1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 基于 APFC 的单相 PWM 整流器的设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电 气 学生姓名： XXXXXXXX 指导教师： XXXXXXX 摘 要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 本课题研究的意义 . 2 1.3 整流技术的发展 . 3 1.4 本论文主要工作 . 4 第 2 章 PWM 控制技术 . 5 2.1 PWM 简介 . 5 2.2 PWM 控制原理和应用 . 5 2.2.1 PWM 控制的基本原理 . 5 2.2.2 PWM 计算法和调制法 . 7 第 3 章 功率因素校正技术 . 10 3.1 发展历史 .
2、 10 3.2 Boost PFC 电路与 Buck 电路的对偶性 . 11 3.3 PFC 技术分类及研究方向 . 13 3.4 PFC 技术分类 . 14 3.5 基本的两种功率因素校正技术 . 16 第 4 章 有源功率因素校正（ APFC）技术 . 19 4.1 功率因数 (PF)的定义 . 19 4.2 功率因数校正 . 19 4.3 功率因数校正实现方法 . 20 4.4 有源功率因数校正方法分类 . 20 4.5 功率因数校正技术的发展趋势 . 25 第 5 章 MATLAB 仿真实验 . 27 5.1 电路的工作原理 . 27 5.2 Matlab 仿真 . 29 5.2.1M
3、ATLAB 仿真 图 . 29 第 6 章 结论与展望 . 32 5.1 结论 . 32 5.1.1 基于滞环比较法控制系统的研究 . 32 5.1.2 基于功率因素校正技术的研究 . 32 5.2 展望 . 32 参考文献 . 34 致谢 . I 摘 要 分析单相电压型 PWM 整流电路 (功率因素校正电路 )的工作原理和工作模式 , 功率因数校正（ PFC）技术诞生与 20世纪 80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（ PF）接近的优点，采用 PWM进行控制 ,其中控制方法采用的是电流滞环比较法，因硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应
4、性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率选 择适当的工作模式和工作时序 ,可使 PWM 整流电路的输出直流电压得到有效的稳定值。同时也调节了交流侧电流的大小和相位 ,实现能量在交流侧和直流侧的双向流动 ,并使变流装置获得良好的功率因数。最后建立其 Matlab 的仿真模型 ,验证了设计的正确性。 关键词： PWM 整流，功率因素校正，功率因数 II Abstract Analysis of single-phase voltage source PWM rectifier circuit (power factor correction
5、 circuit) and working principle of work mode, power factor correction (PFC) technology was born in the 1980s, it adopts the high frequency switching is, has the advantages of small size, light weight, high efficiency, the input power factor (PF) close to 1, control, using PWM control method is compa
6、rative, hysteresis current hardware circuit is simple, belongs to the real-time control, fast response to load current, the adaptability, because do not need carrier, so the output voltage excluding specific frequency harmonics, in addition, the control mode, and is helpful to improve the efficiency
7、 of selecting the appropriate working mode and work timing, can make the PWM rectifier circuit output dc voltage stability of effectively. Also adjust the ac current of the amplitude and phase, realize the ac and dc power in the bidirectional lateral flow, and make good converter device of power fac
8、tor. Finally the simulation model is established, and its Matlab verifies the correctness of design. Keywords: single-phase voltage type, PWM, Rectifier, Power factor correction, The power factor, Current hysteresis comparison, Matlab, Simulation. 1 第 1 章 绪论 1.1 概述 功率因数校正（ PFC）技术诞生与 20 世纪 80 年代，它采用的
9、是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（ PF）接近的优点，因而受到了人们的关注。但 20 世纪 80 年代的 功率因素校正技术大部分是寄予Boost 电路原理。所以说 20 世纪 80 年代是 Boost 功率因素校正年代。这个阶段的注意特点是：校正器采用的是 “乘法器（ Multiplier）原理进行控制，校正器工作在连续导电模式（ CCM）可以获得较大的功率转换容量。但是控制比较复杂，不适合 200以下小容量使用： 20 世纪 80 年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正技术，校正器工作在不连续导电模式（ DCM），使控制电路大大简化，很适合 200以下小容
