（材料加工工程专业论文）单相弧焊逆变电源的功率因数校正技术.pdf

摘要 摘要 弧焊逆变电源的应用在我国越来越广泛，但现行的逆变电源在交流输入湍产 7 邕； 叠j 弦化鹃称冲，簿交严重，谐波电流夫，馨致遂交邀源瓣功率嚣索降低，严 重污染电网。 论交在参阕国内外大量文献的基础t ，将单相输入软开关的有源功率因数校 l f 技术应糟于弧焊逆交电源中，为软开关的有源功二蕃因数校j f 技术在弧焊递变电 源的应用作了一次有益的尝试。论文进行了以下几方面的工作： 在对现有瓣常蠲摹穗竣入青淫功率因数校正电爨进行了分毒厅和总结的蕊础 l ：，选用平均电流型有源功率函数校正电路作为弧焊逆变电源的功率因数校溉装 置豹控制电路。 详编分析了平均毫流法控铡静青灏功率搬羧校匝龟路簸主，f 关罄麓掺裂耀 律，并推导出流经主要器件的电压和电流公式。在此基础上，根据升压式平均电 溃控制法的双环控制f l 电路结构特点，穆到了平均电流型控铡法功率闲数校正的 电流环和电压环的传递函数。运用s a b e r 电力电子仿真软件对电路进行仿真，优亿 电路参数。 投嚣硬 关选路援羚懿缺点，提g 了逶髑予辍焊逆变电源育漯功率嚣数校夏装 置的零电压转换软开关拓扑结构。详细分析了软开关b o o s tp f c 电路的工作过程， 计算谐振电路参数。 研制了适嗣予3 0 0 e 琵弧溽遵变电澈瓣较开关平均愈流鼙接镬静有滏功率霞数 校j f 装置样机，并对将所研制的校正装置的实际波形进行了测试。测试结果表明， 其功率爨数蔫，谐波畸变率小，达到国际上t 重d 5 的要求，霄效的躐小了对电 网的污染。 关键词：弧焊逆变电源有源功率校正因数平均电流控制软开关 北京工业人学：j 一学硕士学位论文 a b s t r a c t a l cw e l d i n gi n v e n e r sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di no u rc o u n t r y ，b u tm o s to f t h ce x i s t i n ga r cw e i d i n gi n v e n e r sc r e a t en o n s i n u s o i d a ln a r r o wp u l s ec u r r e n tw a v e f o m s a t1 1 1 ca ci n p u ts i d e i th a ss e r i o u sd i s t o r t i o na n dc o n t a j n sh e a v yh a n 】1 0 n i cc u r r e n t t h u s l e a l kt oa r a p i dd e c r e a s i n g o ft h ep o w e rf a c t o r ( p f ) o fa r c w e l d i n gi n v e r t e r sa n d s c r l o u s l yp o l l u t m g t h ep o w e r s y s t e m a r e rr e f 色r r i n gt op l e n t yo ft h er e f e r e n c e ，t h es i n g l e p h a s es o r s w i t c ha c t i v ep o w e r f b c ( o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) t e c h n i q u ei sa p p i i e di n t oa r cw e l d i n gc o n v e r t e ri nt h i sp 印e r i tn l a k e sau s e f u la t t e m p tu p o nt | l e a p p l i c a t i o no fs o r s w i t c ha p f ct e c h n i q u et o a r c 、 c 】d i n gc o n v e r t e rt h ef o l l o w i n gi sd o n ei nt h i sp