（电力电子与电力传动专业论文）在线ups中有源功率因数校正电路的研究.pdf

s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho nt h ed i g i t i z e dc o n t r o l t e c h n o l o g yo f o n - l i n eu p s s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e r n a m e：j i ag a o s o n g i n s t r u c t o r ：、il i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h i sp a p e ra i m st od i s c u s st h eo n l i n eu p si nt h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i to f a l l a l l d i g i t a lr e s e a r c h d i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t ，a n i n c r e a s i n gn u m b e ro fc o n t r o ls t r a t e g i e st h r o u g ht h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c a l lb e a c h i e v e d d i g i t a lc o n t r o li st os u p p o r tt h ed e v e l o p m e n to fk e yt e c h n o l o g i e sf o ru p s d i g i t a l c o n t r o lw i t ha n a l o gc o n t r o lh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dt o ，f o re x a m p l e ，m e a n sc o n t r o li s s i m p l e ra n dm o r ef l e x i b l ec o n t r o lm o d e ，t h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo fam o r es t a b l e ，t h e r ei sn o z e r od r i f t ，t h es t a b i l i t yo ft h es t a t i co p e r a t i n gp o i n t ，c a nb ei n t e g r a t e da n ds m a l l ，a n ds oo n i nt h i sp a p e r , t h ea v e r a g ec u r r e n tm o d ec o n t r o lo fa c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t e c h n i q u eb a s e do nt h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lv o l t a g el o o p ，c u r r e n tl o o pm a t h e m a t i c a lm o d e l ， t h ed e s i g ni d e a s ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - b a s e dc o n t r o lc i r c u i t e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb y t h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n da u x i l i a r yp o w e rc i r c u i ti sc o m p o s e do ft h r e ep a r t sa n ds o o n b o o s tc o n v e r t e rm a i nc i r c u i tt o p o l o g y , c o n t r o lc i r c u i t r yf o rt h ec o n t r o lo ft h em a i nu n i tb y t h et