基于滑模变结构控制的APFC研究.doc

西南交通大学 ：狿甖 西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。靴论搿獬：纭驯仟 西南交通大学硕士学位论文主要工作毕声明 西南交通大学硕士研究生学位论文琣琾， 瑂 瑃 西南交通大学硕士研究生学位论文第籱 目录第滦髀邸 主电路参数设计 西南交通大学硕士研究生学位论文电能的应用是人类文明发展的又一大进步，正是由于人们对电能的开发和应用，才加快了人们进入工业化和信息化社会的脚步。虽然人们对电能的生产、传导和应用方面都取得了惊世骇俗的成就，但是如何更加高效的运用电能仍然是一个亟待解决的问题。电力电子技术的诞生和发展极大的促进了电能的利用和发展，但是随着大量的电力电子装置在工业、家庭和电力系统等领域的应用，也会给电网带来谐波污染，降低电能的质量。其中开关变换器就是一种应用非常广泛的电力电子装置。大部分的电力电子装置都是通过二极管不可控整流电路或者晶闸管相控整流电路直接和的交流电网相接，把电网的交流电压变成脉动的直流电压，整流电路的后面一般连接较大容量的滤波电容。如图所示。由于二极管的非线性和输出滤波电容两端的电压不能突变，所以只有当输入电源电压大于输出电容两端电压时整流二极管才能导通，二极管的导通时间远远小于二极管的关断时间。由此可见在一个整流周期内，虽然输入电压仍为正弦波，但是输入电流却成了周期短、峰值高的尖峰脉冲。这样就会导致输入电流不能和输入电压同步，电流的谐波含量较高。通常这种电力电子装置的功率增加功率因数校正简称环节，势在必行。五 认可，虽然取得了不错的发展成就，仍有很大的发展空间，是电力电子领域研究的热点。 西南交通大学硕士研究生学位论文，来表示【俊可以用总的谐波有效值与基波有效值之比来表示： 西南交通大学硕士研究生学位论文刂剖故淙氲缌髡一耸崩硐胱刺巢A悖雌。功率因数校正电路可以分为无源校正路以及有源校正电路，无源功率因数校正电路通常是由大容量的电感、电容组成的，无源校正的电路结构比较简单，虽然校正效果不如有源校正那么高，但也可以达到左右，广泛应用在小功率场合；有源校正可以实现较高的功率因数，输入电压范围也变宽，成本相对较高。本文主要讨论对象是有源功率因数校正。功率因数校正控制策略有源功率因数校正技术依据输入侧电感电流是否连续可以分为连续工作模式 西南交通大学硕士研究生学位论文图镜腄型功率因数校正电路刂艬的，输出电压通过采样与参考电压进行比较结果送到误差放大器，放大器的输出结 主要工作波形 西南交通大学硕士研究生学位论文滑模变结构控制的发展以及现状发展的真正契机。第一个阶段为上个世纪年 得问题得到圆满解决。 西南交通大学硕士研究生学位论文滑模变结构控制的基本原理分析及设计步骤滑模变结构控制的基本原理是根据系统所希望得到的特性来进行设计系统的切换函数，然后通过滑模控制器使系统从切换面外快速的向切换面运动，当状态轨迹一旦到达切换面，控制作用将会迫使系统状态轨迹沿着切换面运动到系统原点，并且保持稳定，这一运动过程就称作滑模控制。在整个运动的过程中系统的结构会根据实际的控制信号进行不断的变化即为滑模变结构控制。诹力嘏篇篇三三 从上面的方程式子中可以解出甜，由此得到的解甜可以看作是切换面上系统旌加的其中工橇墓饣墒可以得到：琭琭我们在进行滑模变结构控制系统的分析设计时，可以把方程式看作是系统的 下面简单介绍几种常见切换函数： 西南交通大学硕士研究生学位论文下面对一般的系统的切换函数设计作简单的介绍【】。假如系统如下：埃珺蔙埃琗莔维向量。