【正文】 而對(duì)于目前人類(lèi)所大量使用和無(wú)比依賴的電能使用，功率因數(shù)將是重中之重。= 時(shí)的損耗是cos216。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 24 對(duì)于電力系統(tǒng)中的輸電部分 輸電線上的損耗： Pl=RI*I，負(fù)載吸收的平均功率： P.=V*I*cos216。能相互抵消。 (3). 避免電機(jī)或設(shè)備空載運(yùn)行。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是非線性控制方法，比如非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)。如果工作在 PWM 硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下， MOSFET 的開(kāi)通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會(huì)相當(dāng)大，因此，最大的問(wèn)題是如何消除這兩個(gè)損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開(kāi)關(guān) Boost 變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù)，一是有源軟開(kāi)關(guān)，二是無(wú)源軟開(kāi)關(guān)即無(wú)源無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)。這種控制方法工作在 CCM 模式，可用于 Flyback,Cuk,Boost等拓?fù)渲校湔{(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖 (b)所示。典型電路如圖 所示。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路，使功率因數(shù)接近 1。所以，設(shè)有功率因數(shù)校正電路使功率因數(shù)近于 1 的開(kāi)關(guān)電源得到迅速的發(fā)展。 ? 值低，則表示輸入電流諧波分量大，對(duì)電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)，對(duì) 三相四線制供電還會(huì)造成中線電位偏移，致使用電電器設(shè)備損壞。 有源功率因素校正（ APFC）技術(shù) 對(duì)電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、多導(dǎo)電模式和新的電路結(jié)構(gòu)來(lái)提高其性能和提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等。“電壓跟隨器 |”這個(gè)詞是首先由 應(yīng)用到功率因素校正技術(shù)中的。 基本的兩種功率因素校正技術(shù) 在 20 實(shí)際 80 年代中期，功率因素校正器的研究以乘法器方式為主，其基本原理如圖 所示。 D C / D C b） 圖 兩級(jí)式和單級(jí)式 PFC變換器方框圖 a) 兩級(jí)式 b）單級(jí)式 對(duì)于單級(jí) PFC，在 DCM 導(dǎo)電模式下采用電壓跟蹤方進(jìn)行 PFC 時(shí)，可以直接采用常規(guī)的PWM 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)又可以使輸入 PF=1。 根據(jù) PFC 即與 DC/DC 級(jí)電流的工作模態(tài)，兩級(jí) PFC 又分為四種，即 ++++ 技術(shù)分類(lèi) 根據(jù)控制方式，兩級(jí) PFC 又可以分為 PWM 控制和變頻控制。這種控制思想對(duì) Buck 和 BuckBoost 電路也是適合的。這種電路的特點(diǎn)是電路連續(xù)，缺點(diǎn)是只能升壓不能降壓、啟動(dòng)及過(guò)載沖擊大、保護(hù)困難、空載性能差，所謂電容輸入型，就是用電容 C 作為輸入的電路，這類(lèi)電路的典型代表是 Buck 有源功率因素校正 dialup，它主要用于電流型逆變器。但20 世紀(jì) 80 年代的功率因素校正技術(shù)大部分是寄予 Boost 電路原理。滿足上述這些要求的有源 校正電路，通過(guò)設(shè)計(jì)，幾乎所有類(lèi)型的 DC/DC 開(kāi)關(guān)變流器都可以實(shí)現(xiàn)功率因素校正。 PWM 控制技術(shù)用于逆變電路 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性，正是由 于在逆變電路中廣泛而成功華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 的應(yīng)用，才奠定了 PWM 控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位，除功率很大的逆變裝置外，不用 PWM 控制的逆變電路已十分少見(jiàn)。根據(jù)電感電流的公式，當(dāng) Q 導(dǎo)通是電感電流增大，二當(dāng) Q 關(guān)斷時(shí)電感電流減小。 常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式 。但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，因而在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。 調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的 PWM 波 。 ? tOua )b )圖 6 3Ou? t 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 6 圖 PWM 波代替正弦波 要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。 把圖 的正弦波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是有 N 個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。 圖 。廣泛地用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門(mén)控制，比如我們現(xiàn)在的電動(dòng)車(chē)電機(jī)調(diào)速就是使用這 種方式。 