m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ，a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yc i r c u i tf o rt h ec o n t r o lc i r c u i tt op r o v i d eo p e r a t i n g v o l t a g eo ft h ed e v i c e u s eo fp a p e r si nt h es i m u l a t i o nt o o lm a t l a bs i m u l a t i o no ft h ea l g o r i t h r nt ov e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h ea l g o r i t h mf o rt h ed e s i g no ft h ea c t u a ls y s t e ml a i dt h ef o u n d a t i o n i n h a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n t h r o u g ht h ew o r ko ft h ep f cc i r c u i tt h e o r ya n dd i g i t a lc o n t r o lp r o g r a m so ft h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eg o o dr e s u l t sa c h i e v e d k e y w o r d s ：a p f cd s pb o o s tc o n v e r t e r r e s e a r c ht y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鼋高揿日期：2 矽z 多7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：贾高核指导教师舭纬为 矽汐罗年多月7 日 f 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着科学技术的快速发展，高技术产品和设备对所提供的电能质量有更高的要求。 例如医疗生命维护系统、网络数据处理中心、银行结算中心等都要求供电网络能提供稳 频、稳压、无浪涌、无尖峰干扰的优质交流电能。在当今的互联网时代，网络的互动性、 开放性和信息资源共享性带给了我们巨大的好处，使得目前人们越来越依赖互联网。一 旦网络因为故障而瘫痪，人们的社会生活会在瞬间变得混乱不堪，并造成巨大的损失。 电网中经常发生电涌，高压尖脉冲，暂态过电压，电压下陷，电线噪声，频率偏移，持 续低电压，市电中断等现象【l j 【2 】1 3 。电能质量的好坏直接影响到人们的生活水平。电能 质量涵盖五个方面：公用电网高次谐波、电压闪变与电压波动、三相电压及电流不平衡、 电压偏差、频率偏差。由于市电电网和负载的复杂性，配电系统中各类非线性负载的增 加、电力半导体装置的广泛应用等因素，以及自然界的雷击、地电及人为因素的影响， 电网输出的交流电并不是稳定的正弦波，使得供电质量不断恶化。 主要的污染或干扰有： ( 1 ) 电压浪涌：电压浪涌是指在一个周期或多个周期内，电压超过额定电压值的 1 1 0 。比如重型设备的关机，由于电网中电流忽然消失，其线路上的电感反电势会造 成电压上升，线路电阻上电压降忽然消失，也会造成电压上升。 ( 2 ) 电压尖峰：电压尖峰是指在二分之一周期至1 0 0 m s 期间内，叠加达6 0 k v 以上的 电压脉冲。这主要由雷电，开关操作，电弧式故障和静电放电等因素造成。 ( 3 ) 电压瞬变：电压瞬变是指在1 0 n s 至l o o m s 期间，叠加在市电电压上达2 k v 的脉 冲电压。它产生的原因和电压尖峰大致相同，只是在量上有区别。 ( 4 ) 噪声电压：噪声电压是指叠加在工频电压上的幅度低而频率范围很宽的高频分 量。这种现象在电网中很普遍，一般是由电机电刷打火，继电器动作，广播发射，微波 空中传播，电弧焊接，远距离雷电等引起的。 ( 5 ) 过压：过压是指超过电网电压正常有效值一定数量的稳定高电压。一般由接线错 误，电厂或电站误调整，附近重型设备关机引起。对单相电压而言，也可能是由于三相 负荷不平衡或中线接地不良等原因造成的。 ( 6 ) 电压跌落：电压跌落是指一个或多个周期内的电压低于额定电压有效值的 8 0 8 5 。这主要是由于附近重型设备的启动或电动机启动造成的。 ( 7 ) 欠压：欠压是指低于正常市电有效值一定值的稳定低电压。这主要是由于过负载 而造成的电网电压降低。 西安科技大学硕士学位论文 ( 8 ) 电源中断：电源中断是指超过一个周期的无电状态。 