（电力电子与电力传动专业论文）基于单周期控制的单相高功率因数整流器的研究.pdf

西北工业人学硕j ：论文摘嚣 a b s t r a c t h a r m o n i cp o l l u t i o ni sag r e a to b s t a c l et ot h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，r e d u c i n gp o l l u t i o ng e n e r a t e db yp o w e re l e c t r o n i c se q u i p m e n t e s p e c i a l l ya c d cr e c t i t i e r sa n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fi n p u tc u r r e n ta n dp o w e r f a c t o ra r ep a i da t t e n t i o ni n c r e a s i n g l yb yt h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s o n eo f t h ek e yf a c t o r so f a f f e c t i n gp o w e rf a c t o ro f r e c t i f i e r si sc o n t r o lt e c h n i q u e o n ec y c l ec o n t r o li sal a r g es i g n a ln o n l i n e a rp w m t e c h n o l o g y , w h i c hb a s i cc o n c e p ti s t of o r c et h ea v e r a g eo f t h ec o n t r o l l e ds w i t c h 、v a r i a b l et ob ee q u a lo rp r o p o r t i o n a lt ot h e c o n t r o lr e f e r e n c ei ne a c hs w i t c hc y c l e o n ec y c l ec o n t r o lt e c h n i q u eh a st h em e r i t so f s i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r e ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dc o n t r o l p e r f o r m a n c en o ta f f e c t e db yt h ev a r i a b l eo fp o w e rp a r a m e t e r s i ti sv e r ys u i t a b l ef o r p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) c i r c u i t b a s e do nr e f e r r i n gt oat o to fl i t e r a t u r e s ，t a k i n gs i n g l e - p h a s ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o ns y s t e m sa sa l lo b j e c t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ev i r t u e s a n dd e f e c t so fc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yf o ra c t i v ep o w e rf a c t o ra n do n ec y c l ec o n t r o l t e c h n o l o g yi sl u c u b r a t e d t a k i n gb o o s tc o n v e r t e ra s 黼e x a m p l e 。o n ec y c l ec o n t r o l l e dp f ci sa n a l y z e d 。 t h ec o n t r o le q u a t i o n ，t h es t a b i l i t y , t h el a r g es i g n a lm o d e la n dt h es m a l lm o d e la r e d i s c u s s e d 。