10、量整流器使用，一般不能用在较大功率整流器中 。 大家熟知 ,在传统的变流电路中 ,晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏 ,这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素 ,也增加了电网中无功功率的消耗。 PWM 整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路 ,能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对 PWM 整流电路进行有效的控制 ,选择合适的工作模式和工作时序 ,从而调节了交流侧电流的大小和相位 ,使之接近正弦波并与电网电压同相或反相 ,不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题 ,同时也使得变流装置获得良好的功率因数；同时 PWM 控制主要用于逆变电路，主要采用电
11、流滞环法控制，这种控制 电路主要是硬件电路简单，经济，而且对电压的利用率高，对网侧污染少，提高了功率因素。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的 ,目前使用较广泛的 PWM 法 .前面提到的采样控制理论中的一个重要结论 :冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以该结论为理论基础 ,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断 ,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 ,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电 路输出电压的频率和幅值。 PWM
12、 调制是现代发展起来的一项技术，早工程上主要有滞环比较法和三角波比较法，较之后者， 滞环比较控制方式的硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率，但在响应快的同时，电2 流脉动也很大，而且滞环的宽度也难控制，若宽度过大，开关频率和开关损耗可降低，但跟踪误差增大，若宽度过小，开关频率和开关损耗增大，跟踪误差可减小，再者，如果宽度固定，电流跟随误差范围也是固定的，但是开关器件的频率是变化的，这就对电力器件的工作频率提出了更高的要求，今后电力电子技术将会得到进一步发展，高频电力电子器件会应运而
13、生，对上面目前不足将得到很大的改善。 PWM 控制技术 一直是变频技术的核心技术之一。 1964 年 A.Schonung 和H.stemmler 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面 。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产 生正弦脉宽调制 SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完 成优化的实时在线的 PWM 信号输出，可以说直到目前 为止， PWM 在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点 。由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。 P
14、WM 控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种 PWM方案，多重 PWM 也应归于此类），优化 PWM 及随机 PWM。正弦 PWM 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重 PWM 技术在大功率变频器中有其独特的优势（如 ABB ACS1000 系列和美国 ROBICON 公司的完美无谐波系列等）；而优化 PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（ THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。 1.2 本课题研究的意义 作为 20 世纪后期新兴的边缘学科，电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及
15、控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。业界认为，电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发 展。从 1947 年第一只晶体管诞生之日起，半导体器件及相应的变流装置在世界范围内很快发展起来，从而产生了半导体固态电子学。这一技术发展到 1956 年，在晶体管的基础上又制成了晶闸管，从此开始步入电力电子技术的新时代。 70 年代后期，在 SCR 基础上研制成功的可关断晶闸管以及在晶体管基础上研制成功的电力晶体管及模块相继进入实用化，并在中、大容量的变流装置中，传统的晶体管逐渐被这些全控型电力电子器件所取代。电力电子技术取
16、得快速发展正值 80 年代后期，随着以计算机为核心的微电子技术与电力电子技术的高电压、大电流技术的发展与 结合，一方面诞生了多种具有自关断功能的器件，形成了一个新型的全控型电力电子器件家3 族；另一方面又涌现了一批多功能的控制模块。目前，电力电子技术已由半控型、全控型器件进入全新的智能型时代。其表现是，一方面原有各新型电力电子器件额定参数不断提高；另一方面在国家自然科学基金的资助和创新机制推动下，目前，我国电力电子技术的研究已从吸收消化和一般跟踪，发展到前沿跟踪和基础创新，推出了诸多科研成果。具有代表性的产品 20MVA 静止无功发生器工业试验样机，获国家科技进步二等奖；通过专家鉴定的磁悬浮概
17、念车的研究取得阶段性成果 ；在交流励磁发电的研究方面也获得良好的进展。目前电力电子行业还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究，包括电力电子系统的积木式集成技术、具有独立电源的多电平拓扑电路、具有超导储能的并联型 UPS、多电平软开关技术、铁道供电系统的电流谐波抑制和功率因数改善、逆变器无线均流技术、电能质量综合调节器、直流侧谐波抑制的 PWM 控制策略等。这些成果和研究对提高我国电力电子行业的学术水平、提升电源产品的技术含量、赶超世界先进水平和增强国际竞争能力具有非常重要的意义。 目前，电力电子产品较好地满足了我国的市场 需求，但新型电力电子半导体器件仍需依靠进口。专家评估认为，