a p e r ： n l ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o la p f cc i r c u i ti sc h o s e na st h ea p f cc o n t r o lc i r c u i to f t h cs i n g l e p h a s ew e l d i n gi n v e n e rb a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r yo ft h ee x i t i n g p n p u l a rs i n g l e p h a s ei n p u ta p f cc i r c u i t f 1 1 ec o n t r o lr u l e so ft h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o la p f cc i r c u i t sm a i nc o m p o n e n t s a l ed i s c u s s e di nd e t a i l sa n dt h ee q u a t i o n so ft h ec u r r e n ta n dt h ev o l t a g e p a s s i n gt h r o u g h t h cm a i nc o m p o n e n t sa r eo b t a i n e d t h et r a n s f e rf u n c t i o n so ft h ec u r r e n ta n dv o l t a g ef o o s ”1 e mc o r r e c t i o na r eg i v e nb a s e do nt h ea n a l v s i so ft h ea v e r a g ea p f cc i r c u i t t h e p 甜m e t e ro f t 1 1 ec i r c u i ti so p t i m i z e dt h r o u 叠ht h es a b e fs i m u l a t i o ns o r w a r e i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e m so ft h eh a r d s w i t c hp f cc i r c u i t ，az e r o v o l t a 2 e t r n n s i t i o nt o p o l o g yo fa p f c t e c h n i q u ei si n t r o d u c e di nt h ea r cw e l d i n gc o n v e n e r s t h e p r o c e s so f t h ez v tp f cc i r c u ni sa n a l y z e di nd e t a i l sa n dt h er e s o n a n c ep a r 锄e t e r sa r e c a l c u j a l e d a3 0 0 0 wp f c e q u i p m e n tf b ra r cw e l d i n gc o n v e r t e ri sd e v e l o p e du s i n gs o f l s w i t c h t e c h n i q u e t h ew a v e f o r m so fi n p u tc u 玎e n ta r em e a s u r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n p u t p i ? l si n c r e a s e do b v i o u s l ya n dt h ei n p u tc u r r e n tt o t a lh 姗o n i c sd i s t o r t i o n ( t h d ) i sl e s s t h d