UPS系統(tǒng)功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)趙強(qiáng)

1、湖北理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1.引言1.1 課題研究背景及意義 隨著計(jì)算機(jī)的廣泛運(yùn)用以及高尖端科技的出現(xiàn)，這些系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)的供電質(zhì)量提出了更高的要求，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)用UPS不間斷電源供電，能夠使得系統(tǒng)不會(huì)在工作時(shí)段因?yàn)閿嚯妼?dǎo)致RAM中的重要數(shù)據(jù)丟失，避免不必要的麻煩，更為主要的是UPS電源可以避免計(jì)算機(jī)系統(tǒng)因電源中斷而整體癱瘓。UPS不僅可以連續(xù)不斷地向負(fù)載提供電力的電壓和頻率都在正常范圍內(nèi)，并能抑制輸出電路的干擾。負(fù)載蓄電池濾波器逆變器控制單元充電器整流器波形檢測(cè)濾波器電網(wǎng)UPS 不間斷電源的主要作用是在輸入回路斷電時(shí)將電池 的電能逆變成交流電提供給負(fù)載并且有穩(wěn)頻穩(wěn)壓的作用。當(dāng)電源恢復(fù)正

2、常后,輸入回路會(huì)繼續(xù)向負(fù)載提供電源并且同時(shí)向蓄電池組進(jìn)行充電。其基本原理是把電網(wǎng)中的交流電在經(jīng)過濾波器整流以后變?yōu)橹绷麟姡缓蠼?jīng)過逆變器再轉(zhuǎn)換成交流電，當(dāng)電網(wǎng)由市電供電的時(shí)候同時(shí)把一部分的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)化變成可以儲(chǔ)存的化學(xué)能保留在蓄電池里，在電網(wǎng)供電出現(xiàn)問題的時(shí)候，逆變器的供電這時(shí)候就由蓄電池來承擔(dān)，這樣就保證了不間斷的輸出交流電，其供電時(shí)間的長(zhǎng)短由儲(chǔ)能多少來決定。典型的晶體管式UPS不間斷電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1-1UPS內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)在通常按照UPS不間斷電源的逆變器按照不用的工作方式和狀態(tài)把它分成了在線式與后備式這兩個(gè)工作形式：（1） 在線式：在線式是指在市電正常工作時(shí)，是以交流 整流 逆變

3、器這樣的流程方式對(duì)負(fù)載進(jìn)行提供交流電；當(dāng)市電發(fā)生故障而中斷時(shí)，則會(huì)以蓄電池組 逆變器的這種工作方式對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障，則由控制器使旁路開關(guān)將市電接在負(fù)載上，在逆變器排除故障后，再恢復(fù)逆變器對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。（2） 后備式，后備式就是指的正常情況下負(fù)載的電能由正常的市電電網(wǎng)提供，在市電電網(wǎng)出現(xiàn)問題的時(shí)候，這時(shí)候逆變器的電能就由蓄電池組來提供，負(fù)載所需要的交流電就是由UPS的逆變器來進(jìn)行提供。 當(dāng)單臺(tái)UPS不間斷電源能夠?yàn)槿控?fù)載提供電能時(shí)，其連接方式較為簡(jiǎn)，是由市電進(jìn)過輸入開關(guān)再連接到UPS，然后接入輸出開關(guān)，最后鏈接負(fù)載，這就是最基本的連接方式。兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的UPS不間斷電源所

4、包含的總?cè)萘肯啾容^負(fù)載的總?cè)萘縼碚f要多，并且該系統(tǒng)的包涵總?cè)萘繒?huì)比負(fù)載的總?cè)萘慷嘁慌_(tái)UPS不間斷電源的容量，當(dāng)其中任意一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，其余的不間斷電源可以繼續(xù)為負(fù)載提供電源，這樣的方式稱為并聯(lián)有備份方式，連接方式如圖：市電負(fù)載輸入開關(guān) 輸入開關(guān)輸入開關(guān) 輸出開關(guān) . . . . . . . . . . . . . . .輸入開關(guān) 輸入開關(guān)UPS1UPS2UPSn 圖1-2多臺(tái)UPS并聯(lián)系統(tǒng) 當(dāng)UPS電源附帶的負(fù)荷超過限度或者逆變器能部件出現(xiàn)故障，UPS電源將會(huì)由旁路直接提供電能。當(dāng)然，UPS不間斷電源同樣存在著不足： （1）插件的數(shù)量比較多，這使得硬件的成本也會(huì)相應(yīng)變高。 （2）許多潛在故障不