18、与发达国家相比，我国在应用基础研究深度方面的差距至少为 510 年；在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、工人素质、持续创新能力和公司体制等综合实力方面的差距约为 1015 年；特别是对电源产品和装置性能有极其重要影响的新型场控器件的芯片制造技术，目前还处于非常落后的状态。 展望 21 世纪电力电子产业或电源产业的发展趋势，其动向就是围绕提高效率、提高性能、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈的研究。为此，我国电力 电子行业未来几年开展研究的重点领域应是进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；避免电力公害，尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率因数接近1；提高电
19、源装置和系统的电磁兼容性；降低电噪声；通过实施高频化、元件小型化和先进工艺，实现产品的小型化和轻量化。 1.3 整流技术的发展 在半导体技术未出现时，整流是用电动机 -发电机组合电子管 离子管器件来完成的。随着半导体技术的出现和发展，半导体整流器在整流技术中占据统治地位。 整流技术的发展可分为四个阶段： （ 1）旋转式 AC/DC 变换，即电动机 发电机组； 4 （ 2） 电子管、离子管整流器； （ 3）不可控整流器（主要指半导体二极管整流器）； （ 4）可控整流器（又有相位控制和 PWM 控制之分）。 由于旋转式 AC/DC 变换和电子管、离子管整流器的性价比很低，现在已基本不被采用。取而代
20、之的是不可控整流器和可控整流器。不可控整流器是利用半导体二极管的单向导电性来完成整流功能的。它的特点是电路简单、可靠性高，但是由于半导体二极管的不可控性，使其应用受到限制。可控整流器是利用晶闸管（ SCR）、功率场效应晶体管（ VMOS）、绝缘栅晶体管（ IGBT）等大功率开关器件的半可控性或可控性来 完成整流功能的。 SCR 不具备自关断特性，它实际上是一个半可控器件。由 VMOS、 IGBT 等构成的整流器称为 PWM 控制型整流器。 PWM 控制型整流器也称为 PWM 斩波型整流器。它是大功率开关器件和PWM 控制技术在整流器领域的应用，是最具有发展前途的整流技术。 1.4 本论文主要工
21、作 (1)PWM 的基本原理。 (2)了解 APFC 技术，完成系统总体结构设计。 (3)阅读国内外专家论文，翻译外文资料文献。 (4)设计基于 APFC 的单相可控整流器，并进行 matlab 仿真，验证整流任务，看是否满足要求。 5 第 2 章 PWM 控制技术 2.1 PWM 简介 PWM 的全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的 ,目前使用较广泛的 PWM 法 .前面提
22、到的采样控制理论中的一个重要结论 :冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以该结论为理论基础 ,用脉冲宽度按正弦规律变化 而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断 ,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 ,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 2.2 PWM 控制原理和应用 2.2.1 PWM 控制的基本原理 f ( t ) ( t )tOa ) b ) c ) d )tOtOtOf ( t )f ( t )f ( t )图 2.1 形状不同而冲量相同的
23、各种窄脉冲 在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效 果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异，例如图 a、 b、 c 所示的三个窄脉冲形状不同。其中如 2.1a 为矩形脉冲，图 2.1b 为三角形脉冲，图 2.1c 为正弦半波脉冲，但它们的面积都等于 1,，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图 2.1d 的单位脉冲函数 (t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 图 2.2a 的
24、电路是一个具体的例子。图中 e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分6 别如图 2.1a、 b、 c、 d 所示，为电路的输入。该输入加在可以看出惯性环节的 R-L电路上，设其电路 i(t)为电路的输出，图 2.2b 给出了不同的窄脉冲时 i(t)的波形。从波形可以看出，在 i(t)的上升段，脉冲形状不同时 i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎相同。脉冲越窄，个 i(t)波形的差异也越小。如果周期性地加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的用傅里叶级数分解后将可看 出。 a )Ob )tbdcai ( t )i ( t )e ( t )图 2.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 各 i(t)
25、在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有 所不同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是 PWM 控制技术的重要理论基础。 下面分析如何用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。 把图 2.3 的正弦波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是有 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /N,且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲相应的正弦波部分面积相等，就得到图 b 所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形。可以看出，个脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变换的。根据面积等效原理， PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦波规律变化和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM 波形。