nt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do f5 t h ep o l l u t i o nt op o w e rs y s t e mi sd e c r e a s e d e 腑c t i v c l y k e ，w o r d s ：a r cw e l d i n g c o n v e r t e ra p f c a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l s o r s w i t c h i i 第l 誊缝沦 第l 章绪论 1 1 课题骛景 随着科学技术的不断进步，特别是微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电 力电子技术的发展，弧焊电源不断融入相关科学的先进成祭，扶早靛的枫城控剃登载 弧浑电源，发疑至现在的滚予控锱鍪弧霹电源。特剐是随瓣自关断功率器件不断完善 和逆变技术的广泛应用，使得新一代逆变弧焊电源体积小，重量轻，节能谢材，丽且 控制性好，动态魄应快，易予实瑷爆接懿实时接爨，毽薹乏在性戆主具有缀大翡潜在 优势阳 。 近年来逆变焊机技术有了很大的进步，应用也越来越广泛，但是其谐波二f 扰阔题 邀逐海l 瑷。薏绞簸薮浮遂交毫耀跫交流露弼壹接整流螽，大电容滤波，翔阔 。l 所 示，整流二极管只有在输入电压v 。大于整流输出电压v 。时才导通，也就是况只有 盘电容充电期间才从电网抽取电流，其波形如图l ，2 所示。j 正弦豹尖角波状电滚， 麓变严重，导致逆变电源酾功率因数大大降低弹4 i 。 图l l 传绞弧墀逆变电瀛暇理挺髫 传统的弧焊电源功率因数很低，一般为o 7 左右【7 j ，使负载上可以得到的实际功 率溅小，围时输入电流谐波大，特别是奇次谐波尤为突出。这不仅绘公用耄网带来摄 多危害，霜虽逸增麴筷宅系统的供镪容量。 u 屏八门个。 n 7 圈i 2 传统逆变电源韵电压和电流波形 低功率因数的用电设备对电网遗成诸多危害1 5 l 娜： l 、电溺波形跨变，线鼹损耗大； 2 、谐波严重污染电网，干扰其他用电设备； 3 、降低供电系绫的功攀因数、蠼大系绫鼹貘宅蜜量，探大了兹缀竣套( 热交悉 器) 的额定容量； 4 、降低了用电设备的使用寿命； 5 、太定增臻了嘻l 线受蕊，鬻低了安全程戆。 北京工业大学f 学硕士学位论文 1 ! 谐波的概念 蚓坊i 上公认的谐波的含义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基 波捌率的整数倍，由于其是基波频率的整数倍，通常也称为高次谐波。除了特殊情况 外波形畸变现象的产生主要是由于大容量电力和用电的整流或换流设备，以及其他 非线性负载造成的。这些设备从电力系统中吸取的畸变电流可以分解为基波和系列 喈波电流分量，其谐波的电流值实际上和基波电压值及电网的供电阻抗无关，因此大 多毂偕波源视为恒流源，而后者一般被看作为恒压源的。 周期量的有效值等于其瞬时值的方均根值，即 爿=鼯可而 把非正弦周期量展开成傅立叶级数( f o u r i e rs e r i e s ) 巾) = a + 吒s i n ( 删+ 纸) ( 1 2 ) 女= l 其中妊1 ，2 一般把爿。s i n ( 纠+ 纪) 称为基波，而把其他分量称为高次谐波，通常也叫谐波。 谐波的频率为基波的整数倍。展开上式，考虑到三角函数的正交性，将得到下列四种 类垮的积分， 拍舷铂 专r 主爿二s i n2 ( 七叫坝) 础：妻丢爿三 4 t 2jt = j 事r 静“n c 砌础= 。 吉r 妻妻爿。 。s i n ( 耐+ _ 5 f ，。) 。i n ( 十y ：) 出：o k k ， 可以得到，任意周期的有效值等于它的直流分量与各次谐波分量有效值的平方 年口的1 卜力根。 厂i 一一一 爿= 1 胁+ 扣乙= 4 ；+ 爿? + 爿；+ ( 1 _ 3 ) yl t l 非正弦周期量偏离正弦波的程度，常以各次谐波有效值的平方和的方根值与基 波f j 效值的百分比来表示【9 1 ，称为畸变率t h d ( t 0 t a lh a h n o n i cd i s t o n i o n ) ，电压波形的 第l 攀绪论 电流波形的畸变率为 觋：掣。