1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 变频空调有源功率因数校正电路的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录 设计总说明 . 错误 !未定义书签。 INTRODUCTION. I 第 1章 绪 论 . - 1 - 1.1 谐波电流对电网的危害 . - 1 - 1.2 功率因数校正 (PFC)技术研究的意义 . - 2 - 1.3 功率因数校正技术的发展及现状 . - 3 - 第 2章 功率因数校正技术 . - 5 - 2.1 功率因数及总谐波畸变的概念及描述 . - 5 - 2.2 无源功率因数校正技术 . - 6 - 2.3
2、 有源功率因数校正 (APFC). - 6 - 第 3章 变频空调 APFC电路设计 . - 9 - 3.1 APFC电路控制方式设计选择 . - 9 - 3.2 主电路设计 . - 12 - 3.21 输入端保护电路设计 . - 12 - 3.22 高压电容设计 . - 13 - 3.23 整流电路设计 . - 13 - 3.24 电感的设计选择 . - 14 - 3.25 功率二极管设计 . - 14 - 3.26 功率开关管设计 . - 15 - 3.27 输出电容的设计 . - 16 - 3.3 控制电路设计 . - 17 - 3.31 控制芯片的选取 . - 17 - 3.32 控制
3、芯片引脚描述 . - 18 - 3.33 器件参数选择计算 : . - 19 - 3.34 软启动电路设计 . - 19 - 3.35 驱动电路设计 . - 20 - 3.36 电流取样电路设计 . - 21 - 3.37 前馈电压端口设计 . - 22 - 3.38 电压环设计 . - 22 - 3.39 电流环设计 . - 23 - 3.4 过流保护设计 . - 25 - 3.5 欠压，过压保护设计 . - 25 - 3.6 驱动电路设计 . - 26 - 第 4章 BOOST型 APFC电路基于 MATLAB的仿真分析 . - 27 - 目 录 3 4.1 MATLAB功能介绍 . -
4、27 - 4.2 APFC仿真 . - 28 - 4.3 仿真结果分析 . - 31 - 第 5章 总结与展望 . - 33 - 5.1 设计总结 . - 33 - 5.2 未来展望 . - 33 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 4 参考文献 . - 34 - 附录 . - 35 -6 摘要 近几十年来，由于大功率电力电子装置的广泛应用，使公用电网受到谐波电流和谐波电压的污染日益严重，功率因数低，电能利用率低。为了抑制电网的谐波，提高功率因数，人们通常采用无功补偿、有源、无源滤波器等对电网环境进行改善。近年来，功率因数校正技术作为抑制谐波电流，提高功率因数的行之有效的方法，备受人们的关注
5、。在直流变频空调中，其 AC/DC变换大都采用二极管整流和大容量电容器组成的整流滤 波单元与供电电网直接相连。其功率因数一般为 0.7左右，同时输入电流谐波大，特别是奇次谐波尤为突出。 本设计的目标为设计一个 250W，电源功率因数能达到 0.9以上的 APFC电路，包括主电路，控制电路还有保护电路的设计，在参阅国内外文献的基础上，参考了近年来国内外功率因数校正的发展状况，简要分析了无源功率因数与有源功率因数的优、缺点，并详细分析了有源功率因数校正的基本原理和控制方法。在通过对主电路拓扑与控制方法的优、缺点比较后，选择 BOOST变换器作为主电路拓扑，采用基于平均电流控制的 UCC3817 控
6、制器，设计 了容量为 250W 的有源功率因数校正电路，计算分析了主电路的各个元器件的参数，主电路的保护电路的参数计算及各个元器件的选型，控制电流芯片的选择，电压电流采样反馈电路的设计及参数计算。并在 MATLAB 环境下对功率因数校正前、后的电路进行了仿真，通过仿真波形的分析和各个元件参数的分析设计，进一步验证了本设计原理的正确性与准确性，并通过实验，对变频空调主板里面的有源功率因数校正环节进行波形测试和元件参数校正，使得输入电流波形接近正弦波，主板的 EMI 实验符合国内外相关的标准。本文功率因数校正电路的设计，使电路的功率因 数得到了明显的改善，达到了设计要求，同时电路的总谐波畸变因数控
7、制在了一定的范围，减少了对电网的污染。并且电路的输出电压稳定，为后一级的电路设计奠定了基础。 关键词 :有源功率因数校正 ;UCC3817;BOOST 变换器 ;平均电流控制 INTRODUCTION The harmonic for voltage and current,lower Power factor and lower Power effieieney of Public Power system is serious inereasingly beeause of much big Power electronic equipment in resent years.Usuall
8、y,reactive comPensation,filters for active and reactive were used to improved power system in order to control harmonic and imProve Power factor of Power system.But the Power factor correction technique is researeh beeause it is an effeetive method to control harmonic and imProve Powe rfactor by ree
9、ent years.the application in fuzzy conversing air-condition， The transformation uses the most is that AC/DC a rectification and volume of this unit of the capacitor based directly connected with the power supply network. the power factor in general, about 0.7, and the harmonic currents, especially a