为了满足一些设备对电源的高要求，一种称之为u p s 的不间断电源系统正迅猛发 展并越来越广泛地被选用。u p s 电源以它能向用户同时提供具有如下优点的高质量电源 而独领风骚：输出电源的精度高、工作频率稳定、电压失真度小的纯正正弦波电源、输 出波形不存在干扰以及不管市电供电是否正常它都能在无时间中断的条件下，向用户提 供高质量的交流电源。而且，由于高智能芯片及先进的i g b t 驱动型脉宽调制技术的出 现，目前u p s 电源的可靠性达到极高的水平。 由于功率半导体技术的进步，许多性能良好且耐压耐流大的功率半导体元件逐渐被 开发使用。由于u p s 中大量应用不可控整流电路，会使电网输入电流严重畸变为非正 弦电流，此处这种非正弦电流的各次电流谐波将会给所处的电力环境造成严重的后果： ( 1 ) 对其它用电设备干扰：由于电网固有的内阻，高谐波含量的电流会使其它用电设 备的输入交流电压发生畸变，对其运行产生影响。 ( 2 ) 影响电网的可靠性：高谐波含量的电流将会在三相电网系统的中线上产生谐波电 流的叠加，使中线上流过谐波电流。情况严重时，中线电流甚至会大于电网的相电流， 降低了电网系统的可靠性。 ( 3 ) 造成电能利用率下降：首先谐波电流的存在会导致电网中无功功率的增加，这些 无功功率将在能量循环中产生无谓的损耗。其次，无功功率将会加重电能传输装置的负 担，造成这些装置的“假过载”现象。 电流波形的畸变及因此产生的谐波给系统本身和周围的电磁环境带来一系列的危 害，特别是对电力系统、通信系统、仪器仪表和办公自动化设备的危害引起了广泛的关 注，具体来说，这些危害主要表现在以下几方面： ( 1 ) 恶化供电系统的供电质量：加在电源母线上的谐波电流会导致电源电压的畸变， 恶化供电系统的供电质量。因为供电电源阻抗是有限的，谐波电流将在这个阻抗上产生 谐波电压，导致电压波形跟着产生畸变，从而使同样连接在供电系统上的其它负载受到 供电质量恶化的影响。 ( 2 ) 高次谐波干扰通讯系统：在射频频段上，高次谐波噪声将对附近的通讯线路产生 相当大的干扰，影响信号的传输质量，严重时通讯系统不能工作。 ( 3 ) 谐波成份增加了输电、配电和用电的损耗，谐波电流分量流过电网造成了额外的 传输损耗；在电力变压器中，谐波成份不但增加了铜损，还增加了磁滞和涡流损耗；在 电机中，谐波成份也给定子、转子带来额外损耗。 ( 4 ) 谐波电流及其产生的谐波电压导致一些重要的控制、保护和测量装置误动作：当 谐波电流及其产生的谐波电压达到一定值时，很可能对控制信号产生干扰或引起仪表误 动作，特别是依赖于数据采样或过零检测的继电器的误动作。谐波还可能导致系统失误。 谐波会诱发系统的电气振荡及机械振荡，振荡可能导致系统的过载，而使器件损坏甚至 2 1 绪论 系统破坏。 ( 5 ) 谐波和电流电压之间相位差的存在使系统功率因数变差，显著的降低了发电、输 电和用电中的效率。 目前有许多国际规范都针对各类电子电机产品所产生的谐波加以严格规范。如1 9 8 2 年国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 订定的i e c 5 5 5 ，是针对家 用电器的要求作一规范，其中第二部份i e c 5 5 5 2 是有关谐波的规定。另外，在1 9 9 7 年 制定i e c l 0 0 0 3 2 ，此法规用来规范输出电流波形和规定各种电力电子产品必需符合的 功率因数要求，以期达到提高用电品质。这些规范使得相关产品必需符合规定，才可销 售。故如何提高功率因数及降低谐波已成为开发产品必需关注的议题，使得功率因数改 善及谐波抑制成为工业界及学术界探讨的主流问题之一。 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 u p s 功能也逐渐从最初的单纯提供后备时间发展到提供后备时间、改善供电质量及 改善电网质量等多重功能。未来u p s 的发展趋势是智能化、高频化和绿色化。 1 2 1u p s 的智能化、网络化 为了适应计算机网络的发展，u p s 中已经开始配置r s 2 3 2 接口、r s4 8 5 接口、s n m p 卡和m o d e m 结合，成为计算机网络的一部分，具有以下优异的特性： ( 1 ) 实时监控功能：它对u p s 电源的各模拟参量( 市电的输入电压、电流和功率因数， 电池组的充放电电压、充放电电流，逆变器的充放电电压、电流、功率因数及波形失真 度，逆变器电源和交流旁路电源的相位差和瞬态电压差等运行参数) 进行实时高速采样， 实现数字式监控。类似的，对u p s 中的表示工作状态的开关量( 主电源与交流旁路电源 的输入与否，断路器的接通与断开，输入保险丝是否完好，电池组短路开关及静态开关 的接通与断开等) 进行实时监控。 ( 2 ) 自诊断、自保护功能：u p s 将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系 统中的关键硬件设备的数据与正常值进行分析比较，以判断u p s 电源是否有故障隐患 存在。