，r 日d 。= 一j i ! ；二l 一( ) 聊，。堡。呦7 h d ，z j 三一( ) ( 1 一i ) 1 3 谐波畸变率与功率因数的关系 燕含有潼波竣电疆中，有功功率、筏在功率稻功率因数的定义与叠三弦电路褶同。 无功功率的定义比较复杂，无功功率可分为：基波无功功率，同频率的谐波产生的无 功功率和不同频率谐波之阅产生的无功功率。 为了 i ； 究对滚工设备的最大韵用的容量，引入视在功率s = u i 、无功功率 l = ) = = = 们s i n 妒和功率因数j d ，= c o s 妒= 三的概念。在正弦波的情况下，功率圆数就等了。 6 乜；噩和电流之间楣位差的余弦，各项功率数值之间的关系，可用阁l 一2 的功率三角形 莨啄。 图1 3 功率三角形 0 一簸溃凝下，泡网毫篷鹃磅交穗对于魄漉豹碴嶷低弱多，且邀溺的电压畸交多是 由于电流的畸变引起的，为了简化问题的研究，可以把电网的电压瓣作是标准的正弦 波。则有功功率为： 尸= 去卜胁= 去扣扫n 耐委s i n ( n 烈坛朋删 m s ) 根据三角函数的正交性，二次以上谐波电流与电网电压频率不同，有功功率为零， 行以此时有功功率即为电流基波的夜功功率 尹= 己玎i s 纯 ( 1 - 7 ) 视在功枣为 s u i u 、髟 ￥n = l ( 1 * 8 ) 北京一 业大学1 学硕士学位论文 则功率因数为 p p f = 二= s ic o s p l j 善7 ： 尸f = y c o s p ( 1 9 ) ( 1 一l o ) 睡中，定义为畸变因子，c o s 妒定义为位移因子，即功率因数是畸变因子和位 移子的乘积。 y = 畸变因子y 和电流谐波畸变t h d i 的关系是 聊，2 伊一 ( 1 1 2 ) y2 志m y2 = il 卜l j j l + ( 珏国，) 2 通常电磁式仪表测量的功率因数，只是电路的位移因子，而在大功率电力电子整 流没各中畸变因子是不可忽略的，这就是通常的弧焊逆变电源功率因数的标称值很高 的原闪。 1 4 谐波的危害 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统造成的污染，影响到整个系统 的咆气环境，包括系统本身和广大用户，其污染影响的范围和距离，可能比一个工厂 对：气污染的距离还要远，范围还要大。 凿波对电气系统的危害主要有【9 1 0 j ： 1谐波严重污染公共电网，干扰其它用电设备，如旋转电机产生附加损耗和发 热，对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰而造成误动作等等。 二对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷 和过电压而损坏：在三相四线制供电时，三次谐波在中线中是同相的，合成 后电流和大，而依照通常的用电安全规定，中线无保护装置，这就会使中线 过热，引起火灾事故，国内外都有这方面的教训。 1 造成电能计量的误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源 负荷从系统吸收基波功率而向系统发出谐波功率。这样受害的用户即从系统 吸收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷的用户 少付电费，而受害的用户多付电费。 箔i 章绪论 4 谐波含量增加，使装置的功率因数很低，增加了前级设备的功率容量，造成 功率容量的极大浪费。 近儿年来，随着电路理论和半导体器件的成熟，电力电子技术广泛应用于国民经 济f 日常生活中，从电力牵引机车、金属熔炼到彩电、音响等家用电器，大量采用了 电，j 电一r 器件，但这类装置中直流电压源大多是由电网直接整流后，在经过并联大电 律滤波得到的。滤波电容的引入造成这类装置网测电流畸变，由于这种畸变的电流在 电网中分布广泛，且谐波含量丰富，难以进行集中补偿，使电网中谐波含量大大增加， 总的功率因数下降甚至使电网电压产 三严重畸变。谐波已经成为一种电力公害，逐渐 r ；i 起了人们关注。专家预测，下一个世纪电力电子技术的研究热点从本世纪的“变电” 研宄转为“配电”研究”。”j 。 