5、會(huì)輕易地暴露。元器件較多，元器件老化以及偶爾的故障發(fā)生率較高，客戶對(duì)于故障的查找和修理恢復(fù)運(yùn)行比較困難。（1） 由于UPS電源的檢測(cè)特性還僅限于模擬輸出量的測(cè)量值或者用于出發(fā)聲音和感光報(bào)警器的繼電接點(diǎn)，并且它只具備少量的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)能力，客戶只能通過有線的儀器很難確定UPS故障，這也使維修有了很大的困難度。（2） 每一款型號(hào)的UPS電源都要設(shè)計(jì)新的硬件電路，這樣，不修改硬件部分的UPS升級(jí)是很不現(xiàn)實(shí)的，所以其通用性較差。 1.2 UPS發(fā)展趨勢(shì)（1） 高頻逆變器在技術(shù)方面，基本的微電子技術(shù)，電力電子，用作絕緣柵雙極晶體管逆變器功率器件的新一代UPS產(chǎn)品的開發(fā)自動(dòng)控制技術(shù)。交流濾波器的損耗和逆變器的

6、損耗伴隨著頻率的提高而減少，這使得逆變器的工作效率得到了大幅度的提升。在20 50赫茲之間的IGBT的開關(guān)頻率明顯的提高了逆變器的性能，同時(shí)也讓輸出電壓的諧波含量有了明顯的減少，并且在同時(shí)，UPS的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電流峰值因數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也得到了提高。因?yàn)槭褂玫腎GBT逆變器是高頻率的，這就大大減少了存儲(chǔ)裝置所原有的大小和重量，這就讓機(jī)器的尺寸和重量得以減少，更大限度的節(jié)省了占地空間，并且也使機(jī)器的噪聲和成本降低了。（2）小型化 傳統(tǒng)的UPS輸出是通過變壓器，但是因?yàn)楣桎撈男再|(zhì)問題使得高頻變壓器的尺寸和重量都很大。在最近幾年，已經(jīng)出現(xiàn)了無輸出變壓器的中小型UPS不間斷電源，顯著降低其重量。逆變器沒有

7、輸出變壓器，它需要一個(gè)高頻變壓器的輸入端，用于輸入匹配，在逆變器和蓄電池組之間需要一個(gè)直流轉(zhuǎn)換器。為了將交流電轉(zhuǎn)換為直流電池和逆變器可以使用，輸入電流的低失真和高輸入功率因數(shù)使UPS成為綠色電力轉(zhuǎn)換器，近年來， UPS輸入的交流-直流轉(zhuǎn)換器用的是有源功率因數(shù)校正電路。（3）智能智能的目的是方便管理，提高工作效率，目前的UPS容量不僅多了很多，而且智能程度越來越高，不僅可以指向監(jiān)控和語音控制，還可以聯(lián)網(wǎng)的多點(diǎn)監(jiān)控。 UPS除了其三大基本功能外 ，逐漸增加自我監(jiān)控，外部報(bào)警，集中監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)控，切換器，電池自動(dòng)補(bǔ)償和檢測(cè)，功耗低，直接并機(jī)，對(duì)供電電網(wǎng)程線性載荷，相當(dāng)于非線性負(fù)載的輸出，共享與電池或

8、分用電池組的功能點(diǎn)。 中小型UPS的AC / DC和DC / AC轉(zhuǎn)換器大多是模擬控制電路，DC - DC轉(zhuǎn)換器控制芯片大多已集成，使用方便，工作可靠。 DC / AC逆變器有兩種基本方式：?jiǎn)危p回路控制閉環(huán)控制。單回路控制電路簡(jiǎn)單，但難以實(shí)現(xiàn)輸出短路自恢復(fù);雙回路控制與內(nèi)部和外部的電壓和給定的電流，輸出電流調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器，從而限制了電流給的定大小將限制逆變器電流的最大輸出。電流調(diào)節(jié)器選用滯環(huán)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的使用顯著的提高UPS的動(dòng)態(tài)性能。數(shù)控技術(shù)已成為UPS控制的新的主流技術(shù)，其高精度和強(qiáng)抗干擾能力相當(dāng)?shù)膹?qiáng)，這對(duì)UPS測(cè)試、故障診斷和遠(yuǎn)程UPS遙測(cè)來說就相當(dāng)?shù)姆奖?，多臺(tái)并聯(lián)UPS和熱插拔，易