an o v e lp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nm a i nc i r c u i tw i t hc e n t e r - t a p p e di n d u c t o ri s d e s i g n e da n dt h ep a r t i c u l a rs c h e m ei sg i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n a5 0 0 wp r o t o t y p eo f b o o s tp f cs y s t e mb a s e do no n ec y c l ec o n t r o li sb u i l tt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ， a n dt h e n ，c o n t r o lc i r c u i to fo n ec y c l ec o n t r o l l e db o o s tp f cr e c t i f i e ri si m p r o v e dw i t h t h eb a s i ci d e ao f o n ec y c l ec o n t r o l 。 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h eb o o s tp f cr e c t i f i e rw i t ht h e p r o p o s e dc o n t r o l l e 。rc a na c h i e v el o wc u r r e n td i s t o r t i o na n du n i t yp o w e rf a c t o r t h e c o n t r o im e t h o di ss i m p l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：0 n ec y c l ec o n t r o i r e c t i f i e r ； l a r g es i g n a lm o d e l ； l l p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ； t o t a ih a r m o n i cd i s t o r t i o n s m a l ls i g n a lm o d e l 西北工业大学颂七论文第一章慨述 第一章概述 1 1谐波和功率因数的定义 各种电力电子装置给我们的工业生产和社会生活带来极大促进和进步，然而 也带来了一些负面的问题，其中主要问题之一就是对电网产生的谐波和无功污染。 要想正确认识和分析并解决这一问题，首先对功率因数和谐波建立正确的基本概 念。 在理想情况下，电网中的电压和电流都是正弦波，即： i = s i n ( c o l t + p ) “= us i n 以r 式中，( ，和，分别是电压和电流的幅值 流信号的相位角。 ( 1 1 1 ( 1 2 ) 是电网电压的角频率；妒是电压和电 通常，电网电压是由电网中的电源发电机决定，而电网中的电流则是由 连接于电网的负载决定。某些非线性或具有时变的负载会从电网中吸取非正弦电 流，这将导致电流波形畸变。值得注意的是，虽然这些波形是非正弦的，但仍与 电网电压同频率的周期信号，即满足： i ( t ) = i ( t + z )( 1 3 ) 式中，z 是电网电压的周期。 因此，可以将f ( f ) 分解成傅立叶级数，即： j ( f ) = i ns i n ( c o t + c p ) ( 1 - 4 ) 式中，i l ( f ) = f 。s i n ( o ) 。t + c p ) 被称为基波成分，而其余的部分被称为谐波分量。 在电网电压为正弦而电流为非_ i f 弦的情况下，负载吸收的有功功率为： p = 专r u ( t ) i ( t ) d t = 亭r 【us i n ；f 芝肺s i n ( 蛾f + 怫) 出 = 亭f 1 眇s i n a 2 。t n s i n ( c o t + 纯) 协 根据正交定理，有： 舾喇n 衍隹：墨三：； 西北工监大学砸士论文 第一章概述 尸= 击胁i 呐心她嘲弦 = u t ，i 岔s i n c o , t ( s i 珏豫 e 。s 照+ e 。s qs i n 锻) 凌 孤 。c o s c p l 丽视在功率为： s = 1 r 式中，u r 茅羹 r 分楚龟阚毫压秘受裁电滚懿有效德。其中i r 为： 厶= 、7 - 2 = 礞+ ，矗+ t ，( 1 - 5 ) yh * 1 于是功率因数丑为： 冀= 誊= 紫 出予魄潮亳匿是正弦波，因此u = 4 2 u 。，蕊蕊波的波形氇楚正弦波，因此 ，= 2 r ，上式可以写成： 五= 挚c o s 仍= 善c o s c , o , ( 1 6 ) 孝= 警 ( 1 7 ) r 式中亭为畸变因数，它标志着电流波形偏离磁弦的程度，c o s ( p 1 被称为位移 因数，它标志着基波电流与魄滕间的相位大小。 定义总谐波畸变率( 7 h d ) 为总谐波有效值与熬波有效值之比【2 l 即： 正一 t h d * j 盔1 t a ( 1 - 8 ) 出式( 1 - 5 ) 、( 1 7 ) 和( 1 8 ) 可得t h d 与畸变豳予孝的关系为： f = 1 1 + t h d 2( 1 - 9 ) 把式( 1 - 9 ) 4 , x 式( 1 6 ) 中祷到功率因数帮总谐波畸变率的关系： ( 1 - l o ) 可以发现，当电流不含谐波成分时，该功举因数的定义 = c o s o 。