国翰、电工委员会( i e c ) 和国际电气与电予工程师协会( i e e e ) 都成立了专门的 l 作小组，制定了电力系统与电工产品的谐波限制标准( i e c 6 1 0 0 0 3 2 和i e e f 5 1 9 一1 9 9 2 ) 【7 l t ”j 。从1 9 9 6 年起，这两个标准在欧共体国家已经具有法律效力。我国 自1 9 9 8 年起也已经开始制定用电设备谐波的限制标准，而且在家电行业、邮电通讯 行、已经开始实施。如果将来强制执行谐波限制标准，现在生产和使用的逆变焊机， 绝：尺部分属于不合格产品。 1 5 谐波抑制的方法 抑制电源系统的低频谐波一般分为无源方法和有源方法两大类。 无源滤波就是在整流桥的交流侧安放l c 滤波器，这是一种传统的补偿无功功率 和偕波的手段，其结构简单，对补偿特定频率范围的谐波有一定效果，但是无源滤波 器的等级必须和负载的无功功率相当，而且它的补偿特性容易受到电网阻抗和负载变 化的影响，并且容易产生电流谐振和电压谐振，造成设备损坏。尤其是对于负载刁i 断 变化的焊接电源来说，很难设计一个能够涵盖整个负载范围谐波的l c 滤波器l l 7 - ”l 。 而有源的方法是通过电力电子技术来消除输入电压、电流的谐波分量，通过电力 电子元件的开关作用，使输入的电压、电流波形接近正弦波，将其它最低次谐波分量 能够移到高频范围，剩余的谐波分量就可以很容易用无源滤波的方法滤除。与无源谐 波抑制相比，有源谐波抑制具有明显的优越性，能够对变化的谐波进行迅速的动态跟 踪补偿，而且补偿特性不受电网特性和负载波动的影响。采用有源谐波抑制的方法， “r 以使功率因数大幅度提高，减少逆变电源对电网的谐波污染，同时也可以降低供电 变压器的容量3 j 。 近年来，谐波抑制方法的研究方兴未艾，无源滤波谐波抑制的内容多集中在多脉 冲整流、无源滤波法，有源滤波抑制的研究内容主要集中在可控整流、有源滤波和有 源功率因数校正等方面，其中可控整流和功率因数校正是现在普遍受人们关注的两种 0 法陋2 引。 有源功率因数校正电路按应用对象的不同分为单相功率因数校正和三相功率因 数校正，按电路的工作模式分为电感电流连续模式( c c m ) 和电感电流断续模式 ( d c m ) 。在目前的功率因数校正装置中，变换电路多采用硬开关电路，硬开关电路 j 门助率器件都是被强迫开通( 电压不为零) 和关断( 电流不为零) 的。由于电路存在 i 等q j 电容和寄生电感，所以开关损耗大。此损耗随着频率的增加而成正比增加，祀：丌 t 频率高时，这一损耗大大降低电路的效率。软开关的特点是功率器件在零电聪或零 i l 流的条件卜自然开通或关断，从本质上克服了硬歼关的缺点，在较火程度上解决了 北京工业夫学：r 学硕一 ：学位论文 u ? 辞! 器件开关损耗过大的问题，并降低了功率器件的d “d t 弄【ld i d t ，减少了电磁干扰 【fm i ) 和射频干扰( r f i ) ，具有损耗低，效率高、电压应力小、开关噪声低等优点 p 川。 随着弧焊逆变电源在焊接电源中的比例加大，对电网凿波的影响日趋严重。国外 诈多国家对弧焊逆变电源的功率因数以及电网谐波干扰进行规定。我国的产品要想走 _ n ju ! ：界，必须在这方面满足要求。另一方面，随着电力电子产品在国内的大量应用， 刚家必然要在功率因数方面做出规定，我国在通讯电源中已出台相应的标准。如何改 善弧焊逆变电源的输入波形，提高其功率因数已成为一个重要的课题。目前，在我国 弧弹逆变电源的功率因数校正的研究刚处于起步阶段，只有清华大学、西安交大、华 l 1 大学和浙江大学有这方面的研究。 1 ( j 论文的主要研究内容 本课题在弧焊逆变电源功率因数校正仿真分析基础上，研制了一台适用于弧焊逆 变c 乇：f _ 源的软开关有源功率因数校正装置。在分析现有的功率因数校正系统的基础上， 将营波抑制技术引入到焊接逆变电源中，研制了焊接逆变电源的单相有源功率因数校 】i 二装置，同时根据零电压转换软开关的特点，使用z v t - p f c 专用控制芯片u c 3 8 5 5 设o i 出软开关的有源功率因数校正装置，有效减少了p f c 主开关的损耗和抑制了e m i ， 并纪台了计算机仿真技术，优化电路结构和参数，最终达到消除电流畸变提高功率因 数，减少电网污染的效果。