开关电源无源功率因数校正电路优化设计

1、文章编号:1003-0794(200510-0015-04开关电源无源功率因数校正电路优化设计李昕,李良光(安徽理工大学,安徽淮南232001摘要:电磁兼容标准是强制性的,因此满足特定的电磁兼容标准是功率因数校正技术研究的重要内容。无源功率因数校正技术具有简单及成本低的优点,在小功率应用场合具有广阔的前景。主要是针对开关电源功率因数校正的效果进行分析,并对单相无源功率因数校正(PFC 进行仿真,从仿真中得出接入电感的大小会影响功率因数校正效果。关键词:谐波;功率因数校正;仿真;电磁兼容中图号:TM714文献标识码:A!引言 我国从2002年5月1日开始,全面实施中国强制认证(“3C ”,即“C

2、CC ”认证,3C 认证要求:符合更严格的EMC (电磁兼容要求;增加了对谐波电流的限制,实际便是增加PFC (功率因数校正电路。计算机开关电源是一种二极管整流、电容滤波的非线性电路,其输入功率低,并有较强的谐波电流。可以通过PFC 电路来提高功率因数,抑制谐波。因此功率因数的高低及谐波电流失真成为计算机电源中的一个非常重要的参数。"功率因数校正目前的功率因数校正(PFC 可以分为无源功率因数校正和有源功率因数校正2种。典型的无源功率因数校正电路如图1所示。图!典型的无源功率因数校正电路Fig.!Typical passive PFC circuit但是在实际应用中一般是将电感接在整

3、流桥的前面,如图2,改进型的无源功率因数校正电路中的电感没有直流分量,避免了电感铁芯饱和。=采用无源功率因数校正的方法简单、可靠,无需函数运行结果为:x 1=2.0001,x 2=3.7708,x 3=17.4676,x 4=19.0587,x 5=6.600,x 6=0.9901,f =343.5970。采用常规优化设计的目标函数值f =383.5698,模糊优化和常规优化比较,起升机构二级齿轮减速器中心距减少了10.44%,提高了设计精度。#结语由于模糊优化设计综合考虑了影响机构传动性能的各种模糊因素,因此更接近客观实际,这点从模糊优化结果可以看出,采用模糊优化设计使起升机构减速器中心距减

4、少了10.44%,充分体现了模糊优化的优越性,效果明显。参考文献:1孙靖民.机械优化设计M .北京:机械工业出版社,2000.2谢庆生.机械工程模糊优化方法M .北京:机械工业出版社,2002.3席平原.基于Matlab 的机械优化设计问题分析J .煤矿机械,2003,(9:30-33.4席平原.应用matlab 实现机械优化设计J .机械设计与研究,2003,(3:23-25.作者简介:张海涛(1965-,江苏徐州人,讲师,在读研究生.E -mail :xipingy .收稿日期:2005-05-10Fuzzy Design Optiminization of Lift Mechanism

5、in Power HoistZHANG Hai -tao 1,XI Ping -yuan 2(1.Huaihai Institute of Technology Donggang College ,Lianyungang 222005,China ;2.Huaihai Institute of Technology ,Lianyungang 222005,China Abstract :This paper adopts fuzzy design optimization method for the sample of lift mechanism in tower hoist on the

6、 basisof fuzzy maths.The fuzzy constraints are set up ,including the property and boundary constraints.Being satisfied with the conditions of load -bearing capacity and distribution of transmission ratio ,the maths model in fuzzy design optimization is set up which is to minimize the central space o

7、f reducer in lift mechanism ,and the optimization method and result analysis are given in this paper.Key words :lift mechanism ;fuzzy design optimization ;maths model512005年第10期煤矿机械 进行控制,并且可以使输入电流的总谐波含量与基波比降低到30%以下,输入电流总谐波含量及3、5、7等奇次谐波都得到很大改善,功率因数也可以提高到一定程度上。由于在电路中使用串联电感补偿的方法,所以成本相对较低。图!改进型的无源功率因数校正