，与传统的 功率因数定义一样，因此，式( 1 6 ) 可以认为是对传统功率因数定义在电流存在谐波 蝴丽 i l 未 西北工业大学硕士论文第一章 慨述 情况下的推广。 当电网中的电流存在谐波时，由于电网阻抗的存在，谐波电流流过电网阻抗， 会使负载端电压波形也出现畸变。在电压也含有谐波的情况下，功率因数就不能 用( 1 ，6 ) 来定义，其定义有更复杂的形式，但通常电网电压的畸变较小，式( 1 6 ) 的 误差并不大，因此通常还使用这一定义。 功率因数不为1 的负载给电网带来电能质量的问题，从式( 1 6 ) 来看，这类负 载对电网的“污染”可以分为谐波电流和基波无功两部分，它们共同的危害是： ( 1 ) 从电网吸取无功电流，导致电网中流动的功率增加，加大了电网的损耗。 ( 2 ) 增加了发电和输变电设备的负担，降低了电网的实际可以传递的有功功 率的大小。 但是，由于谐波电流是非正弦的畸变电流，它对电网的危害更大： ( 1 ) 造成电网电压畸变，影响其他设备正常工作。 ( 2 ) 使变压器、发电机、补偿电容等设备损耗加大，温升加大，甚至烧毁。 ( 3 ) 造成中线电流显著增加，使中线严重发热，甚至引起火灾。 ( 4 ) 引起电网谐振，破坏稳定性。 ( 5 ) 造成电网中继电保护装置误动作。 谐波的污染与危害已经引起了世界各国的广泛关注。美国海军最先注意到谐 波污染问题，并且制定了世器上第一个用于限定电子装置产生谐波的标准，即 u s m i l s t d 一4 1 6 b ，这个标准至今仍为美国军方采用。为了减小谐波危害，国际 电工委员会( i e c ) 也于1 9 8 2 年制定了许多关于电磁兼容的国际标准，如针对中小 功率电气设备的i e c 5 5 5 2 ，适合大功率电气设备的i e c 5 5 5 4 等。而i e c l 0 0 0 3 2 制定于1 9 9 5 年，是最新、最严格的标准，它适合于每相电流小于1 6 a 的电子设 备。我国国家技术监督局于1 9 9 4 年3 月也颁布了电能质量公用电网谐波标准 ( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 。 1 2 改善功率因数的措施 对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波并提高功率因数的 两种典型代表方法是：一是对电网实施谐波补偿的被动方法，装设补偿装置对其 谐波进行补偿，即采用无源滤波或有源电力滤波电路来消除谐波；二是对电力电 子设备自身进行改进的主动方法，对整流器本身进行改进。即设计新一代高性能 的整流器，在整流器内部采取有源功率因数校正技术，从而改善整流器的工作原 理，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位，使之输入端近乎纯电阻特性， 实现高功率因数、低谐波整流。 相比丽言，针对电网的谐波补偿是一种被动的方法，解决谐波问题的积极方 两北工业二k 举硕上论文 擀誊概述 法是清除戚降低电力电子设镛产= 生的谐波污染。传统的无源滤波器采用的是l c 调谐滤波器，虽然这种方1 敞既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，丽且结构简 单，一囊被广泛使j 拜l 。但楚遮耱方法瓣主要竣点建专 偿特往受电鼷瓣撬联运孬浚 态赘澎镝，易帮系统发生并联漕攘，导致谐波放大，使l c 滤波嚣邋载甚至烧毁。 此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效栗不旗理想，同时还存在诸如波峰系 数与谐波含量较高等技术问题，仍需迸一步改进。无源p f c 电路同时作为一种整 流电路的前端滤波器工作在工频状态时，使用的溆容和铁心电感处于工频低通或 带通状态，圜丽滤波器体积秘重量 e 较大、电感上压降大、功率因数撬赢有限。 有源惫力滤波器是功率嚣数校正豹主要方法，箕蕊本骧瑾是获符髅对象中裣溅出 谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流， 从而傥电网电流只含基波分嫩。这种滤波器能对电流的频率和幅值都变化的 皆波 进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。它具有体积小、整嫩轻、功率 函数接近l 、输入电流总谐波含量降到1 0 以下等特点。然两在实际中，产生台 逶笺 臻穰滚是镘嚣难靛。与设鐾毒 嫠装曼来 骥谤渡窝无凌臻章矮魄，在蓑羲 意义上说，改进交流器自身性能豹方法是一种黧积极的方法，也建弱前的研究热 点之一。 目阿由于场控高频自关断器件的迅速发展，可以借助它达到减少电网侧谐波 电流的目的。其基本思想悬，放弃传统的相控熬流方案，代之以高频调制原理， 然蓐邋过逶姿戆控裁策貉，使瓣弱毫漉遴矮正弦波交捷趣终，这藏燕毅一代整流 电路辩麓功率因数整流嚣辑依锯豹工佟原理溺。 邋常工程应用中的高劝察因数整流器有以下几种设计方案 4 1 。 1 撼予晶闸管相控整流器的多重化设计 这种方寨将几个桥式相控熬流电路多重连接，并采用移相触发控制，从而减 少了婺浚嚣的圈铡谐波电滚，著提赢了整流装鬻懿功率因数。这秘方案适用于大 功率整浚装嚣。严籍遗说，这耱设诗方案著不怒粪委意义主懿寒臻攀谶数整流器， 只是采用了多重化技术，减少了网侧谐波电流，进而提高了整流器嗣侧的功率因 数。 