9、分離的實(shí)現(xiàn)電池監(jiān)測(cè)和管理。PWM技術(shù)的核心是數(shù)控技術(shù)，讓UPS輸出電壓得以保障，同時(shí)也確保了頻率和輸出電壓波形，使技術(shù)要求得到最大程度的滿足，在UPS自檢操作的檢測(cè)時(shí)，故障保護(hù)和故障隔離是數(shù)字控制器的另一個(gè)重要功能。因?yàn)閿?shù)字控制器在實(shí)施控制時(shí)，使得硬件電路被UPS控制器標(biāo)準(zhǔn)化，這就使生產(chǎn)和保養(yǎng)得到簡(jiǎn)化，與此同時(shí)還提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和靈活性。（4）并聯(lián)冗余技術(shù)并聯(lián)冗余系統(tǒng)和所有UPS模塊的并聯(lián)運(yùn)行的參與系統(tǒng)同樣的重要，都具有負(fù)荷分擔(dān)，在其中任何一個(gè)發(fā)生意外故障時(shí)，其他獨(dú)立的系統(tǒng)可以自動(dòng)承擔(dān)額外的負(fù)荷，此時(shí)單個(gè)的故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載從總線脫離。顯然，改進(jìn)的并行冗余系統(tǒng)，維護(hù)單個(gè)的可靠性變得更容易

10、，整個(gè)系統(tǒng)可以被并聯(lián)連接，而無需中斷電源進(jìn)行維護(hù)檢修，所以可用度是相當(dāng)高的。UPS并行和可熱插拔的技術(shù)比開關(guān)穩(wěn)壓器復(fù)雜。并行和可熱插拔的UPS技術(shù)比開關(guān)穩(wěn)壓器復(fù)雜。由于可變的交流相序，頻率，相位，電壓，波形這5個(gè)當(dāng)中其中一個(gè)與網(wǎng)格中的任何一個(gè)不一致時(shí)， UPS則不能投入到電網(wǎng)，而且通過調(diào)節(jié)電壓和相位，必須要實(shí)現(xiàn)同樣的UPS輸出有功和無功功率，并且調(diào)整不能使電網(wǎng)電壓和頻率發(fā)生偏移。 UPS交流輸出，所以不能用二極管來隔離發(fā)生故障的UPS ，因此要求UPS自我測(cè)試的操作不應(yīng)該只提高檢測(cè)率，還要檢測(cè)速度快和準(zhǔn)確的判斷，同時(shí)可快速拆卸UPS故障，以防止大的波動(dòng)并聯(lián)母線電壓，防止雜散信號(hào)切斷正常的UPS

11、 。因此，UPS的并聯(lián)連接的主要有三個(gè)方面：一是自動(dòng)UPS電源的正常工作，第二是UPS的有功電流的電流分布之間的并行操作，第三，如果UPS故障，應(yīng)于故障設(shè)備的情況下被快速除去不干擾電網(wǎng)。（5）環(huán)保UPS受到的影響主要來源于有源輸入功率因數(shù)的影響，并且也受到效率和系統(tǒng)噪聲等一些環(huán)境因素的影響。傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換UPS批量標(biāo)準(zhǔn)的六脈波整流器輸入電網(wǎng)控制的干擾，由于電路結(jié)構(gòu)和該產(chǎn)品的系統(tǒng)效率低，對(duì)環(huán)境有污染的形成。由于排風(fēng)扇應(yīng)用于UPS的冷卻，強(qiáng)大的氣流會(huì)發(fā)出砰的一聲，環(huán)境噪聲污染的形成。（6）系統(tǒng)集成 系統(tǒng)集成是在UPS應(yīng)用中的一大發(fā)展，其意義不是融合UPS本身，而是作為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施（ NCPI