如果有故障，根据相应的故障信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面、 文字提示方式报警，或者在现场和控制室以指示灯光、报警器呜叫方式报警，也可以用 自动拨通电话等方式报警，并作出相应的保护动作。 ( 3 ) 人机对话的控制方式：大型u p s 电源可向用户提供监控器液晶显示屏，以图形 和文字方式显示工作流程和参数信息，可以提供让用户操作的可视化菜单。并以帮助和 不断提示的方式引导用户按照既定方式处理故障，有效防止误操作。 ( 4 ) 远程控制功能：由于u p s 和计算机网络融为一体，在远离u p s 电源机房的计算 机网络上的任一个管理平台上经过身份校验后，可以对访问网络中的任一个u p s 电源 3 西安科技大学硕士学位论文 的各种资料进行远程控制，从而实现电源机房的无人值守。 1 2 2u p s 的数字化 随着现代生产的不断发展，对u p s 的技术要求越来越高，不仅要求输出稳压、稳 频、输出电压不间断、转换时间短、环保无污染、还要求电磁干扰低、输入功率因数高、 稳定性、，可靠性高、瞬时响应速度快、可用性高、具有适当的智能化水平。现代u p s 技术的要求是传统的模拟控制所难以达到的。u p s 的数字化是在智能化和高频化的发展 趋势和进一步提高稳定性的要求下提出的。u p s 的数字化控制是支持u p s 发展的关键 技术。数字化控制同模拟控制相比有着诸多优势，比如控制方式实现更简单，控制方式 更加灵活，输出性能更加稳定，没有零点漂移，静态工作点稳定，可以实现集成化和小 型化等。随着微电子技术的发展，各种新型器件的不断推出，新的集成块不断涌现，芯 片运算速度的进一步提高，使得u p s 的全数字化控制及各种先进控制策略的应用成为 现实。u p s 的数字化控制技术近年来一直是电源研究领域的一大热点。 当前，微处理器已经普遍应用于u p s 的控制，但主要是在一些局部功能上使用微 处理器，如显示控制等。并不能说是真正意义上的数字化。以往采用的微处理器( 如应 用最普遍的m c s 5 1 系列单片机等) 受数据处理速度的限制，使得u p s 的全数字化控制 和一些先进的控制策略不能实现。随着高性能d s p 的出现，凭借着非凡的数据处理能 力，这些都可以逐步实现了。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有用于高速信号处理和数字控制功能所 必需的信号处理速度快、外设丰富等特点，为在线式u p s 的数字化提供了理想的解决 方案。将d s p 应用于u p s ，已经有人开始研究了，但所采用的逆变控制策略是比较简 单的，而且所采用的输出电压锁相控制方法也有改进的余地。随着d s p 性能的不断提 高，市场对u p s 性能、成本及体积等要求得更加苛刻。u p s 的d p s 化已经成为u p s 数 字化最有效的载体。目前很多国外厂家都在研制数字型的智能化u p s 产品，并且有的 国外厂家已经推出了系列产品，但各公司的技术都是互相屏蔽的。我国自主研发的u p s 的性能相对落后，实现技术自主的u p s 的d s p 化，具有重要的意义1 4 儿5 1 。 1 2 3u p s 的高频化 第一代u p s 的功率开关为可控硅，第二代为功率晶体管，第三代为场控型器件 ( m o s f e t ，i g b t ) 。功率晶体管开关速度比可控硅高一个数量级，场效应晶体管 m o s f e t 比功率晶体管又高一个数量级，而i g b t 功率器件的容量比m o s f e t 大得多， 且导通电阻小。这些新型器件地出现能大大提高电力电子装置的开关频率。 提高u p s 逆变器的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压 器和电感的音频噪声，同时改善输出电压的动态响应能力。在u p s 输入端采用高频整 流，可以获得较高的功率因数，较低的谐波电流，使u p s 具有较好的输入特性。采用 4 1 绪论 高频隔离可以取掉笨重的工频隔离变压器，进一步减小装置的体积和重量。 1 2 4u p s 的并联技术 当今u p s 电源的发展趋势是大功率化和高可靠性。虽然现在可以生产几千k v a 的 大型u p s ，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的可靠性完全是由单 台电源决定的，无论如何是不可能达到很高的。为了提高系统的可靠性，就必须采用冗 余式并机方式，因而u p s 的并联技术在近几年得到了很大的发展。 u p s 的并联技术可以带来以下几个方面的好处： 可以灵活地扩大电源系统的容量。 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性。 