2 多麓脉冲二极管整流器设计 二极赣整流器，由于不遴行楣控，困两冀阏侧瑰率因数应优予磊闹管相控整 流器。嚣二稷警赉子赣窭囊漉邀匿不笺诱繁，瓣舔灵痤溪予整滚邀毽无嚣谖苇翁 场合。对于大功率整流装鬻，常采用典型静1 2 脉冲= 极管整流电鼹。为了迸步 减少大功率二极管整流测的谐波电流，并提商功率因数，新型的大功鬻2 4 脉波二 极管整流电路已设计成功。遂种新型设计方案可谯媳型的1 2 脉波二檄管整流电路 基础上逡取最佳平衡电抗撒头，以达到a 线电流游效2 4 脉波的效果。然而这类二 4 西北工业 学硕士论文 第一荜概述 极管整流嚣也是通过减少网侧谐波电流来提高整流器的功率因数。 3 基于斩波器的二极管熬流设计 这葶申设诗方寨是在警邋鳃二援管整流捺路与褒滚德麓环节之阖热入鼙管裹 颓斩波嚣，从两可隧实现爨铡蕈功率因数手弦波奄瀛控割，由予阚翻功率嚣数及 电流可控，因而这种整流器设计方案是一种真眶意义上的商功率因数整流器。 4 谦用p w m 整流器的拓扑结构的高功率因数整流设计 采用p w m 整流器拓扑络构的高功率因数熬流器设计方案，利用p w m 斩控 技术，不仅缝实现整流器婀测单位功率因数正弦波奄滚控制，藤显露实疆电姥抟 双惫转簸，强瑟是一耱淫耱侥怒，置穰毒菱最藜途匏耨鏊整滚器。这类耨垄弱荔 功率因数整流器疆前较适用中、小功率整流器的设汁，随着大功率魄力电子器件 发展，熬于p w m 整流器拓扑结构的高功率整流器有取代大功率相控及二极管整 流器的趟势。 1 3 磺突现状 l 。3 。l 功率因数校正技术的发寰 回顾p f c 技术的发展历程，人们最早采用电感和电容构成的光源网络进行功 率因数校正。该方法实现简单、成本低、可靠性简、e m i 小。但存残许多缺点， 比如输入电流波形差，尺寸、爨量太，难以得到掰的功率因数，工作憾能与频率、 负载及羧入迄压兹变 乏鸯关l 。 送入7 0 年代以焉，随蒜功率半导体器 学濑发展，牙关交换技术突飞猛进。 到8 0 年代，现代有源p f c 技术应运而生，由予变换器工作在高频歼荚状态，这 种有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、商效率、功率因数斡丁接近l 等优 点滞o 年代末提出了利用工作在不连续导电模式( d i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e ， d c m ) 下的变换器进季亍功攀嚣数校正的技术，囊予冀输入电流能鸯韵灏随输入电 压掸卜“，霞蠢哥以实褒接l 蠢l 翡输入功率嚣数。这秘畜滚功率因数校正技术因 其简单丽受到青睐，但一般不用于较大的功率变换嚣中。 9 0 年代以来，有源p f c 取得了长足的发展。自1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单 相p f c 簪题，这被看作是肇糊有源p f c 技术发展的里程碑。到1 9 9 4 1 9 9 5 年， p e s cl 露关功率因数报邋晌主要内容适把软开笑技术移遂常的p f c 技术结合以 提毫功攀嚣数菠歪毫爨兹拣麓焖。近年来，主要燕连续等毫模式下f e o n t i n u o 珏s c o n d u c t i o nm o d e ，c c m ) 功肇因数校正的控制方法，丽对，也提出了一煞新颖的功 率因数校正原理和拓扑结构陋2 卜口羽。 9 0 年代初期美国学者k e y u ems m e d l e y 提出了一种新颖的控制方法即单周期 控制【1 ，单周期控制的理念怒基于实时控制开关的占空比，使每个周期内开关整 西北工业大学剐 论文第一章 概迷 流器二极管输出的脉冲波形的平均值恰好等于域者正比于控匍j 参考墩，平均输入 电流跟踪参考电流且不受负散电流的约束，即使受栽电流具有很大的谐波也不会 佼输入邀滤发生畸变。强嚣将肇溺裁控割技术应鲻予p f c 整流器孛霹以实现低赵 瀛豌交稻离功率园数，这释控潮方法取渣了传统攘副方法中豹乘法器，傻整个控 制电路的复杂程度降低。 1 3 2 荤阁期控制技术的国内研究现状 娘荜周期控制的功攀糊数校正器 萋庆大学、蒸由大学均扶事该漾题懿磺究。熬庆丈学捷蹬了耱全菠懿三稳 簿效率b o o s t 型p f c 静掇挣缡辛勾，通过对渡过主开关的奄流迸： 亍分滚，使流过主 开关的电流大大减小，因而即使它工作在很商的频率，也不会引起大的开关损耗， 功率因数校正的效果很好，目前已经通过了试验样机的调试。 燕山大学在该研究课题上得到了河北省自然科学基金的资助，该校主要研究 匏是单瘸翅控制鲶单楣功率蹰数校正技术糟“，现焱已经完成了2 0 0 w 貔攀耀b o o s t 功率强数校正器豹实验铎辘鹣顽裁与调试。 ( 2 ) 、单周期控制的有源魄力滤波器 燕山大学和重庆大学现在都从事该方向课题的研究，而且重庆大攀还得到了 国家自然科学基金的资助( 单周控制理论及其在电力谐波治理中的应用) ，该校的 主要研究内容为：将单周期控制用于四桥鹫三穗阏线索有源电力滤波器，通过分 疆其开关矮颓乎臻模鳌，攘黪囊它戆控裁方程。蒸予整翻方程戆最麓解，建立了 荦周期控制的翻舔臂三稻鞠线制有源电力滤波嚣的电路模型1 5 8 卜i 鳓。单瘸期控制 的三相匹f i 线制有源滤波器能脊效地补偿系统谐波，对零序和无功电流也具有较好 的补偿性能，但是该校目前的进展仍然处于仿毖阶段。