8、电路Fig.!Modified papssive PFC circuit但无源PFC 的缺点是增加的无源元件,一般体积都很大也比较重,校正后的功率因数也不是很高,只能达到0.70.8,并且发热量比较大,容易产生工频振动和噪声。有源功率因数校正主要是采用全控开关器件构成的开关电路,以控制输入电流的波形跟随电压波形,使得电流与电压同相。采用这种电路的开关电源可以使总谐波含量降低到5%以下,功率因数高达0.99以上,并且可以将开关电源的输入电压范围扩增为90264VDC 的全域电压,此外还有稳定性佳、振动和噪声低等优点。采用有源功率因数校正技术可以非常有效地降低谐波含量、提高功率因数,从而满足现行最

9、严格的谐波标准。但其电路和控制也较复杂,因而成本较高,且开关器件的高速开关造成电路开关损耗较大,效率会略低于无源功率因数校正电路。"无源功率因数校正工作原理假设电源电压为正弦波,其表达式为e s =2E s sin t ;若非线性负载从交流电源汲取的电流为周期性非正弦波形,可将其表示为i L =n =02I n sin (n t +n =2I 1cos 1sin t +2I 1sin 1cos t +I 0+n =22I n sin (n t +n (1式(1中,等号右边的第1项为基波有功电流分量,记作i p ;第2项为基波无功电流分量i r ;第3项是直流分量:第4项是负载电流i

10、L 的高次谐波分量之和,记作i h 。计算一个周期的平均功率,则得有功功率P =1T T 0e s i L d t =1T Te sip+i i +I 0+i h d t (2积分后得P =E s I 1cos 1而视在功率S =E s I L则功率因数=P /S =I 1/I L cos 1=PF(3#无源功率因数校正电路的仿真基于无源PFC 的基本原理,采用了图3电路进行仿真。图"无源PFC 仿真电路图Fig."Passive PFC simulation circuit单相功率因数校正电路的输入电压和电流都是正弦波,输入电压E s =220V ,C 1=330

11、1;F 。在PFC 电路中的电感L 是电路拓扑结构的“核心”,合适地选取电感值的大小,有利于系统功率因数的校正。本文采用SIMCAD 仿真,在负载功率不同的情况下通过改变系统结构中电感的参数大小,观察系统输出电流的波形,以及各谐波比例。图4为P =200W ,单相无源功率因数校正装置在补偿电感L 分别为0、0.01H 、0.1H 时,根据图3所示电路图作的系统波形仿真图。图4(a 、(c 、(e 分别是补偿电感为0、0.01H 、0.1H 时,电路的输出电压和输入电流波形图,图4(b 、(d 、(f 分别是补偿电感为0、0.01H 、0.1H 时,电路的电流FFT 变换频谱图#无源功率因数校正

12、仿真波形Fig.#Passive PFC simulation wave图,由它可看出功率因数校正电路可以有效地降低奇次谐波分量。无源功率因数校正电路在功率一定的条件下, L取值不同会对电路的功率因数有不同程度的提高。由图4可以看出L的值越大,高次谐波分量越小,此时的电流波形更近似于正弦波,但与电压相位差越大。表1为补偿电感及功率不同情况下的仿真结果(括号中的值代表在不同功率下所对应的负载阻值。表!补偿电感及功率不同情况下的功率因数Tab.!The PF in different compensating inductance and power功率因数负载阻值/电感L/H P=100W P=

13、150W P=200W P=250W P=300W P=350W由表1可以得知,功率一定,L不同时,校正后的功率因数也不同。L取值越大,电流与电压相位差会越大,使得功率因数降低,并且将不能满足负载所需的功率;L取值越小,奇次谐波越大,也会降低功率因数;L取值一定时,随着功率的增大,功率因数有可能会降低,并且功率越大,输入电流越大,易使电感铁芯饱和,同时会使电源的输入功率降低。只有当L取值合适时,校正效果才能达到最佳。根据表1数据可做出PF与L关系曲线图(见图5。图"PF与L关系曲线图Fig."The graph relalion in PF and L从表1及图5可看出功率

14、因数校正技术应用在小功率的开关电源电路时,校正的效果较好。在实际应用中,很多电源工作时都达不到额定功率,一般都工作在轻载状态。无源功率因数校正电路处于轻载和满载时,校正的效果是不同的,当处于轻载时,校正后的功率因数略低于满载工作状态。目前无源功率因数校正技术广泛地应用在300W左右的计算机电源中。根据表1数据、PF与L关系曲线图及输入电压与电流相位的关系可得出选取合适的电感值(如功率为300W的电源,可以选取L=0.06H,无源功率因数校正的效果最佳,并且能满足高次谐波标准。通常在做功率因数校正原理分析时,一般采用的是图1所示的典型无源PFC电路,它的电感接在暖流桥的后面,而实际应用时往往采用