PWM 模塊可以輸出 6 路 PWM 波，非常適用于電機(jī)控制。對(duì)于輸出電壓不高的場(chǎng)合，全波電 路由 于其元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。這些成果和研究對(duì)提高我國(guó)電力電子行業(yè)的學(xué)術(shù)水平、提升電源產(chǎn)品的技術(shù)含量、趕超世界先進(jìn)水平和增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力具有非常重要的意義。這一技術(shù)發(fā)展到 1956年，在晶體管的基礎(chǔ)上又制成了晶閘管，從此開(kāi)始步入電力電子技術(shù)的新時(shí)代。 從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制 波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 SPWM 信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 2 的 PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止， PWM 在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。但是控制比較復(fù)雜，不適合 200Ｗ以下小容量使用： 20 世紀(jì) 80 年代后期又針對(duì)小容量整流器提出了電壓跟隨器校正技術(shù)，校正器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（ DCM），使控制電路大大簡(jiǎn)化，很適合 200Ｗ以下小容量整流器使用，一般不能用在較大功率整流器中。華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 單相電壓型 PWM 整流 摘 要 分析單相電壓型 PWM 整流電路 (功率因素校正電路 )的工作原理和工作模式 , 功率因數(shù)校正（ PFC）技術(shù)誕生與 20 世紀(jì) 80 年代，它采用的是高頻開(kāi)關(guān)工作方式，具有體積小，重量輕，效率高，輸入功率因素（ PF）接近１的優(yōu)點(diǎn)，采用 PWM 進(jìn)行控制 ,其中控制方法采用的是電流滯環(huán)比較法，因 硬件電路簡(jiǎn)單，屬于實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)，由于不需要載波，所以輸出電壓不含特定頻率的諧波分量，另外，這種控制方式，有利于提高電壓利用率 選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鲿r(shí)序 ,可使 PWM整流電路的輸出直 流電壓得到有效的穩(wěn)定值。 大家熟知 ,在傳統(tǒng) 的變流電路中 ,晶閘管可控整流裝置的功率因數(shù)會(huì)隨著其觸發(fā)角的增加而變壞 ,這不但使得電力電子類(lèi)裝置成為電網(wǎng)中的主要諧波因素 ,也增加了電網(wǎng)中無(wú)功功率的消耗。 由于 PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。 70 年代后期，在 SCR 基礎(chǔ)上研制成功的可關(guān)斷晶閘管以及在晶體管基礎(chǔ)上研制成功的電力晶體管及模塊相繼進(jìn)入實(shí)用化，并在中、大容量的變流裝置中，傳統(tǒng)的晶體管逐漸被這些全控型電力電子器件所取代。 目前，電力電子產(chǎn)品較好地滿足了我國(guó)的市場(chǎng)需求，但新型電力電子半導(dǎo)體器件仍需依靠進(jìn)口。但它也存在一些問(wèn)題，諸如占空比丟失、整流二極管的反向恢復(fù)引起的電壓尖峰以及兩橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）的差異。 由于 PI 調(diào)節(jié)器算法簡(jiǎn)單、可靠性高，一直被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，所以本文也采用數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)，將電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的 ,目前使用較廣泛的 PWM 法 .前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ) ,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷 ,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等 ,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。圖中 e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 、b、 c、 d 所示，為電路的輸入。這些脈沖寬度相等，都等于 ? /N,且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波河不等幅 PWM 波兩種。 異步調(diào)制和同步調(diào)制 載波比 ——載波頻率 fc 與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比， N= fc / fr. 根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況， PWM 調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制 a. 異步調(diào)制 異步調(diào)制 ——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的，在信號(hào)波的半周期內(nèi)， PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后 1/4 周期的脈沖也不對(duì)稱，當(dāng) fr 較低時(shí)， N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，當(dāng) fr 增高時(shí)， N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少， PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大 b. 