12、）是其職權(quán)超出了單個(gè)功能的功率參考不可分割的一部分，但與配電，制冷， IT機(jī)架，布線（電源和數(shù)據(jù)電纜） ，管理和IT服務(wù)，以確保形成一個(gè)良好的環(huán)境正常運(yùn)行。 1.3 主要研究?jī)?nèi)容下面對(duì)UPS的整體結(jié)構(gòu)和他自身的工作原理進(jìn)行了分析，主要概括如下： （1）解析了UPS發(fā)展的現(xiàn)狀和它將來發(fā)展的趨勢(shì)，其重點(diǎn)是分析了UPS的原理以及構(gòu)成 （2）了解各種提高UPS功率因數(shù)的辦法，在平均電流模式控制有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電流采樣電路，電壓采樣電路等等，并計(jì)算了關(guān)鍵部件的參數(shù) （3）對(duì)系統(tǒng)采用MATLAB進(jìn)行了仿真。 2.UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 組成部分 在線式的UPS系統(tǒng)一般囊括以下幾個(gè)組成部分

13、：輸入整流濾波電路、功率因素校正電路、蓄電池組、充電電路、逆變電路、靜態(tài)開關(guān)電路、人機(jī)交互、微控制器，如圖2-1所示。 輸入功率因數(shù)校正電路轉(zhuǎn)換開關(guān)充電器蓄電池組逆變PWM通道DSPADC通道I/O接口通信接口電網(wǎng)電壓電流頻率逆變電壓電流頻率電池電壓電流人機(jī)界面濾波整流市電負(fù)載 圖2-1 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）輸入整流濾波電路 在線式UPS整流電路將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，這是準(zhǔn)備逆變器逆變。同時(shí)，經(jīng)過的降壓型DC電源整流，可以對(duì)電池組進(jìn)行充電。整流方式有兩種，一種是采用大功率可控硅和二極管整流器，半橋整流，全橋整流，6脈沖整流，12脈沖整流等，而另一種方式是使用隔離變壓器在電源再次降壓后有一

14、個(gè)二極管橋式整流器整流。前者通常用于高功率的UPS，后者用于低功率的UPS。經(jīng)整流的電信號(hào)是直流信號(hào)與波紋，除DC分量和AC分量。 AC濾波器電路可以將整流后的信號(hào)抑制，使波紋的直流信號(hào)變成平滑的直流信號(hào)。（2）功率因素校正電路 功率因素PF(Powe:Factor)指的是交流輸入有功功率P和視在功率S的比值。在不間斷電源系統(tǒng)中，經(jīng)整流的AC輸入信號(hào)直接應(yīng)用到濾波電容器的兩端和電池的兩端，濾波器充電是在AC輸入信號(hào)的電壓超過電壓濾波器的兩端時(shí)發(fā)生的。電流脈沖產(chǎn)生在電容和充電器之間，產(chǎn)生的高次諧波會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降，從而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。功率因數(shù)校正電路系統(tǒng)是為了改善輸入功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波

15、的干擾，使得電網(wǎng)輸入電流和輸入電壓接近相同的相位。（3）蓄電池組 儲(chǔ)能裝置中最常用的是蓄電池組，現(xiàn)在在UPS中也得到了廣泛的應(yīng)用，在正常情況下的電源，電池充電用直流電，并實(shí)現(xiàn)電學(xué)能轉(zhuǎn)為化學(xué)能。當(dāng)市電中斷，UPS的能量由電池組供電，將釋放儲(chǔ)存在電池組的能量。在UPS處于正常的工作狀態(tài)情況時(shí)，電池組是使用連續(xù)浮充充電的方式進(jìn)行自身補(bǔ)充電能，整流器和電池處于并聯(lián)運(yùn)行的工作狀態(tài)。整流電路提供改變后的輸入信號(hào)，同時(shí)電池也消耗電流的一部分，這是電池的放電消耗補(bǔ)償。與此同時(shí)，浮充充電這種方式可以進(jìn)行改善UPS瞬態(tài)響應(yīng)。（4）充電電路 使用橫流充電在早期充電器的充電方式中使用，當(dāng)電池電壓達(dá)到浮充電壓時(shí)，充電器