极高的系统可维修性，当单台电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔的方 式进行更换和维修。 1 3 本课题研究的内容 1 3 1u p s 根据其结构和运行原理来定义，分为三类： ( 1 ) 被动后备式 输出 图1 1 后备式u p s 结构图 后备式u p s ，又称离线式。市电存在时，充电器对蓄电池充电并浮充，如果是长延 时u p s ，就要求它有较强的充电能力，或者外加相应容量的附加充电器。此时逆变器不 工作，它向负载提供的是对市电电压稍加稳压处理的“低质量 的正弦波电源。市电掉 电时，输出转换开关断开电网，接通逆变器，继续向负载供电。此时逆变器工作，由它 将直流电压( 电池供给) 变成符合负载要求的交流电压。后备式u p s 优点是，当市电存 在时，效率高，可达9 8 以上，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流，u p s 本 身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真，输出能力强，对负载电流波峰系数、浪涌 电流系数、输出功率因数、过载等没有严格地限制。但缺点也十分明显，当市电存在时， 输出电压稳定精度差，整机要靠附加滤波电路提高u p s 双向抗干扰功能。同时，由于 5 西安科技大学硕士学位论文 输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，u p s 输出功率做大有一定困难， 当前面市的后备式u p s 多在2 k v a 以下。 ( 2 ) 在线互动式：在线互动式u p s 是在市电正常时，供给负载为改良了的市电，市 电故障时，负载完全由电池逆变供电的一种u p s 。所谓在线是指输入市电正常时逆变器 处于热备份状态而作为充电器给电池充电。 工作原理：市电正常时，负载由经改良后的市电供电，同时逆变器作为充电器给蓄 电池充电，此时，逆变器起a c d c 变换器的作用。市电故障时，负载完全由逆变器供 电，此时，逆变器起d c a c 变换器的作用。 输入 输出 图1 2 在线互动式u p s 结构图 优点： 结构相对双变换式u p s 简单，技术上易于实现。 性能能满足某些计算机负载的要求，特别适用于网络中某些计算机设备采用分 布式供电的系统。 由于逆变器长期充当充电器的作用，因此整机可靠性高。 缺点： 在市电正常时，在线互动式u p s 的负载得到的是改良后的市电。 在线互动式u p s 的结构决定了它的抗干扰能力，无输出隔离变压器的结构抗干 扰能力差。 功率因数由负载性质决定。在线互动式u p s 中，由于没有有源功率因数校正电 路或无源滤波器，u p s 输入功率因数完全由负载性质决定。只有在纯阻性负载时，功率 因数才等于1 。计算机等非线性负载时，功率因数不可能等于l 。 ( 3 ) 双变换式：传统的双变换式u p s ，蓄电池接于市电，不论u p s 是否正常工作均 处于充电状态。逆变器是串联连接在交流输入与负载之间，电源通过逆变器连续地向负 载供电。负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态。所谓 双变换是指u p s 正常工作时，电能经过了a c d c 、d c a c 两次变换供给负载。当然为 了提高系统的可靠性，在线式双变换u p s 一般增加了自动旁路电路。 6 1 绪论 输入 输出 图1 3 传统的双变换式u p s 现在多采用带a p f c 的双变换式u p s ，与传统双变换式u p s 不同的是，u p s 前级 a c d c 整流电路采用对输入进行了有源功率因数校正a p f c 电路，这种控制方式具有较 好的校正效果，p f 值能达到0 9 9 ，输入电流谐波t h d 小于5 。同时一般在输入 1 6 0 v - 2 7 0 v 均有较好的稳压效果。 输入 输出 图1 4 带a p f c 的双变换式u p s 综上所述可看出，双变换式u p s 不管市电正常与否，向负载提供的都是高质量的 纯正的正弦波电源。而后备式和在线互动式则是在市电异常时才向负载提供高质量的电 源。所以双变换式u p s 目前被广泛应用6 】【7 】【8 1 0 1 3 2 本文的研究方案 本文探讨在线式双变换u p s 中功率因数校正电路的研究。有源功率因数校正技术 是通过控制开关元件，切换滤波电感和滤波电容充放电能量实现功率因数的提高。早期 的有源功率因数校正电路是晶闸管电路，进入7 0 年代后，随着功率半导体器件的发展， 开关变换技术突飞猛进，到了8 0 年代，现代有源p f c 技术应运而生。9 0 年代以来，有 源p f c 技术更是取得了长足的进展。