同步調(diào)制 同步調(diào)制 ——N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步 基本同步調(diào)制方式， fr 變化時(shí) N 不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定 ，下面分析， 三相電路中公用一個(gè)三角波載波， 圖 為同步調(diào)整三相 PWM 波形， 且取 N 為 3 的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱為使一相的 PWM 波正負(fù)半周鏡對(duì)稱， N 應(yīng)取奇數(shù) fr 很低時(shí)， fc 也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除， r 很高時(shí)， fc 會(huì)過(guò)高， 使開(kāi)關(guān)器件難以承受 。 工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì) 算量小得多，但計(jì)算量卻比自然采樣法小的 多。 (1)滯環(huán)比較方式 圖 6 12u cuO tu rT cA DBO tu ot A t D t B? ?? 39。 令 i*L 減去 iL。 PWM 控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成 PWM 整流電路 可看成逆變電路中的 PWM 技術(shù)向整流電路的延伸， PWM 整流電路已獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景， PWM 整流電路作為對(duì)第 2 章的補(bǔ)充，可使我們對(duì)整流電路有更全面的認(rèn)識(shí)。例如 Buck、 Boost、BuckBoost、 Cuk、 Sepic、 Zeta 變換器等。所以說(shuō) 20 世紀(jì) 80 年代是 Boost 功率因素校正年代。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、抗短路能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、電流 不連續(xù)、只能降壓不能升壓。 電路 項(xiàng)目 電感輸入型 電容輸入型 電路 Boost Buck 電源 U I 儲(chǔ)能 L C 直流濾波 Cd Ld 輸出 Udo Id 開(kāi)關(guān)工 作方式 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 PWM 控制方式 CCM(電流滯環(huán) ) DCM(電感電流斷續(xù) ) CCM(電壓滯環(huán) ) DCM(電容電壓斷續(xù) ) 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 12 UC dL+B o o s tP F C電 路乘 法 器控 制 器iU d oR L a） U+B o o s tP F C電 路乘 法 器控 制 器iU d oR LC dL b） 圖 電感輸入型與電容輸入型 PFC 電路 a） 電感輸入型 b）電容輸入型 技術(shù)分類(lèi)及研究方向 功率因素校正技術(shù)有很多分類(lèi)法，從市電電網(wǎng)輸入方式可以分為單項(xiàng) PFC 電路和三相華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 PFC 電路。單級(jí) PFC 主要分為 Boost和 BuckBoost， Boost 又分為兩端模式和三端模式。而工作在 CCM 導(dǎo)電模式的乘法器 PFC 在電壓跟隨器 PFC 電路中，變換器工作在 DCM 模式中，因此由二極管反向恢復(fù)電流引起的開(kāi)光關(guān)斷損耗也較低。圖中 Boost 變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM） ,其電感電流就是輸入電流。 基本的電壓跟隨器 Boost PFC 電路如圖 。 統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，作為一個(gè)諧波電流源，干擾電網(wǎng)線電壓，產(chǎn)生向四周輻 射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。由于常規(guī)整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于 180176。 功率因數(shù)校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數(shù)接近于 1。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，體積小、重量輕，比無(wú)源功率因數(shù)校正電路效率高。適用于 75~2020W 功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。 工作頻率變化，電流不連續(xù) (DCM)，波形圖如圖 (c)所示。 單周期控制原理圖如圖 所示，是一種非線性控制技術(shù)。 圖 單級(jí)電路 有源軟開(kāi)關(guān)采用附加的一些輔助開(kāi)關(guān)管和一些無(wú)源的電感電容以及二極管，通過(guò)控制主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn) ZVS 或者 ZCS。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù) 雜程度大大降低，可靠性增強(qiáng)。 (4). 合理配置變壓器，恰當(dāng)?shù)剡x擇其容量。電力系統(tǒng)中的負(fù)載大部分是感性的，因此總電流將滯后電壓一個(gè)角度，如圖 1 所示，將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián)，則電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數(shù)將提高。 ，因?yàn)?I=P./V/ cos216。=1 時(shí)的 4 倍。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 4 Matlab 仿真實(shí)驗(yàn) 電路的工作原理 有源功率因素校正（ Active Power Factor Correction， APFC）電路。在現(xiàn)今可用資源接近匱乏的情況下，除了盡快開(kāi)發(fā)新能源外，更好利用現(xiàn)有資源是我們解決燃眉之急的