基于APFC的单相PWM整流器的设计——毕业论文

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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 10 3.2 Boost PFC 电路与 Bu

2、ck 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 5.2.1MATLAB 仿真图 29 第 6 章 结论与展望 .32 5.1 结论 32 5.1.1 基于

3、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

4、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 circuit) and working principle of work mode, power factor cor

5、rection (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 comparative, hysteresis current hardware circuit is simple, belongs

6、 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 of selecting the appropriate working mode and work timing, ca

7、n 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 factor. Finally the simulation model is established, and its Matl

8、ab 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

9、 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

10、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(Sinuso

11、idal 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 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

12、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 2 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

13、 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。 PWM 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

14、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

15、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

16、流技术的发展与结 3 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