由于变换器工作在高频开关状态，这种有源功率因 数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数接近1 等优点。有源功率因数校正 的基本思想是：将输入交流电压进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入d c d c 7 西安科技大学硕士学住论文 变换，通过适当控制( 即脉宽调制p w m ) 使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形， 即将输入电流校正为输入电压同相位的正弦波，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现稳压输 出和单位功率因数输入，使p f 提高到近似为1 0 。a p f c 技术适应了电力电子技术的发 展方向。 1 4 功率因数校正原理 图1 5 a p f c 基本电路 r 】iu 。 0 1 4 1 功率因数校正的简介 随着各式各样电力电子产品的广泛使用，电源谐波问题及功率因数劣化问题也越来 越严重，为了提高供电品质及能源使用效率，世界各国对于电力电子产品所产生谐波及 功率因数，均制定标准来加以规范。改善功率因数的方法，主要可分为无源式和有源式 两种。被动式顾名思义即是电路中只使用无源元件来提高功率因数如电感或变压器等， 虽具有较小电磁干扰及设计简单等优点，但功率因数改善效果相当有限。有源式功率因 数校正电路即是使用有源元件如功率元件、二极管等，除可调整输出电压，也可以大幅 提高功率因数，然而由于电路复杂度增加，因此需配合良好的控制以维持系统平衡。本 章首先针对功率因数定义及功因校正方法作一解释，并针对有源式功率因数校正电路作 一介绍。 1 4 2 功率因数的定义 功率因数p f 定义为平均功率p 对视在功率s 的比值： pf = p s ( 1 1 ) 假设电源电压的瞬时值为k 、电源电流瞬时值为i 。( t ) 、电源周期为t ，则电压有 8 1 绪论 效值v 。与电流有效值i 。分别为： 圪= i 。= 则视在功率s 为： s = v si s 平均功率p 为： p = 去r “睨折 将( 1 4 ) 及( 1 5 ) 代a ( 1 1 ) 可得功率因数为： ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 如图1 1 所不，假设输入电压v s ( t ) 为纯正弦波，输入电流为i s ( t ) 。i s l ( t ) 为输八电流i s ( t ) 之基波电流，其有效值为i s l ，0 为v 。( t ) 与i s l ( t ) 2 _ 相位差，则平均功率由( 1 5 ) 可得如下： 尸2 去r , a - v , s i n ( 州而一i n ( c o t - o 肋= l c o s 秒 ( 1 7 ) 只有i 。l 能产生平均输出功率，电流的谐波成份对平均功率并无贡献。故功率因数 可写成： 尸f = 警= 等秒 n 8 ， ys isj s 、 其中，定义位移因数k o 为： k p=c os 秒 ( 1 9 ) 及定义失真因数磁为： 耻等 。， 故功率因数为位移因数与失真因数两者相乘积，即： 西安科技大学硕士学位论文 p f = k 口kd 由傅立叶变换可得电流有效值与各阶谐波有效值的关系为： l = 卜耄圪 _ ( 1 1 2 ) 式中：i 。为电流i 。( t ) 第n 次谐波有效值，电流失真成份的有效值为： k e + 讣i - - 广i 羔打 k = e + e 互巴i ( 1 1 3 ) l n = 2 总谐波失真为： t h d = 了i d i s ( 1 1 4 ) j s l 。 由( 1 1 3 ) 及( 1 1 4 ) ，可得( 1 1 0 ) 失真因数为谐波失真的函数： k d = 丽1 f l j ( 1 1 5 ) 可得功率因数另一种表示方法： ( 1 1 5 ) 。 1 。 ，= 1 亍c o s ( 1 1 6 t j ) i o， 4 1 + t hd 2 、。 图1 7 为不同电流波形与位移因数瞄及失真因数的关系。第一种情况在相同负 载下位移因数硒越小于1 ，所需电流越大，损失也较大，第二种情况，失真因数越 小于1 ，将会产生越大的电流谐波，将会造成电源谐波污染。 功率因数所代表的意义为电力设备由电力公司提供的电源端吸收效率的重要指标， 对电力公司而言，用户使用电器产品时有很高的功率因数时，电力公司输出的电流就会 比较小，电力设备输出伏安值就会比较小。反之低功率因数所需要的电流将越大，因此 导致电力设备的伏安值增加及线路在传输时的损失增大。 由( 1 1 6 ) 式可知提高功率因数条件有二：第一是输入电流与电压没有相位差，所定 义的位移因数才会趋近于一。第二是减少输入电流谐波成份，提高输入电流的基本频率 1 0 1 绪论 成份，降低总谐波失真，所定义的失真因数才会趋于1 。