10、 time harmonics is particularly outstanding。 The design target is design a 250w, the power factor is 0.99 APFC Circuit，including main circuit ,control circuit and protect circuit.The text refer to the domestic and international texts on the basis of the power factor in recent years and caused a brie
11、f analysis of development, the source of power factor and the source of power factor, faults, and detailed analysis of the power factor to the source of the basic principle and control.Through to the main circuits to control the topology, shortcomings are, choosing a boost to vary as the main circui
12、t topology, the average controlled based on current ucc3817 controller, a capacity for 250w the source of electrical power factor calculation caused, the main circuits to control circuit element argument.Through Matlab in the context of combat power factor, of a simulation of a circuit by simulation
13、 waveforms analysis. further verify the accuracy and precision of design principles.The power to match circuits design factors of electrical power of the factors that have been a marked improvement, the circuit design requirements and the harmonic distortion factor in a certain extent, reducing to a
14、 network of pollution of the circuit. and steady output voltage, to the circuit design laid the foundation. KEYWORDS:UCC3817,BOOST ,CURRENT CONTROL,THE AVERAGE变频空调有源功率因素校正电路的设计 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1谐波电流对电网的危害： 在人民日常生活中，一般的电源 (如市电 )要经过转换才能符合使用的需要。二十世纪八十年代以来，随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子设备被广泛应用到各种不同的领域，促进了国民经
15、济建设。但是大功率电力电子装置的使用以及各种非线性负载的增加，使电力系统波形畸变日益严重，公用电网受到谐波电流和谐波电压的严重污染。大多数装置功率因数低，致使电网中的谐波污染日益严重，并影响到供电质量和用户使用的安全性。伴随着信息时代对电能质量越来越高要求，电网谐波污染的治理越来越多的受到关注，特别是现在提倡“绿色电源”，要求装置对电网无污染，主要包括谐波含量、功率因数、波形畸变等。 在直流变频空调中，其 AC/DC变换大都采用二极管整流和大容量电容器组成的整流滤波单元与供电电网直接相连。其功率因数一般为 0.7左右，同时输入电流谐波大，特别是奇次谐波尤为突出。 解决这些问题的积极方法是采用功
16、率因数校正 (Powe:FactorCorrection， PFC)技术。因此，功率因数校正技术也日益成为研究热点。 现在的电力系统中，大量使用整流电路给人们解决了很多问题，但同时又引入了新的问题，其中最严重的问题就是使电网含有严重 畸变的非正弦电流，这样的谐波电流对电网有危害作用，使得输入端的功率因数下降。从 220V 交流电网经整流滤波后供给直流负载是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流技术。电子设备的整流部分常采用二极管桥式整流，电解电容进行输入滤波，如图 1 一 1(a)所示。整流器一电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的结合，因此，虽然输入交流电压 ui。是正弦的，只
17、在输入电压的峰值时才有输入交流电流 Iin，它是一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，波形严重畸变，如图 1一 1(b)所示。 变频空调有源功率因素校正电路的设计 - 2 - 图 1-1 由此可见， 大量应用整流电路，会使电网供给的输入电流严重畸变。对这种畸变的输入电流进行傅立叶分析，把输入电流用傅立叶级数分解可得如下表达式 : ini =I1sin t+I3 sin3 t +I5 sin5 t + (1-1) 式中， I1 为基波分量， I3、 I5 分别为三次和五次谐波分量。由于输入电流是一个奇函数，所以，表达式中只有奇次谐波。由上面分析可知，输入电流中除含有基波外，还含有丰富的奇次高次
18、谐波分量，这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。其主要危害有： 1.由于电网主要是按基波设计的。由于 LC 元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电 网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，对设备造成危害。特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备（其它设备主要是感性设备）配合，构成共振条件，又由于其大小与谐波频率成反比，因此，电容更容易吸收谐波共振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。 2.使电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低了