在这 西南交通大学硕士研究生学位论文滑模控制的不变性研究假设下面的二阶系统具有内部参数扰动：我们考虑切换函数如下：一髋屯一直线：鱭弧鬟而所以在滑动模态区域上的各点的坐标应满足一下范围： 会影响滑模运动区域的大小。猘籦考虑系统： 西南交通大学硕士研究生学位论文考虑系统对象：式中：鲋代表系统内部参数的变化，代表外部干扰。如果系统满足如下条件的话，滑模运动具有不变性，即：证明如下：设历，阶以化简为：材吩凹】 西南交通大学硕士研究生学位论文高为炳教授通过利用趋近律的概念，设计了一种减小滑模控制系统抖振的方法，到达过程的良好特性，还可以减小控制信号的抖振。但是如果参数的值过大的话也 控制相结合的控制策略用以实现良好的动态特性和稳态特性。本章首先简要介绍了滑本章小结 西南交通大学硕士研究生学位论文有源功率因数校正的基本理论变换器 西南交通大学硕士研究生学位论文当开关管蘸鲜保蹹因承受反向电压截止，电容蚋涸豏提供能量，极性和输入电压的极性是反向的，输入和输出电流都是脉动的，由于滤波电容的作用 电流是两个电感的电流之和。 西南交通大学硕士研究生学位论文主电路参数设计使用范围； 西南交通大学硕士研究生学位论文为了分析稳态特性，简化推导过程，特作如下几点声明：堋9鼐骞芏既衔J抢硐肫骷茨芄凰布洹暗纪焙汀敖刂，并上。图士9毓躋导通时电路图一一一一，图士9毓躋关断时电路图在开关管囟掀诩洌缏啡缤究9毓躋截止，二极管因承受正向电压 西南交通大学硕士研究生学位论文为二极管两端电压，的为功率管两端电压，A髂剑为断续工作模式。在分析时，除了前面的假设以外，我们可以假定输出电容上的纹波电压与输出电压相比是非常小的，所以认定输出电容电压也是恒定的。 西南交通大学硕士研究生学位论文琹屹电感三蕉说牡缪刮猇较蛴肷细龉鞴滔喾础鞴绺腥的电流也呈下降趋势。他。线怠 同样由电磁感应定律得：当变换器进入稳定状态时，电感电流的上升量与下降量是相等的，即：当时，增益瑅电路是降压变换器； 在设计之初可以先确定电源的开关频率，它和电源设计的很多方面都有相互的联内。步的提高，同时整流二极管反向恢复损耗和的开关损耗将会升高，这样会在 西南交通大学硕士研究生学位论文也就是说要满足以下三个方程式：烘 西南交通大学硕士研究生学位论文当电感髟诹俳缌刺倍鵐酣，所以由式傻玫绺腥的临界值：厶弧磊 西南交通大学硕士研究生学位论文表示为如下式：五害毛心由功率守恒原则和输入输出电压关系式可得： 西南交通大学硕士研究生学位论文当电源输入电压最低的时候，电流的输入最大有效值为：杷舢电感可存储的能量为： 西南交通大学硕士研究生学位论文沓饫锶眩。表磁芯基本参数藤器霈划。，因为帆。停缘绺邢呷脑咽梢匀、匝，气隙庐满足电路密度按有效值拔募扑愕牡绺械缌髯畲笥行滴，所以所需要线圈 导线的截面积为：考虑到当频率较高时集肤效应的影响，当开关频率是时，铜导线的穿透深式校杂谕枷叨裕瑄是导线材料的磁导率，啄籋瑀是铜导线的电导率，在温度是保琾甿，在选择导线的线径时应满足导线线径不大于疚闹醒玫枷咧本妒的铜导线，通过查找手册可，满足设计参数要求。所选磁芯窗口的利用系数如下式所示：即：在选择整流桥型号时要考虑留有一定的安全裕量，型的整流桥电压和 西南交通大学硕士研究生学位论文根据以上的分析本论文中选用公司型号为腘沟道增强型在或者高频开关变换器中作为输出整流用的功率二极管，应该具 该二极管的反向重复峰值电压，正向导通平均电流，反向恢复时间耻，可以充分满足电路的要求。滤波器参数计算除共模干扰信号。丁是共模电感，它是由两组匝数和绕向相同绕在同一磁芯上的导线组成的，该磁芯是具有高磁导率的，但是流经绕组的电流是反向的，所以这两个方向相反的电流在磁芯内部产生的共模交流磁通量相互抵消，因此对共模干扰信号有较好的抑制作用；然而在实际电路中，两个线圈的设计并不一定完全对称，两者就会构成差模电感，和、一起消除差模干扰。