16、進(jìn)入恒壓充電模式。依據(jù)UPS的放電功率，充電電路將使用可用的硅整流器件或開關(guān)器件。充電模式的切換是由控制芯片完成。在充電過程中芯片控制兩個(gè)量：電池電壓和電池電流。通常，該工作是獨(dú)立的充電器逆變器的，只要UPS通電，充電電路在工作中，電池就開始充電。（5）逆變電路 整流后的直流經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電源，電源傳送到負(fù)載。消除了浪涌，諧波干擾和不穩(wěn)定電源等其他因素。逆變器的主要部件是IGBT功率器件，微處理器通過SPWM波驅(qū)動(dòng)IGBT ，輸出信號(hào)提供給負(fù)載。（6） 靜態(tài)開關(guān)作為逆變器開關(guān)器件和旁路靜態(tài)開關(guān)只需要轉(zhuǎn)換的作用，同時(shí)也有效地保護(hù)了逆變器和負(fù)載。當(dāng)UPS不間斷電源輸出過載時(shí)，開關(guān)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成市

17、電供能。如果逆變器發(fā)生故障，以保護(hù)負(fù)載，靜態(tài)開關(guān)也會(huì)轉(zhuǎn)換成市電向負(fù)載供電。 UPS采用低功率繼電器為靜態(tài)開關(guān)。（7）微處理器 UPS的核心是微處理器，在整個(gè)系統(tǒng)中起到控制作用，也是整臺(tái)機(jī)器的控制核心，IGBT是由SPWM輸出波進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ， ADC通道對(duì)參數(shù)進(jìn)行采樣，其中有輸入信號(hào)，電壓反饋信號(hào)，電流和頻率，電池充電電壓和充電電流等參數(shù)2.2 功率因素的定義 功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是電氣設(shè)備系數(shù)的效率的量度。功率因數(shù)低，表明該電路是用來轉(zhuǎn)換交流電的無功功率的磁場(chǎng)，電力線損耗增大，所以電力部門對(duì)于電力的功率因數(shù)單元有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。在交流電路中，相位差（）的電壓的余弦和電

18、流之間的被稱為功率因子，用符號(hào)COS，功率因數(shù)的值是有功功率和視在功率的比率來表示，即，COS= P / S的 定義PF=有功/視在功率= P /VI 在AC/DC電路中，輸入電壓是以正弦波形式，輸入電流是以非正弦波形式，其有效值為： 其中，代表電流的基波的分量、代表二次諧波的分量、代表n次諧波的分量的有效值。 設(shè)電壓角度大于電流的基波的分量，那么依據(jù)功率因數(shù)的定義可以得到： 表示基波電流的相對(duì)值成為畸變因數(shù)，稱為相移因數(shù)。同時(shí)，將總諧波畸變（THD）定義為：為除了基波以外的所有諧波電流分量的總有效值。由以上可以看出THD與畸變因數(shù)的關(guān)系為： 2.3提高功率因素的辦法目前廣泛使用的提高功率因數(shù)

19、的方法有下面幾種： （1）多個(gè)整流電路：即按照一定的規(guī)則的兩個(gè)或多個(gè)組合中的整流電路的結(jié) 構(gòu)相同。連接到所述多個(gè)度量轉(zhuǎn)換的整流電路可以減少交流輸入電流的高次諧波，同時(shí)采用順序控制方法的一系列多個(gè)整流電路能改善功率因數(shù)。 （2）被動(dòng)校正方法：無源功率因數(shù)校正電路中的LC濾波器用來增加整流器的導(dǎo)通角，從而降低了諧波電流，改善功率因數(shù)的單相整流器的整流電路。他使用，而不是價(jià)格較高的有源器件電容器，電感器，二極管和其他部件。然而，其效果不有源功率因數(shù)校正的校正好，只能改善0.7功率因數(shù)0.8，它一般用在小容量的情況下，并在串聯(lián)連接的電感器中使用這種方法的輸入電壓大的低音電感，以減小峰值電流進(jìn)行充電的濾

20、波電容，二極管的導(dǎo)通時(shí)間增加。這種方法簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。但體積龐大，笨重，并且工作負(fù)載和輸入電壓變化的性能和頻率具有一定的關(guān)系。 （3）有源功率因數(shù)校正：他用有源開關(guān)或AC / DC變換技術(shù)，成為輸入電壓和電網(wǎng)電壓相位的正弦波。它的功率因數(shù)非常高，而且體積小，但電路復(fù)雜，成本高，有一定電磁干擾。無故障的平均時(shí)間下降，并且他也只能實(shí)現(xiàn)單向流動(dòng)這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作，因此再生制動(dòng)無法被實(shí)現(xiàn)。 （4）直接矩陣變換器是一個(gè)逆變器電路，開關(guān)電路中被完全控制所使用的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是，該正弦波的輸出電壓，從電網(wǎng)電壓的輸出頻率也可以被控制，以限制輸入電流是正弦波兒童和相同的電壓，功率因數(shù)為1時(shí)，也可以控制所需的功