15、的是图2所示改进型PFC电路,它的电感接在整流桥的前面,这样接法可以有效地去除直流分量。图6、图7为L= 0.06H,P=200W时,分别采用图1、图2所示的2种电路结构仿真得出的输入电流的频谱图。图#改进型无源PFC仿真的输入电流频谱图Fig.#Spectrogram of modified PPFC Simulation图$典型无源PFC仿真的输入电流频谱图Fig.$Spectrogram of typical PFC simulation 从图中可以看到采用典型无源PFC电路结构时有较大的直流分量,会使电源的功率下降;谐波主 文章编号:1003-0794(200510-0018-03NG

16、W 型直齿行星传动的设计方法研究*杨实如,段钦华(成都大学,成都610106摘要:行星齿轮传动设计是一件复杂费时的工作,以NGW 型直齿行星传动设计为例,提出一种可行设计方案枚举法,并给出了计算机程序的编制方法。应用这种设计方法可以得到全部可行设计方案,通过对比,容易从中选出较好的方案。关键词:行星传动;枚举法;可行设计方案;强度计算;设计方法中图号:TH132.425文献标识码:A!前言 NGW 型行星齿轮传动(见图1应用广泛,但设计计算较复杂,与其他方法不同,本文提出一种新的应用计算机计算的可行方案枚举法,其主要思路是:(1以z a 、z b 和行星轮个数n p 为变量,在满足给定传动比及

17、配齿条件下,得到尽量多的配齿方案;(2针对每个配齿方案,用标准模数系列中的模数为变量,初算中心距,并将尾数圆整为0或5,从而确定变位系数,然后由强度条件算出齿宽系数,并按齿宽系数要求对方案再进行筛选,最后将可行方案的参数和体积打印出来。这种方法的优点在于:不会漏掉最优方案;设计者可以从体积、模数、重合度或中心距进行选择,也可以综合这几方面目标进行选择;不需考虑*四川省教育厅自然科学基金资助项目(2004A200寻优方法,故编程容易。图!NGW 型行星传动Fig "!The NGW type planetary transmissiona.太阳轮b.齿圈g.行星轮H.行星架#配齿方案的

18、确定及编程方法与步骤输入所需传动比i aH 及其允差后,编程如下:(1计算齿圈齿数z b 并验算传动比条件令太阳轮齿数z a =1535,则z b '=(i aH -1z a z b '一般不是整数,应取整,同时,为了得到更多的配齿方案,可令z b =INT (z b '-1INT (z e '+1=,要来自偶次谐波,也会造成较大的无功分量。因此实际电路中的补偿电感接在整流桥的前面。$结语通过仿真分析无源PFC 电路可得出以下结论:功率因数校正技术的应用可以使输入电流谐波成份得到较好的抑制,并且可以使输入电流与电压的相位差减小,因此,整个电路的功率因数得到提高。

19、电感元件作为输入输出能量传递的重要环节,有着举足轻重的地位。电感取值的不同将直接影响到功率因数校正的效果。无源PFC 电路简单,成本低,可消除随机产生的各种干扰噪声信号,并能限制浪涌电流,使得最终输出较满意的有功分量,因而被广泛地应用在小功率场合。参考文献:1杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术M .北京:机械工业出版社,2004.2林维明,何塞安,林慧聪.新型单相无源功率因数校正整流器的电路拓扑、工作原理和设计分析J .电工技术学报,2004,(1:80-84.3张炳华.“绿色”高频开关电源的控制方法J .通信电源技术,2002,(3:5-9.4宋争,钟洪声.PFC 电路的计算机仿真模拟A .第十三届全国电源技术年会论文集C .作者简介:李昕(1981-,女,硕士,安徽淮南人,安徽理工大学Switth -power Passive Power Factor Corrected Circuit Optimal DesignLI Xin ,LI Liang -guang(Anhui University of Science and Technology ,Huainan 232001,China Abstr