燕山大学虽然也有试验样 机研制成功，但是效果不怒锻邂想。 f 3 ) 、攀两麓控裁熬静杰泛凌发生器 整庆大学现在麸辜该方向漾题的研究，差黉研究内容是在对巍翔攀餍期控裁 的静止无功发生器建立数学模型的基础上，分析使直流侧电压波动和使两电容电 压不平衡的原因，结合单周期控制法提出了一种肖效、简单的解决办法。该校目 前的避媵还处于系统的仿真阶段。 f 4 ) 、肇瘸袈控裁豹矩簿戏交流稳压电滚 j 衷交邋大学默事该漾题骚究，该校将攀蠲麓控裁按拳雩| 入交流稳压电澈， 快速抑制了输入侧的扰动，电源的输出不受输入的影晌，使得系统嶷有快速的动 态响应l5 ”。采用交流斩波串联补偿方式，可以像持能量的双向通路，负载适应性 强，并且使得单周期控制方式便于实现。目前已缝通过了5 k w 的诚验样机测试。 6 西j l 3 _ , j k 人举坝士论文 第一章 概述 1 4 课题的研究的目的及意义 1 4 1 零课题磷究的意义 酋先潢渡靛危害手分严麓。谐波使电麓匏生产、传输鞠飘禹游散率；摹低，使 电气设备过热、产生振动秘噤声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障 或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含鬣放大，造成 电容嚣锋设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自幼装鬣误动作，使电熊计量出现 混乱。对予电力系统外部， 骞波对遂债设备霉f l 瞧予设签会产生严重干扰。 熬铡谤渡羁撬裹王杰率嚣数还在于萁对电力魄予技术耋赛发展豹影褊。逛力电 子技术怒来来科学技术发展的熏要支柱。有入预畜，电力电子连同运动控制将和 计算机技术一起成为2 l 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装鬣所产生的谐 波污染已成为阻碍电力电子披术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人 员必须对谐波阚题进行更为有效救研究。 鬟l 巷 蠹波秘挺裹功率嚣数受霹以上势鬟扶浚爨环凌污絷、维护缘瞧环境熬蕉 疫采认识。对电力系凌这个环境来说，无谐波拣怒“绿色”的主要务蓄意之一。在 电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地 球环境的保护已经成为全人炎的共识。对电力系统谐波污染的治理媳成为电工科 学技术辨所必须解决的问题。 蠢瑟，猿刳谐波提赢毫力瞧孑装置静瑰率闲数成为一个卡分藿聚夔谦题。 4 2 本课题磺究的謦的 虽然很多人已在p f c 电路的拓扑结构和控制策略方面作了大爨的卓有成效 的工作，并已取得了显著的成果。但是这些方法中，或多或少的存在这样或那样 的缺陷。本论文在对这些搦聿卜结构和控制策略研究分析鲍基础上，设计了一种运 爱擎瘸濑控制技术款蕈秘p f c 整流器。运震该整割技术，可以在整流器戆输入藕 褥到缀离的功率禹数，置不淹负载电流静影稳。 由f 单周期控制是非线性和标准的脉宽调制( p w m ) 控制方法。对半导体开 关变换器，运用单周期控制技术，许多不可实现的或以前由于太复杂而不能实现 的功率处理任务，现在可以很容易的实现。 革属熬控裁魏核心电爨键攮繁复位懿积分器、几个线蛙器 牛魏i 笺辏器 譬。单 溺麓控潮便蜀责静嚣线整鬯鼯擎元农高速镦处攥嚣不再或为必需。鼯量，这静薪 的控制方法非常通用，能被用来控制单相和三棚功率因数校正整流嚣，能直接应 用于所有的d c d c 开关变换器，而且还可以用来控制有源电力滤波嚣。 单周期控制技术概念聋接而且电路蜜现简单，因此它为开关变换器提供了一 7 西北工业大学硕士论文 第一章概述 种很好的控制方案。 1 5 论文主要研究内容 论文将单周期控制技术成功的应用于单相高功率因数整流器中，主要做了以 下几方面的工作： ( 1 ) 、介绍了功率因数校正的目的和意义；阐述了电网谐波污染问题和谐波抑 制的方法；分析了功率因数校正技术的研究背景与研究现状。 ( 2 ) 、第二章介绍了p f c 系统经典控制方法和新型控制方法，并对比分析了几 种典型控制技术的优缺点。 ( 3 ) 、第三章以b u c k 变换器为例介绍了单周期控制技术的工作原理，对单周 期控制技术抗扰动能力进行了理论分析与仿真，并对单周期控制的适用性进行了 研究。 ( 4 ) 、论文第四章推导了单相p f c 的控制规律，并以b o o s t 变换器为例分析了 系统的稳定性，建立了数学模型。 ( 5 ) 、在第五章中，设计了一种新型带中心抽头的三点式电感b o o s t 主电路， 给出了整流器的详细参数设计过程，并对电路进行了改进，给出了试验波形。 ( 6 ) 、第六章，对论文的工作进行了总结。 西北t 业大学硕士论文 第二章功率因数校正系统的控制方法 第二章功率因数校正系统的控制方法 2 1引言 p f c 电路在提高电力电子装置网侧功率因数、降低电网谐波污染方面起着很 重要的作用。随着p f c 技术应用的普及，p f c 电路拓扑日渐成熟。关于p f c 控 制系统的研究目前仍然十分活跃。 2 2 功率因数校正系统典型的控制方法 功率因数校正器中可以使用多种控制方案f 6 2 1 ，其中包括传统的平均电流控 制、滞环控制和峰值电流控制，也可以应用非线性技术。以下以功率因数校正系 统为背景，论述各种典型的控制方案。 