总而言之，要得到单位功率因 数就是要让输入电流与输入电压为同相位的正弦波。 图1 6 电压、电流及电流基频成份波形图 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 图1 7 功率因数与电压、电流之关系图： ( a ) k o l ，k d l ； ( c ) k o 1 ，2 1 ； ( b ) 除1 , k a 2 x u o = 2 x 4 0 0 = 8 0 0 ( v ) ( 3 8 ) 如m ( ，) 2 xt ( 一) = 8 8 9 a ( 3 9 ) 根据以上计算得到的额定电压，额定电流，功率开关管选为s t 公司的m o s f e t s t w 9 n b 8 0 ，额定电流为9 a ，额定电压为8 0 0 v 。续流二极管选用i x y s 公司的快恢复二 极管d e s l 3 0 0 6 ，其额定电压为6 0 0 v ，额定电流为3 0 a ，反向恢复时间为3 5 n s 。 3 3 其它重要电路设计 为了保证电路的可靠运行，变换器电压、电流的采样最好能够与控制电路隔离，这 样能够避免主电路中大电流流过地线时压降带来的干扰。本文我们使用霍尔电压、电流 传感器实现控制电路与主电路的隔离【1 7 1 。 3 3 1 电流采样电路 b o o s t 型p f c 变换器采样的输入电流就是流经升压电感的电流，对输入电流的采样这 里选用的是霍尔电流传感器，采样电路如图3 3 所示f 1 引。 图3 3 电流采样电路 电流采样原理是输入电流即流过升压电感的电流直接进入电流霍尔传感器，在霍尔 3 7 西安科技大学硕士学位论文 元件的副边产生一定比例的电流，该电流霍尔传感器的内部对副边电流进行了处理，使 得传感器的输出信号为0 5 v 的电压信号，在进入a d 通道之前，处理方式同电压采样相 似。电流的采样信号被送入a d 通道1 0 。 3 3 2 电压的采样电路 采用电压霍尔传感器对输入电压和输出电压进行采样，这样在保证采样精度的同 时，实现了模拟地和数字地的隔离，对d s p 的安全可靠地运行提供了保障。电压霍尔元 件的原理是：将大电阻串入电压霍尔元件的原边，使电压信号转换为电流信号，得到原 边电流，原边电流能在副边产生一定比例的副边电流，副边电流流过电阻，产生压降能 够反映主电路的电压值【1 9 l 。 图3 4 电压采样电路 本文采用南京中旭电子科技公司的h n v - 0 2 5 a 型霍尔电压传感器，最终输入电压的 采样信号进入d s p 的a d c 通道2 。 3 4 驱动电路设计 驱动电路中常常要解决控制电路和主电路之间的隔离问题，因此隔离技术是一个值 得注意的问题。一般来说，在测控系统中对被控设备的驱动常采用模拟量输入驱动和数 字量( 开关量) 输出驱动两种方式。在开关量输出通道中，为防止现场电磁干扰或工频电 压通过输出通道反串到测控系统中，一般采用通道隔离技术：在输出通道的隔离中，最 常用的是光一电隔离技术因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰可以有效的隔离电 信号。光祸隔离驱动电路原理比较简单，光耦的原边是一个发光二极管，只要原边脉冲 持续的保证发光二极管有足够的电流流过，副边就能产生持续不断的脉冲。有些光耦将 光隔离器件和放大电路集成在一起，p n a i 。r , 2 5 1 光耦隔离驱动电路1 2 0 l ： 3 8 3 功率因数校正系统的硬件电路设计 2 v f 8 i c c 图3 5t l p 2 5 i 内部结构及引脚图 空脚 壅囊裴喜滕 空脚 地端。 输出垌 i l l 空脚 电源 图3 6t l p 2 5 1 接线图 5 3 5 辅助电源 在设计过程中，考虑需要多路辅助电源，如霍尔传感器的供电，光祸的供电等，如 果采用外加开关电源供电，不仅价格比较高，而且不太容易得到所需要的电压组合模式。 因此，本文设计了以市电作为直接输入的辅助电源模块。 辅助电源的主要设计思想是现通过多副边变压器将市电的幅值降低，通过整流桥整 流，在大的滤波电容的作用下将交流电变成相对平稳的直流电，在滤波电容的后面用三 ：3 9 墨3 西安科技大学硕士学位论文 置置暑葺暑宣暑暑昌暑暑宣置宣暑宣暑宣fitirr i i i i i i i i ；i 宣i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 暑i 暑i i i i i 昌葺宣葺暑暑i i i i i 宣暑宣i 端稳压器对整流后的电压进行精确稳压。下面是1 5 v 的电源设计图。 _ 日一1 22 a c 一1 黝f _ d ! d 4 ：!i1 j 4 0 ：7 x 4 一| r 与 癣 b j 黑书毒 了 一e 陆 u 纛f 一k黔u e 3 j 剐r 袁丸 ：l e | - - ： 6 竺型。巾1。h n 怒 i o 。