邏輯代數(shù)運(yùn)算規(guī)則，可 得到一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的狀態(tài)方程。di, u. 1(4-5)clull(4-6)dt rc c即得boost