根据电感电流是否连续，有源功率因数校正技术( a p f c ) 可分为不连续导通模 式d c m 和连续导通模式c c m ，以及介于两者之间的临界d c m 模式f 6 1 。有的电 路还根据负载功率的大小，使得变换器在不连续导电模式和连续导电模式之间相 互转换，称为混连模式( m c m ) t 6 3 1 。根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量和 被控制量，c c m 模式分为间接电流控制( i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 ) 和直接电流控 制( d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 ) 两大类：引入交流电流反馈的称为直接电流控制，没 有引入交流反馈的称为间接电流控制。 2 2 1d c m 控制方式 d c m 控制又称为电压跟随控制( v o l t a g e f o l l o w e rc o n t r 0 1 ) ，它是a p f c 中简 单而实用的一种控制方式，应用较为广泛，控制电路如图2 1 所示。为了使输出 电压稳定，增加输出电压反馈控制环节，开关由输出电压误差信号控制。在一个 开关周期电感电流的平均值正比于输入电压，因此输入电流自然跟随输入电压。 以b o o s t 变换器的临界模式为倒，来分柝电压跟随控制，如图2 - 2 所示。 在每一个开关周期内，输入电流的峰值i p e 。川为： v ，d 7 f p m = 一 ( 2 一i ) l v = 2 虼s i nc o t( 2 2 ) 式中d 占空比 r 开关周期 输入电压的瞬时值 k 输入电压的有效值 9 西北工业大学劝 论文 第一章 功率因数校正系统的控制方法 图2 - 1 电压跟踪控制 笋孓? 一 d t s t t s ( a ) b o o s t 变换器( b ) 临界电感电流模式 图2 - 2b o o s t 变换器的d c m 模式 在每一个开关周期内，输入电流平均值。为： o 。：警：宰嘎 ( 2 - 3 ) 可见，当占空比和开关频率固定时，输入电流的平均值正比于输入电压。输 入电流的平均值能自动跟随输入电压呈正弦波。 该控制方法的优点是：电路简单，不需要乘法器：输入电流自动跟随输入电 压：功率管实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流。缺点是：由于电感 电流不连续，造成电流纹波较大，对滤波电路要求高；同时输出电流含有二次谐 波，功率器件承受较大的电流应力。 2 2 2c c m 控制模式 c c m 控制模式有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制的优 点是电流瞬态响应特性好，自身具有过流保护能力，但需要枪测瞬态电流，控制 电路过于复杂：间接电流控制的优点是结构简单。 2 2 2 1 闻接电流控制 间接电流控 | $ 1 j 7 1 又称为相位幅值控制，是一种基于工频稳态的控制方法。它 是通过控制整流器输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系，从 而控制输入电流呈正弦波形，且与电源电压保持同相位，使装置运行在单位功率 因数状态。 1 0 西- i t t 业大学确l 论文 第一二争： 功率因数校 系统的控制力i 间接电流控制的缺点：自身无限流功能，需另过流保护电路；系统从一个稳 态向另个稳态过渡时电流会出现直流分量：系统动态向应慢。文| 敞 8 1 利用状态 反馈克服直流偏移问题，但引入反馈量过多，控制系统变得很复杂文献f 9 称其 解决了直流偏移问题，但本质上却是直接电流控制。间接电流控制的上述缺点影 响了它在p f c 中的应用。 2 2 2 2 直接电流控制 直接电流控制i l0 1 的基本思想就是将输入电压信号与输出电压误差信号相乘 后作为电流控制器的电流给定信号，电流控钊器控制输入电流按给定信号变化。 由于控制结构中含有乘法器，直接电流控制又称为乘法器控制，如图2 3 所 示。根据检测电流不同，直接电流控制又分为峰值电流控制、滞坏电流控制和平 均值电流控制三种控制方法。 鲻2 - 3 乘法器控制 ( 1 ) 、滞环电流控制图2 - 4 为滞环电流控制b o o s t 变换器原理图。它检测的 是电感电流，并且有一个滞环逻辑控制器。 当电感电流达到基准下限f m 。时，开关管s 导通，电感电流上f r ；当电感电 流达到基准上限t 。时，开关管s 关断，电感电流下降。图2 5 为滞环控制时电感 电流波形。电流环宽度决定了电流纹波的大小，可以是定值，也可以与瞬时平均 电流成比例。 滞环电流控制的缺点：负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变换幅 度大，设计输出滤波器是要按最低频率设计，因此不可能得到体积和重量最小的 设计。 两北工业人学硕士论文第二章 功率别数校正系统的控制方浊 豳2 - 4 滞环电流控制原理圈 图2 5 滞环电流控制的电感电流波形 秘) 、峰毽奄流控制蜂值电流控翻中取样憩漉取翻开关电流或窀潦电流。图 2 - 6 所示为采样峰值电流控制的b o o s t 功率因数校正电路原理图。