21、率因數(shù)能量的雙向流動(dòng)可以是交流電機(jī)的四象限運(yùn)行，而不是通過頻率的中間部分，效率越高。它的缺點(diǎn)也很明顯，作為開關(guān)器件逆變電路，該電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高，控制方法還不成熟。此外，最大輸入電壓高于輸出只有當(dāng)輸出電壓為交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比是低的。 （5） PWM整流器： PWM整流器技術(shù)是一種中等容量的單位功率因數(shù)變流器的用途主要技術(shù)。型三相整流電壓和分電流型，電流源可應(yīng)用于大胡子種成熟的技術(shù)，在電源開關(guān)的頻率要求不高，缺點(diǎn)是不連續(xù)的輸入電流，輸出電壓紋波的業(yè)務(wù)流拓?fù)洳⒉淮箅妷涸磧x器可用于控制各種適當(dāng)?shù)牟呗?，并能?shí)現(xiàn)能源，其主要優(yōu)點(diǎn)腳響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于抑制電磁干擾的雙向流動(dòng)。因此較為常用的三相整流

22、電壓類型。其控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：獲得較高的功率因數(shù)，大約有0.97 0.99 ，總諧波失真低，可工作在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)，體積小，重量輕。 3.有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)3.1有源功率因數(shù)校正電路的選擇有源功率因數(shù)校正技術(shù) APFC(Active Power Factor Correction)伴隨著開關(guān)電源變換技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)。輸入電壓檢測(cè)輸入電流檢測(cè)乘法器+-輸出電壓檢測(cè)驅(qū)動(dòng)+-VrefCAVA負(fù)載CRVDSVi VoL 圖3-1Boost有源功率因數(shù)校正原理圖 據(jù)有關(guān)APFC控制，結(jié)合自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的介紹，我們選擇來控制平均電流模式控制方案的CCM ，和UC3854集成芯片的設(shè)計(jì)和

23、構(gòu)建的仿真模型的參數(shù)。的Unitrode UC3854是美國(guó)的公司開發(fā)的升壓APFC平均電流控制IC，具有高帶寬，高輸入電流跟蹤能力等。有源功率因數(shù)校正電路兩者的整流器和電壓調(diào)整器的功能，這需要整流器輸入功率因數(shù)為1時(shí)，穩(wěn)壓器的輸出電壓的穩(wěn)定性要求。出于這個(gè)原因，PFC電路需要在同時(shí)引進(jìn)電流和電壓反饋用來組成雙環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)用以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓，內(nèi)環(huán)用以實(shí)現(xiàn)電流的整形，使得形成同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波與輸入電壓。升壓型APFC的工作原理如下：在主電路的基準(zhǔn)電壓和輸出電壓進(jìn)行一定的比較之后，輸入給誤差放大器，誤差放 大器的輸出施加到乘法器整流輸入電壓時(shí)，反饋控制的電流以乘法器的輸出值作為參考值，將

24、檢測(cè)到的信號(hào)和輸入的電流比較，使PWM和驅(qū)動(dòng)器加載這個(gè)輸入到電流誤差放大器的值控制開關(guān)S處于關(guān)閉狀態(tài)，以使輸入電流和輸入電壓的整流器的基本波形一致，以此減少電流中產(chǎn)生的諧波，使功率因數(shù)得到改善，并同時(shí)保證穩(wěn)定的輸出電壓。3.2APFC電路的參數(shù)設(shè)計(jì)單相Boost有源功率因數(shù)校正器，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入交流電壓：80270V輸入頻率：50輸出直流電壓：400V開關(guān)頻率：100KHz輸出功率：500W功率因數(shù)：0.99功率因數(shù)校正技術(shù)有兩個(gè)目的要實(shí)現(xiàn)：電流波形得到控制，并且使電壓波形得到監(jiān)控，用以獲得高的輸入功率；將平滑的直流電壓提供給下一級(jí)電路。3.2.1主電路設(shè)計(jì)（1）升壓電感 起到一個(gè)電感的