论文着重完成了以下几项工作： l 、阐述了电网谐波污染问题和谐波抑制的方法。分析了现有功率因数的研究现 状，对常用的功率因数校正器( p f c ) 的拓扑结构、工作模式和控制方法进行了比较， 选择出适用于弧焊逆变电源的拓扑结构。 2 、对升压式平均电流型功率因数校正电路进行推导，得出了电压环、电流环传 递雨数，并对其系统进行分析和仿真。 3 、针对硬开关b o o s tp f c 电路的主要缺点，提出了软开关b 0 0 s tp f c 拓扑方案。 4 、研制了适用于3 0 0 0 瓦弧焊逆变电源的软开关功率因数校j e 装置。设计内容包 括：1 ) 毛电路：主电路结构形式、开关管的选择和电感、电容的设计；2 ) 控制电路： 丌天器件的驱动电路和保护电路等。 5 、组装和调试功率因数校正装置，优化电路参数，进行有源功率因数校正装置 的4 戈际波形和功率因数测试。 第2 章逆变焊接i h 源的功率吲数校l e 方案改计 第2 章逆变焊接电源的功率因数校正方案设计 现有的逆变电源含有的谐波分量远远高于i e c 6 10 0 0 一3 2 等标准的限值。本章 埘单相有源功率因数校正电路的拓扑结构、控制策略进行了计算机仿真分析和比 较，确定平均电流型控制方式的b o o s tp f c 电路作为弧焊逆变电源的输入级。 2 1 谐波的限制标准 近几年来随着电路理论和半导体器件的成熟，电力电子技术广泛用于国民 经济生产和人们的日常生活中，但这类装置中直流电压源大多由电网直接整流后， p 经过并联大电容滤波得到。滤波电容的引入造成这类装置网侧电流畸变，这种 畸变的电流在电网中分布广泛，且谐波含量丰富，难以进行集中补偿，使电网中 谐波含量大大增加，总的功率因数下降，甚至使电网电压产生严重畸变 ”i 。 国际电工委员会( i e c ) 、国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 和其它的一些 因家和地区的专业协会都成立了专门的工作小组，制定了电力系统与电工产品的 谐波限制标准【1 5 ，怕j ，其中比较有代表性的是：在小功率级别的i e c 6 l o o o 一3 ，德国的 v d e 0 8 3 8 ，大功率级别的i e e e 5 1 9 。1 9 9 2 、i e c 6 l o o o 4 等。我国的电力部、邮电部 参照上述标准，也制定了相应的标准，关于谐波的限制标准在1 9 9 8 年1 0 月起已 经开始推行，同时我国也开始加强对进口商品电磁兼容性能的限制。i e e e 5 1 9 1 9 9 2 对用户在电网接入点( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g p c c ) 的电压、电流的谐波限制标 准。不同的电压级别，对谐波的限制程度不同，电压越高，限制的程度越高。 表2 1 i e c6 1 0 0 0 3 2 的级别a 的谐波含量的限制 1 a b l e2 - 1h a r m o n i c l i m i to f t h e i e c6 i o o o 一3 2 ( c l a s s a ) o d dh a m o n i c s 32 3 0 511 4 707 7 904 0 1 lo3 3 1302 1 l5 n 3 9o1 5 + 1 5 n e v e nh a m l o n i c s 21 0 6 4o 4 3 6o 3 0 8 n 4 0o 2 3 + 8 n i e c 6 l o o o 一3 2 对输入电流1 6 a 以下的单相和三相设备的谐波水平进行了具体 规定。这些规定从1 9 9 6 年1 月1 日起在欧共体国家已经丌始强制执行。该标准分 为四个绒别： 北京工业大学i 一学硕士学位论文 级别a 一指功率大于6 0 0 w 或三相平衡输入的设备； 级别b 一便携式电源 级别c 一照明设备 级别d 一功率在7 5 到6 0 0 w 的开关电源 表2 1 给出了级别a 的各次谐波的电流限值，其它级别的设备和焊接电源没 自关系，这里不列出。 在i e c 6 1 0 0 0 标准中，对总的谐波畸变率限制标准是小于5 。