电流基准为双半 液正弦瞧压，令电感电流麴峰值雹络线蹑踩输入毫基波形，使输入电流与毫垂同 相位，并接近派弦。因此，在保持输入端功率因数接_ i 魇l 的同时，也能保持输出 电压稳定。 圈2 - 6 峰德电流控制原理窝 采用峰值电流控制时，存在的问题：为防止次谐波振荡的出现，需要在比较 西北工业犬学颁士论文第二帝 功率崩数筏派系统的控制方法 器的输入端增加个斜率补偿函数，以便在占窝比大予o5 时系统也自2 稳定工作。 由于电流的峰值与平均值之间存在较大误差，无法满足t h d 很小的爱求：此外， 凌控制方式对噪声猸当镦感。 ( 3 ) 、平均电流控割蠲2 7 给出了平均惫漉控制的b o o s t 交换器鞭理图。它 的取样电流取自电感电流。它与上两种控制方法的不同就是：用电瀛误差放大器 代替电流比较器，以输入整流电压和输出电压误激放大信号的乘积作为基准电流； 并且电流环调节输入平均谯，使与输入整流电压同相位，并接近正拨波。 平均毫滚控制翦特点：嗽瀛环具有较高的增蕊繁宽、瓣态特性较好，平均电 流控裁豁t h d 窝e m i 较，l 、，对噪声不壤感，开关频率霾定，遥麓予功率较大麓 场合。 阁2 - 7 平均电流控制臌理图 综上所述，可以看出乘法器控制中：电路黧杂，需要检测输入锻流、输入电 压，并且需要有电流环补偿网络：输出具有二次谐波，动态响应慢；乘法器也增 搬了输入毫滚驰谐波含量。 2 - 3 功率因数校正系统毅垄的控利隽我 传统c c m 模式f 电流控制需要乘法器以及检测输入电压与输入电流，控制 电路簧杂，乘法器的非线性失真也增加了输入电流的谐波含量，因此，4 i 带乘法 器的控制方式成为a p f c 研究中的一个热点【”卜f 1 4 1 。 _ i 匿年求有关连续导电模式下功率因数校正投窳豹控割羲方法戮究多煮擞遂， 主要有纂灞麓控裁( o n e c y c l ec o n t r 0 1 ) 、奄餐羧髑( c h a r g e c o n t r 0 1 ) 、j # 线性载渡 控制( n o n l i n e a r c a r r i e r c o n t r 0 1 ) 、线性峰值电流控制( p e a k c u r r e n t c o n t r 0 1 ) 和输 入电流熬形技术( i n p u tc u r r e n ts h a p i n g ) 等。新测控制技术突破了传统控制技术 的概念，以下简单介绍这几种控制方式。 西就互妲大学磁土论文 第二帮 功率融数筏藏系统控制方法 2 3 1 单周期控制技术 纂溺鬻黢镧技术豹麓纯控稍滚臻热窝2 - 8 掰琛。该方法瀚突窭特点邈：无论 是稳态还魑鬻态，它都畿徐证受控量的平均礅恰好等予或正比予绘定的参考量， 鼙在个艨焱内，戆鸯效熬羝涮毫源餐懿撬璎，甄没存静态误麓蠢浚窍韵态误 差。在以后的章节申将对薅进行糟熏探讨。 圈2 * 8 擎周期控铜豹b u c k 燮凝器藏理图 将单周期控制的基本原理应用到各种电流控制上，就可以得到电荷控制、非 线性载波控制和输入电流憋形技术等功率因数校正的新型控毒技术。 2 3 ，2 电荷控制 扶形式上蠢电薅控制是邀流溅擎周簸控制，魏謦2 - 9 赝承湖。箕控魏慝慧隽； 控制开关翁魄流量，使之在一个周期内达到麓颦值。 圈2 - 9 电荷控制的b u c k 变换器原理图 开始时电路中的功攀勰件处于导通状态，流过开必的电流对电豁g 充电，当 岛上赦遣毯笛子参考电逶啄时，魄照中的功豢关凝，岛掇装著载多 ：美s 2 逶， 4 两北工业大学硕士论文 第二章 jj j 率因数校正系统的控制方法 对c ，放电。电荷控制的基本控制方程为： o 掣：( 2 - 4 ) 2 3 3 非线性载波技术 非线性载波控制 1 6 1 【1 8 】的控制电流可为开关电流，二极管电流或电感电流。 本文分析中以开关电流作为控制量。图2 1 0 是以b o o s t 电路为基础的非线性载波 控制的电路图。 v g 幽2 - 1 0 非线性载波控制电路的原理幽 从电路的拓扑结构上讲非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了 个外加的非线性补偿，提高了系统的稳定性。在非线性载波控制中当电路工作 在电流连续状态下，系统就是稳定的，而电路工作在电流断续状态下，系统是小 信号稳定的。非线性载波控制的控制方程为： 1p d r f 二t j f ) f 。( r ) c ，f = d i f ( 2 5 ) j 式中j ，为流过开关管的电流 f 。为流过电感l 的电流 2 3 4 线性峰值电流控制技术 峰值电流控制中当占空比大于o 5 时，电路会出现次谐波振荡，增加一个外 部的斜波减小这种现象发生。线性峰值电流控制就是以此为基础，通过合理的选 择电路外加补偿的斜率的新型无需乘法器的控制方法，图2 1 1 是以b o o s t 电路为 例得到的线性峰值电流控制i | ，图2 1 2 是线性峰值电流的具体控制电路。 西北- t 业大学颁上论文 第章 功率因效校正系绕的控制方法 卟r 麓f 江- 臣 v 。卜卜| 。y 二l 似h p 篷2 - 1 2 线馁磅遭黾淡控制较铡电路豹覆理鹫 线性电流控制的分祈如下，电路控制的最终目标怒： 钿。意( 2 - 6 ) 式中r e 等效输入电阻 l a l p e d 。) = 惫一警。