1u 图3 7 正负1 5 v 的电源设计图 在设计过程中要注意的是，三端稳压器正常工作需要一定的电压输入范围，如果输 入电压值比较低，可能会导致三端稳压器的输出不能达到设计值，因此选用变压器时必 须要给每一路输出留有一定余量。 3 6 本章小结 本章确定了主电路主要元件的参数，包括升压电感、输出电容及功率开关管和二极 管的选择。设计了电流采样电路、电压采样电路和开关管驱动电路。采样电路和驱动电 路都使用了隔离措施，使主电路和控制电路实现了强弱电的隔离，使系统可以安全可靠 地运行。最后给出了实验用到的辅助电源的设计方案。 ，；、，、j气j、，气j、，0厂厂矗叫3j _ n z _ 4 基于d s p 的p f c 电路的设计与实现 4 基于d s p 的p f c 电路的设计与实现 信号的处理过程就是对信号的过滤和重构，以得到我们需要的特征，为实现这一目 的，实际上就要构造信号到信号之间的传递函数，其实现方法分两种：模拟方式和数字 方式。模拟方式使用电阻、电容、运算放大器等模拟器件来实现滤波、和、乘及控制的 功能，而数字的方式是先将模拟量数字化，再进行数字处理，然后还原成模拟信号。传 统的功率变换器采用的是模拟控制系统，经过多年的研究，模拟技术己经非常成熟。然 而模拟控制系统的缺点是显而易见的，模拟控制系统需要大量的分立元件和电路板，其 元器件的数量很多，制造成本也较高。大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂，从 而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟元器件的元器件老化问题和不可补偿的温漂 问题，以及易受环境( 如电磁噪声，工作环境温度等) 干扰等因素都会影响控制系统的长 期稳定性。因此，为了保持系统的稳定性，采用模拟控制系统的功率变换器对环境有较 高要求，有些功率变换器还要求每年对控制系统进行校正。 数字控制越来越多的被引入到开关电源的应用之中。数字化使得开关电源的控制更 加灵活，在c p u 计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法， 用户可以根据自己的系统需求，方便的更改控制器参数，即便是在控制对象改变的情况 下，也不需要对控制器在硬件上做出修改，只要改变一些软件参数即可，大大增强了系 统的硬件兼容性。另一方面，数字电路没有模拟器件那么容易受到外界环境的干扰，增 强了系统的可靠性【2 。 4 1 电压环设计 假设p f c 电路的输入电压，输入电流为同相位的理想正弦波，则输入功率： 只= 乙= ks i n c o o t , i ，s i n c o o t ( 4 1 ) 其中v i n 、i i n 表示输入电压，电流的瞬时值。v s 、i 。表示输入电压，电流的峰值，o 表示输入电压、电流的角频率。 输出功率： e o = v o i o( 4 2 ) v o 表示输出电压，i o 椭k b 电流，在不计损耗的情况下，p i 。= p o ，则： i d = 半( 1 - c o s 2 删 ( 4 3 ) 4 1 西安科技大学硕士学位论文 由此可见，p f c 的输出电流包括两个部分，一个直流电流再加上一个二次谐波电流， 该直流电流为输出平均负载电流，二次谐波电流为输出滤波电容的充电电流，因此，在 输出电压上也存在二次谐波的脉动。 电压环控制器的截止频率必须小于两倍的输入频率，这样才可以将输出电压上的二 次纹波衰减。如果输出电压的二次纹波被引入控制环，则将在电感电流上产生三次谐波。 在电流均值控制中，电流环的给定由乘法器给出： 艺= 警啦刮 ( 4 4 ) 其中k m 为比例常数，v v o 为电压调节器的输出，v 。为输入电压的峰值，v 仃为前馈电压， v 橄为整流器后全波整流电压的平均值，用数字方法计算v 撒不会引入二次纹波。 2 2 】 电压环的功率级模型如下： b v 斗 v m p f c 变换器 c 牛耻； + v o - 痛= 瓦酱新麓”慨叫 ， 【砀) n 叫 数，v f r 为前馈电压，v 咖。为输入电压有效值，v ，o 为电压环输出【2 5 1 。 4 2 4 基于d s p 的p f c 电路的设计与买现 i l - - k t4 y 2 e i s i n f i ( 4 6 ) 式中k t 为输入电流采样系数，p i n 为输入的平均功率，根据假设( 2 ) ，电路中没有损耗，则 输入功率等于输出功率，即： 己= 只以= 圪l ( 4 7 ) 其中p 叫。为输出平均功率，v 。、i o 为输出电压电流的稳态分量。将式( 4 6 ) 、式( 4 7 ) 代入式( 4 5 ) 得： = 嚣阿小姚 8 ， 其梅麓是黻曲鼢电压釉静态工黼删、 信号分析的方法，在电压环的静态工作点附近加入小信号扰动，即 ( 圪+ 、乏) ( l + ) = k ( + 讫) c 4 - 9 ， 其中v v o ，v 。，i 。为稳态分量，；，。，讥，i 。为小信号扰动。经整理简化，