可是大功率的 蜉接逆变电源的输入电流一般超过1 6 a 的范围由于大功率电力电子设备的谐波 抑制问题一直是电力电子领域的难点，所以国际上也没有制定出1 6 a 以上的谐波 7 矗量的限值。国外和国内的研究人员一般只是将大功率设备的总的谐波畸变率降 到1 0 以下，所以1 0 很可能就是大功率电力电子设备的谐波限制标准。 2 2 弧焊电源的功率因数 逆变式弧焊电源中将5 0 h z 的正弦交流变成直流这一过程是采用二极管整流器 宽成的，二极管整流器中的功率只能出电网交流侧流向直流侧。为了使直流输出 电睡纹波尽可能小，在直流侧往往接入大的电容作为滤波器，该电容被充电到接 近交流输入电压峰值的电压值。这样就使得电力电子系统在运行时流经整流器的 电流呈不连续现象。逆变式弧焊电源的主电路按其工作频率分为高频网络和工频 p q 珞二：部分。高频网络包括逆变、高频降压、输出整流滤波等电路，工频网络即 输入整流滤波电路。输出整流滤波电路采用电感续流方式，可以证明：增大输出 滤波电感，将可提高高频网络的功率因数，但由于高频变压器并非理想，即使滤 波电感足够大，其功率因数也不可能达到l ”“。 1 b 一 j：d 1jin 3 l c c 1 ) ，l 值犬得足以使电感电流连续，且功率器件开关切换脉冲占空比的变化遵循以f 规 p ( 即关断占空比遵循正弦规律) 变化时： 心 北京工业大学工学硕士学位论文 竺：! 兰。，吲d = 1 一l( 3 5 ) 吒 根据正弦波脉冲调制规律( s p w m ) ，可证明电感中流过的电流为3 4 j ： 堡墅鲨尘! 銎型 ( 3 6 ) 。s i n ( h 半) 。 肝 显然，只要k l ，就能确保f l = ，。s i n 。f ，亦即i l 与输入电压一样是正弦波 十h i 囊又相同，从而实现了d f = 1 ，c o s 舻= 1 的目标。 3 2 主要开关器件的电流和电压 如果假设电路效率为l ，则根据定义可得【3 5 】 p 应舢n 纠 ( 3 7 ) 式巾p 。为输出功率，由式( 3 1 ) ，可得电感l 上电流i l 的平均值为： ，。，= 2 j 只( 万。) ( 3 8 ) 由于k 1 ，式3 4 可简化为： d = l 一。s i n 。，屹 ( 3 9 ) 流经开关管m 的平均电流就是以式( 3 9 ) 表示的占空比规律的高频斩波电 感 h 流而得到的电流，所以流经开关管m 的平均电流为： k = 压争。 ( 3 一l o ) 但是，流经二极管d 的电流是以占空比1 一d = 。s i n 。f k 的高频斩波电感 t i 流而得到的电流，因此可得流经d 的平均电流为 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式( 3 1 2 ) 表明，i d 电流由直流分量p o v 。和二次分量p 。c o s 2 。t 组成。 蓟行即为输出电流，也是流经d 的平均值，后者为被电容c 。吸收，所以 缈 删 啪 砸 只一圪 舯 一 咆 墨圪 o = k m 第3 章乎均电流型b o o s t p f c 电路系统分析 p 争c o s 弘 i c 电流将引起电容c 。上的电压波动，波动电压为： 叱= 吉船= 志s i n z 州 ( 3 一1 3 ) ( 31 4 ) 由式( 3 一1 4 ) 可见，输出电压中含有一个频率为二倍于电网频率的波纹。该 纹波值与输出电容成反比，与负载功率成正比。 3 - 3 功率因数校正电路的控制系统分析 3 3 1 平均电流型控制 功率因数校正电路原理就是使设备在整个正弦周期内获得电能，并通过调整 周期内能量分布使得输入电流呈与输入电压同相的正弦波形，图3 2 为平均电流 型控制功率因数校正的基本电路图。 v i n 负载 图3 2 平均电流型控制法p f c 电路图 控制系统由电流环和电压环双环组成，图3 3 为双环的结构框图。外环为电i e 环主要是起稳定输出电压的作用。内环为电流环主要作用是使输入电流跟踪输入 电压。p f c 电路必须引入电压和电流反馈构成双环控制系统。外环实现输出电压 稳定，内环实现输入电流整形使之成为与输入电压同相位的标准正弦波。基本p f c 电路的核心是电流控制环。正比于输入整流电压的电流i 和电压误差放大器输出电 ev e 存乘法器相乘，产生的电流i 。，通过电阻r c 产生一个于输入整流电压波形 帼同的电压信号。