= 一争+ 等 ， 式中外力珏补偿斜率 r 一开关周期 d 开关占空魄 船牙关楚关戮毒察魄 合遐的选择聊，得到的线性峰值电流控制系绕具有诬下优点：电流环无条件稳 定；电流峰值正比于开关的荚断占空比d 。 旦奠；1( 2 8 k 1 6 呵北工业大学硕1 一论文第二章功社因数校正系统的控制方法 将式( 2 。8 ) 代入式( 2 7 ) ，化简为： y 奴删2 篑d 2 3 5 输入电流整形技术 ( 2 9 ) 图2 1 3 输入电流整形技术电路的原理剀 输入电流整形技术检测二极管上的电流，从形式上是一种类似于非线性载波 控制的控制方案，从控制的实质上讲它是平均电流控制的一种反用。输入电流整 形技术的b o o s t 电路如图2 1 3 所示1 2 卟w i 。 输入电流整形技术中，假设电路已经工作在有源功率因数校正下，电流信号 是正弦的，电流信号作为电压环的基准信号，这样对电压的误差信号进行积分。 图2 1 4 是具体的输入电流整形技术控制图。 由图2 1 4 得到以下控制方程： d q ( f ) = 詈且，f d ( f ) ( 2 1 0 ) l i 1 c 2 ( t ) 2 砉“( r ) 出 ( 2 川) 式中i ，输出电流 当f = ( 1 - d ) t 时，c 。( t ) = c 2 ( t ) ，由于放大器的输出变化缓慢，认为是恒值， c 。( t ) 化简为： c 2 ( f ) = f 1f ( f ) 出= 争( 1 一d ) i ( 2 - 1 2 ) 西北工业大学硕士论文第二章功率因数校芷累缔的控制方法 警眨+ 汹= 芑( 1 _ 识 ( 2 _ i s ) 刊辞渗出， l f _ t 1 0 7 且审 l 一 图2 1 4 输入电流整形技术靛制电路的原理图 输入电流整形技术控制的特点为：控制筒翠，妊于这种控制方式怒平均电流 控翻豹反弼，强瑟在毫爨鲍安瑷上，采嗣乎均憩滚控裁夔控镂蕊片m l 3 8 3 3 。 2 4 本耄小结 本鬻详细阐述了目前常用的有源功率因数校正技术的分类和优缺点：着重介 绍了新型的控制技术。 1 8 西北工啦走掌坝上论文第= 章 尊周期控制技术 第纛薄单周期控制技术 开关变换器为懿冲饕线性动态系缀。在歇冲 # 线性控割下懿系绞爨有更强的 鲁褡经、歪抉菠动态萄瘦以及歪好的抗电添予挽戆力口i 。在电力电子镊域，a 翻 一直致力于寻找一种控制开关变换器的大信号、非线性控制方案。在传统的反馈 控制中，当电源电压受到扰动时，如有较大的升高，占空比控制并不能立即反映 这种变化，由于误差信号必颂先进行变化，因此输出电压会出现短暂的越限，暂 态的持续时闯由龌环增蕊次定，重薪达到稳态辩耍经过多个开关蠲嬲。 荸溪麓瓷裁是一_ 耱大楼号、荽线往p w 醚控麓援末，宅爨寿许多佞统控麓方 法无法比拟的优点，妻西：较快的动态晌应速度、良好的抗电源予抗能力以及开关 误差校正等。另外该技术可以扩展用来控制频率变化的开关，而且能够应用于控 制任何物理变量或形如开关变量的抽象信号。 3 肇网期控制技术基本原理 攀蠲麓控裁是1 9 9 2 骂露筠薄士提高豹控塌方式，旱颓静挈髑辩控割愚想是： 控制二极管上的电压值，使之在一个周期内达到期望值，随着控锩8 技术的发展单 周期的概念有所扩展。这种控制的最大特点是能在一个开关周期内肖效抵制电源 测的扰动，这种控制技术可以广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐 振、软_ 歼关故变换器等。以b u c k 交换器为恻激说躜肇餍期控铡技术鹩鼹理。 图3 - 1单周期控制b u c k 变换器原理图 阁3 1 所示为单周期控制b u c k 变换器原理图。假定直流输入电压为v 。开 关频率z = l 为常数。 肇髑期控制电路的工作原理据下：当开关s 露遥露，二极管截壹，其嚣臻电 压警予蠹流输入电压攻，蕊开关s 关戮辩，二壤瞽d 等逶，葵瓣蕊龟莲为 零。戮此二极管上电压的平均值为： = 争f ；屹胁= r 曲( 3 - i ) l 窖 西。 9 3 2 r l k 大学硕士论文 第三常单周期控制技术 电蹄开始工作时，由控静j 器产生恒定频率的开幕脉冲，开通开关s ，二极管 上的电压比经积分器开始积分，当积分器的输出媳压q 。达到给定德时，比较 器竣整凝转，魅发器发爨关敝偿号关断开关s ，弱辩发出复位信号嫒实对较努嚣 复位为零。 囱上面分析，得出： 一事rv 。础= 亭f v 。西= ( 3 - 2 ) 在肇周麓控制中，占空魄d 凌下式决定： lm r 争j ：乓毋2 ( 3 1 3 ) 激用单周期控制时吨电压的平均值在每个开关周期内都与k 。完全相同， 并且与输入电压的大小无关。 采用单周期控制系统完全抑制了输入电压的于我，具寄良好的纛滤电压调节 跨强，鸯殍关频率足够甍露。系统可臣褥鬟亵蒺爨麴壹瀛臻逡电爨。 3 2 单周期控制技术的扩展 单周期控制的核心思想是在每一个开关周期内使受控的平均德恰好等于或 难比于控制参考信号。应用于固定开关频率变换器的单周期控制技术可以扩展为 通用的遐论，对各释类型的开关变换器都可以躅该技术实现。 豳3 - 2 开关包络线翻 在开关频率页= ，瓦时，开关管依据下列开荧函数k ( t ) 动作： 1 ；1o “( 3 - 4 ) 【0 t o a t ，t s 凌每个瘸裳，! 反燕开关导逶懿持续藓重i n ，t o v r 是开关关薮熬持续雾寸阕，潢 是& + ? ；，= 墨；殍美输入信号逶过开关轿波，滚圆藩号孵) 韵频攀帮稼宽与牙 关函数