在实际应用中、采用聚丙烯金属化薄膜电容，、采用聚丙烯金属化薄膜电容或者高压磁介质电容，无论选用哪种电容都要满足安全要求缪褂和电磁兼容要求萘，并且安全要求优于电磁兼容要求 万，大体上是没有限制的，一般在。属化薄膜电容，电容、选用拇善缛荨。为输出电压，文中为； 西南交通大学硕士研究生学位论文为输出电压的波动，一般取值为；本章小结算，最后完成了功率因数校正电路主电路参数的计算。 控制电路分析及参数设计定的时间内要趋近期望值或者趋于零。切换函数的设计鞯缏吠仄巳缤所示，当开关管导通纪诩洌蹹关断， 西南交通大学硕士研究生学位论文卧螿阻吒扣厶一乞堕出堕出，卧 西南交通大学硕士研究生学位论文。厶均方程：对式进行化简可以得到：旦巧把第三章中计算的参数带入式可得： 西南交通大学硕士研究生学位论文一所以由能控性矩阵：进行幂级数展开可以得到： 一、程：件，经过适当的坐标变换，可以得到降为两阶后的标准型矩阵：么一？跞齗我们不妨设向量魑J淙氲缌骱褪涑龅缪沟牟慰枷蛄浚琗作为它们的实际状态 西南交通大学硕士研究生学位论文矽劲鰓縭粁弧把胧中可得： 当系统在切换面上运动时：可以得到系统的等效控制信号：把式胧可得：；鹨会苄会苄彳。外围控制电路的设计 西南交通大学硕士研究生学位论文 腄 西南交通大学硕士研究生学位论文一上式中：和为的值一般很小，约为；4湓鲆妫琀的传输增益值约为繭。 西南交通大学硕士研究生学位论文拇丰心一流过电阻的电流为斥，由欧姆定律： 西南交通大学硕士研究生学位论文带入式可得：郴，图电压采样电路 西南交通大学硕士研究生学位论文采样隔离电路的设计与电流采样相似在这里不再说明。要目的是保持输出电压稳定，并且根据变换器的输出功率，得到输入电流的参考幅值。和稳定性相比，电压环路更需要做到的是降低输入电流的畸变。由于输出电容端的工频二次谐波不能避免，所以电压环的带宽要设计的足够小，用来衰减输出电容上的工频二次谐波，同时电压环也应该有合适的相位裕量可以在相位上跟踪输入电流，用以提高功率因数。误差放大器的反馈电阻如式所示： 达到稳定状态，并维持在左右，输出纹波电压较小大约为。 西南交通大学硕士研究生学位论文付图输出电压波形 西南交通大学硕士研究生学位论文乏 厂、厂 西南交通大学硕士研究生学位论文八 西南交通大学硕士研究生学位论文獭觯琇 西南交通大学硕士研究生学位论文从仿真波形可以得出，平均电流控制和滑模变结构控制都可以实现功率因数校正的功能，成功使得输入电流跟踪输入电压变化，并且都可以实现对输出电压的调节功能。与滑模变结构控制相比，平均电流控制的动态响应速度相对较慢，到达稳态的时间大约为左右，然而滑模变结构控制到达稳态的时间不到甀赑方面较平均电流控制也有更加好的效果，相比之下滑模变结构控制具有更好的效果。本章小结 西南交通大学硕士研究生学位论文引言 西南交通大学硕士研究生学位论文表实验电路主要元器件参数蹄嬲乘法器芯片波形发生芯片图为变换器的基本原理图其中包括主电路和控制电路，图中光耦部分未画出，和平均电流的双环控制相似，该控制电路也是由两个控制环路组成的双环控制，其中控制输出电压稳定的环路称为电压环。其大致工作过程为：通过采样电阻对输出电压进行采样后，通过运放蟹聪虼砗螅椭廖蟛畹鹘谄鱑来进行输出电压的调节；在平均电流控制中内环称为电流环，主要作用是实现功率因数校正功能，是 西南交通大学硕士研究生学位论文。一“峰值电流为左右。由波形可以看到输入电流波形基本可以跟随输入电压波形，并且保持同相位即输入电流波形也接近正弦波。但是由于作者水平