输入电流i l 通过取样电阻r s 产生电压i j s ，它于r c 上的电压相 北京工业大学工学硕士学位论文 减昏加在电流误差放大器的输入端。由于电流环是无差的，它必将迫使r c 和r s f 的r i 压差等于零，即迫使主回路电流跟踪输入整流电压呈正弦波形，从而使输 入】乜流呈正弦波形。电流的幅值取决于整流器输出的直流电压的高低及负载的大 小圳。 图3 3p f c 电路的取环结构框图 33 _ 2 电流控制环 双闭环控制系统的内环是一个电流控制环，由电流调节器、p w m 比较器和功 ； i 转换电路组成。其作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形。图3 4 为电流环结 构图。 功率转换电路的传递函数 图3 - 4 电流环结构图 g 觯) _ 筹2 憾舰 ( 3 _ 1 5 ) 式中“r s 为电阻r s 上的取样电压( u 。= i l r s ) ，d 为脉冲占空比，v 。为输出直流 电f e ，l 为主回路电感。 p w m 单元的传递函数g p w m ( s ) ： g 一班鬻- 1 喝。 ( 3 叫) v t u j 式中v k 为p w m 比较器的输入端的控制电压，u 是锯齿波的幅值。由式( 3 1 4 、) 和式( 3 1 6 ) 可以推倒得到： 第3 章平均电流型b 0 0 s tp f c 电路系统分析 g 删= 鬻= 器 c ，州， v p 【s j 3 l “ p f c 控制芯片中都有一个电流误差放大器c a ，由它组成如图3 5 形式的p i 渊节器。其传递函数为： g ，( j ) = 图3 5 电流调节器 垡!：上 f m 。r c ysr 2 1 堕! 鱼 ( 3 1 8 ) s c l ( s c 2 r 3 + 1 ) 可得到电流环开环传递函数 g “c s ，= g ，c s ，g ，一c s ，。g c s ，= ! ! ：；j 姜；：专；擀c ，一t ， 可见这是一个二阶无差系统，它可以无差地跟踪正弦波输入函数，从而使输 入电流i l 无差地跟踪i m o 的波形。 3 3 3 电压控制环 双闭环控制系统的外环是一个电压控制环，其作用是使输出电压高于输入电 压峰值电压，这是平均电流型p f c 电路所必须的，并可器到稳定输出电压的作用。 包含电流环，乘法器在内的电压环结构图如图3 5 为电压环结构图。 西o i ( s ) 厂k 1 图3 5 电压环结构图 由f 电流环是无差的，故 ，r 。= = ，。r 。 乘法器的输啦 fu 口= k i s ? “v e _ i ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 故有k i s i n e v 队o u t r c = 1 l r s 两边取有效值 k 旷鼍，h = 鼍鼬k 警气，。，- p ! 。r s ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) z = 梳则足簪- 。，= 。k 月。 ( 3 2 4 ) 嘣驴器= 黜 z s ， 得简化电压环结构图如图3 6 所示： 图3 6 简化电压环结构 i ，f c 芯片中部有一个电压放大器v a ，由它组成如图3 7 所示的积分调节器。 r 6 e v 电压调节器的传递函数： g 邢，= 撬= 惫志 可得到电压调节器的开环传递函数： 嘣耻g 艚) g 觯m ，= 鲁击，淼 i t 玑玟旱一个一阶无辜系统官可以开荠她跟踪蓖付阶跃甬辑 ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) 因此，对 第3 章平均电流型b o o s tp f c 电路系统分析 j 一给定的v 刚( 定值) ，输出是稳定不变的。 3 4b o o s tp f c 电路仿真与试验 礼设计上电路之前，利用s a b e r 电力电子仿真软件对平均电流型控制型功率因 数校j e 电路进行仿真，定量地了解其控制规律，并与试验结果进行比较；同时改 变电路参数，可方便地得到各主要器件地电流电压的相应变化规律，选择合理的 参数，优化电路结构。 3 4 1s a b e r 电力电子仿真软件简介 s a