25、能量傳輸線，貯存和過濾的效果，輸入并確定高頻紋波電流，從而限制了電流紋波來確定最小的電感值。其中最差的狀況：最大輸出功率，輸入電壓降到最低。然而在這種情況下，最大輸入電流紋波依然是最大的，輸入電流紋波仍然滿足所述電感器的要求，電感器要按照最低點(diǎn)計(jì)算時(shí)數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)最大峰值電流為：式中，令。設(shè)置允許的最大電感電流紋波，通常選擇的最大峰值在大約20的線電流，這使得當(dāng)最大峰值電感電流是通過在輸入電壓峰值時(shí)間確定發(fā)生從20占空比，電流波紋最大的情況是在輸入電壓達(dá)到了最大值并且輸入電流也同時(shí)達(dá)到了最大值，所以，占空比要在最小輸入電壓的峰值點(diǎn)處計(jì)算，有升壓電感值計(jì)算后：本設(shè)計(jì)中L實(shí)取值為0.5mH。 （

26、2）輸出電容輸出電容旨在滿足時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的要求之后輸入電源關(guān)閉以后，輸出電壓依然能夠維持在一定的標(biāo)準(zhǔn)范圍里的時(shí)間長(zhǎng)短。持續(xù)時(shí)間是下面的電參數(shù)的函數(shù)：存儲(chǔ)在輸出電容，負(fù)載功率，輸出電壓，最小電壓，以使工作負(fù)荷的能量的總和。所以用維持時(shí)間來確定輸出電容值的計(jì)算公式為： (3-1)取為36ms，則電容C取值為。（3）電流取樣電阻電流傳感的檢測(cè)方法通常情況下有兩種，即用兩個(gè)互感器或者檢測(cè)輸入電流時(shí)串聯(lián)取樣電阻在變換器接地線的返回端。這樣的優(yōu)勢(shì)在于使用取樣電阻來對(duì)輸入電流進(jìn)行檢測(cè)比使用電流互感器的成本低得多，它所使用的場(chǎng)合一般在輸入電流和功率都比較小的地方。所以在這里選擇采樣電阻用以檢測(cè)輸入電流。電流取樣電

27、阻的電壓降通過電流環(huán)路的調(diào)節(jié)電流采樣信號(hào)輸入時(shí)，輸入電流為正弦波形狀。電流取樣電阻上的電壓的典型值為。求出電流取樣電阻值，選取0.15峰值檢測(cè)電壓的實(shí)際值。（4）二極管與功率開關(guān)在電源開關(guān)接通的時(shí)候，二極管發(fā)生反向阻斷，經(jīng)過開關(guān)管的電流是電感電流，二極管的輸出電壓是反向電壓;當(dāng)電源開關(guān)被關(guān)斷時(shí)，二極管變換為正向，開關(guān)上的電壓就是輸出電壓，二極管上的電流這個(gè)時(shí)候是電感電流。因此，在選擇的電源開關(guān)以及二極管的時(shí)候，兩者的輸出電壓都必須小于額定電壓，最大電感電流都必須小于額定電流。電壓要考慮在1. 2倍之內(nèi)的安全裕量，電流要考慮在1. 5倍之內(nèi)的安全裕量，則，。3.2.2控制電路的設(shè)計(jì)（1）控制電路

28、的建模電流調(diào)節(jié)器建模PWM比較器、電流的誤差放大器以及功率級(jí)共同組成電流控制環(huán)，圖3-2是電流環(huán)組成結(jié)構(gòu)。圖中是電流誤差放大器的傳遞函數(shù)，PWM的傳遞函數(shù)是，兩端的電壓受到占空比D的控制的小信號(hào)用傳遞函數(shù)用表示。功率級(jí)傳遞函數(shù)： （3-2）式中取樣電阻上電壓是，輸出電壓是功率電路電壓，電感L是功率電路上的電感。+- 圖3-2電流控制環(huán)結(jié)構(gòu)PWM比較器的傳遞函數(shù)為： （3-3）振蕩器斜坡的電壓峰的峰值是。UC3854中的為5.2V。+-CA圖3-3電流誤差放大器其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖和電流誤差放大器用圖3-3所示，根據(jù)虛短原理和虛斷原理，可以求得它的傳遞函數(shù)是： （3-4）式中，。電壓調(diào)節(jié)器的建模升壓