19、设备的效率，同时谐波会影响设备的正常工作，例如变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障，绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏 。 3.导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失，谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。 另外，谐波还会产生对设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。 1.2功率因数校正 (PFC)技术研究的意义 为了减小 AC/DC 变换电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波变频空调有源功率因素校正电路的设计 - 3 - “污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性，同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果，必须限制 AC
20、/DC 电路的输入端谐波电流分量 , 一些世界性的学术组织或国家己经颁布或实施了一些输入电流谐波限制标准，如IEC555-2、 IEEE519、 IEC10OO-3-2 等。因此，使用功率因数校正 (Powe Facto correction， PFC)技术把谐波污染控制在相应的标准要求范围之内以成为当务之急 2。 进入二十一世纪， PFC技术的研究方兴未艾，特别在我国，对于这方面的要求和标准规范还不健全，选择此课题研究的目的和意义具有如下几点 : (1)开关电源功率因数校正技术作为电源的一门新兴技术，它的作用和重要性己得到广泛的认可，如何提高功率因数己成为当今电力电子界的研究热点 ; (2)
21、提高功率因数是节省能源，提高电能质量保证电力系统安全 稳定运行的要求 ; (3)针对谐波污染，国际上已制定了各种相关的标准和规定，以限制谐波的危害， 净化电磁环境，如 MIL-STD- 1399， BELLCO 既 001089， IEC555-2， IEEE519等，其中 IEC555-2标准自 1994年起在欧盟国家全面实施，所有不符合此标准的用电装置不准在欧洲销售。随着这些标准的强制执行，以及 lC 厂家的积极努力，推动了 PFC技术的发展，在用电设备中采用 PFC 来提高功率因数，提高效率，减少了电源整机成本，提高了可靠性，对于提高产品的竞争力具有十分重要的意义。 1.3功率因数 校正
22、技术的发展及现状 传统的功率因数概念是在线性负载 (如电阻、电感等 )条件下得到的，这时，交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为小，功率因数 PF=cos 中，由于最早使用大量交流电动机和各种电磁开关以及照明用电使用大量日光灯等感性负载产生电网谐波，才引起人们的重视。当时对于功率因数校正技术的研究，人们通常在感性负载两端并联移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率。 APFC 技术诞生于 20 世纪 80 年代 ,它采用高频开关工作方式 ,具有体积小质量轻、效 率高、输入功率因数接近于 1等优点。 20世纪 90年代是 PFC 技术大发展的阶段 ,PFC技术的理论日趋完善 , 校正技
23、术与软开关技术相结合 ,进一步提高PF 电路的性能 ,国外开始了基于脉冲宽度调制整流器的交流传动应用系统研究 , 即双 PWM 变频调速系统的研究 ,并且已有双 PWM变频调速系统产品问世。特别是近几年 , ABB 罗克韦尔、 GE、富士电机等公司相继都有产品问世 , 其中 GE 公司的 INNOVATIN 系列中压变频器在四象限运行方面比较领先 ,且在工程中运用的 项目较 多。双 PWM 结构的四象限变频器推出较早 ,在可逆 系统中应用较多。前的 PFC 技术 ,目对于小容量系统 , 一般采用单相 APFC 电路 ,其在电路拓扑和控制变频空调有源功率因素校正电路的设计 - 4 - 技术方面的
24、发展 都比较成熟 , 已经出现了各种商业化的专用控制芯片 ,如 UC3852PFC 集成控 制器 ; 对于大容量系统 , 三相六管高频整流电路和三相多电平整流电路等高功率因数整流技术得到了广泛的运用 ; 而对于 5 10 kVA 的中等容量系统 , 如果沿用大容量系统中的高频整流等技术 ,则实现复杂 , 成本较高 , 所以都采用一般的三相 APFC电路。目前出现了采用三相 PWM 整流技术的大功率不间断电源 ( UPS )和变 频器。 我国尽管 PFC 技术研究起步较晚，目前仍取得不少进展。 1994 年有关学会组织了 PFC技术的专题研讨会。小功率带 PFC 的开关电源也开始进入实用阶段，其
25、 PF 值达到 0.99， THD 8%。我国从 1994 年 3 月开始执行国家标准 GB/T14549-93电能质量，公用电网谐波。 通过几十年的发展，功率因数校正技术的主电路拓扑不断改进，功率因数校正技术中的硬开关技术和单相功率因数校正技术已经日渐成熟，并被人们广泛应用于生产实践，取得了理想的效果。所以，近 几年来功率因数校正技术的研究热点和重点主要集中在以下几个方面 :新拓扑的提出，软开关技术的应用，三相功率因数校正技术的研究以及控制方法的提出。 变频空调有源功率因素校正电路的设计 - 5 - 第 2 章 功率因数校正技术 2.1 功率因数总谐波畸变的概念及描述 在 AC/DC整流电路
26、中，功率因数 (PF)定义为有功功率 (P)与视 在功率 (s)的比值，用公式表示为 PF=SP =muIUIU111 cos =muII1 cos = cos （ 2-1） 式中， I1表示交流输入市电的基波电流有效值 ;Irms 表示交流输入市电电流的有效值 ; 1/ rmsII 表示交流输入市电电流的波形畸变因数 ;cos 表示交流输入市电的基波电压和基波电流的相位因数。 电流的总谐波畸变因数 (THD)可表示为： THD= 221)(nmII = 212222 .3 I III n =122IInn *100% (2-2) rmsII1 = =121nnII =2)(11THD (2-3) PF=rmuII1 cos =2)(11THD cos = cos (2-4) 由上式可以看出，当交流输入市电的电压、电流同频和同相位时 ，即 cos =1，功率因数只与总谐波畸变因数有关。所以，控制交流市电输入电流的谐波有助于改善电路的功率因数，减小对电网的谐波污染。 目前，通常采用功率因数校正技术来改善开关整流电路的功率因数，具体可以通过两个途径来实现： (l)使输入电压、输入电流同相位，此时 cos =1， PF= 。 (2)使输入电流正弦化，即谐波为零， =1，即 PF=1，从而实现功率因数校正。