29、級(jí)和電壓的誤差放大器一起組成了電壓環(huán)，如圖3-4是其結(jié)構(gòu)圖。+-+-VA 圖3-4電壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖3-5電壓誤差放大器電壓的誤差放大器由圖3-5所示，它的傳遞函數(shù)是： （3-5）式中，。升壓級(jí)傳遞函數(shù)為 （3-6）式中，是包括了乘法器與除法器還有平方器在內(nèi)共同組成的升壓級(jí)增益，表示平均輸入功率，表示輸出電容，表示電壓的誤差放大器的輸出電壓范圍（=4V），是輸出直流電壓，。（2）電流調(diào)節(jié)器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)開關(guān)頻率點(diǎn)的電流誤差放大器增益計(jì)算因電感電流下斜而在檢測(cè)電阻上產(chǎn)生的電壓，然后除去開關(guān)頻率，用替換電流互感器（），方程式為： （3-7）即，這個(gè)電壓等同于的峰峰值，也就是定時(shí)電容流經(jīng)的電壓（5.2V

30、）。那么誤差放大器上獲得的增益為：。反饋電阻器，設(shè)等于：， 。電流環(huán)穿越頻率 （3-8）代入以上數(shù)值可得到零點(diǎn)補(bǔ)償電容考慮到電流環(huán)路的截止頻率設(shè)在15.8kHZ，相位容限為，零點(diǎn)頻率等于截止頻率，也就是在環(huán)路上的截止頻率值要設(shè)零點(diǎn)，那么零點(diǎn)就要補(bǔ)償電容：，取620pF。極點(diǎn)補(bǔ)償電容極點(diǎn)頻率在設(shè)定是最少要高于功率開關(guān)在切換時(shí)頻率的一半，也就是極點(diǎn)必須大于，那么得到的極點(diǎn)的補(bǔ)償電容就是：，取。（3）電壓調(diào)節(jié)器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)輸出紋波電壓下式給定主電路輸出紋波的電壓，式中是二次諧波紋波頻率：放大器的增益與輸出紋波的電壓為了使?jié)M足電壓誤差放大器輸出限定的紋波電壓，要按照以下關(guān)系來設(shè)置電壓誤差放大器在二

31、次諧波頻率點(diǎn)上獲得的增益值： （3-9）按照規(guī)定使用三次諧波為3%的交流輸入電流，電壓誤差放大器的輸出端占大約1.5%，且該端口的電位對(duì)于UC3854而言，故。反饋網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值已知，可求出電壓誤差放大器反饋回路中的元件值，式中是工頻的二次諧波頻率，的取值是一個(gè)任意值，一般取。設(shè)置直流輸入電壓，利用，可得，取10k。求出極點(diǎn)頻率 （3-10）求4.有源功率因數(shù)校正電路的仿真分析4.1MATLAB簡(jiǎn)介 在本文中， Matlab6.5軟件平臺(tái)模擬。 MathWorks公司的Matlab是美國(guó)的公司推出了矩陣計(jì)算科學(xué)計(jì)算軟件，它利用思想的開放開發(fā)，在數(shù)值計(jì)算，圖像處理，數(shù)據(jù)分析和工程設(shè)計(jì)仿真等方面極為廣

32、泛，它內(nèi)置了豐富的庫函數(shù)，具有很高的編程效率，靈活的程序設(shè)計(jì)，圖形等特點(diǎn)。已發(fā)展成為實(shí)力雄厚的大型軟件一個(gè)合適的多學(xué)科，多平臺(tái)的工作。 MATLAB產(chǎn)品是一組數(shù)值計(jì)算，先進(jìn)的圖形和可視化，高層次的編程語言和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真于一體的開發(fā)環(huán)境。得到廣泛應(yīng)用，包括信號(hào)處理和圖像處理，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，金融，醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。一個(gè)主要特點(diǎn)是Matlab工具箱進(jìn)行許多具體的應(yīng)用，包括一套完整的功能，為圖像信號(hào)處理，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電力系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。 Matlab工具箱是一系列的專業(yè)圖書館，在解決特定領(lǐng)域的問題，工具箱是開放的，可擴(kuò)展的，可根據(jù)特殊需要來開發(fā)自己的算法。 Simulink中的M

33、atlab用于提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真和支持連續(xù)的，離散的，并且線性和非線性系統(tǒng)的組合的分析軟件包。形成了一系列大規(guī)模的，覆蓋面很廣的工具箱，包括控制理論，電力系統(tǒng)，信號(hào)處理，大量現(xiàn)代工程技術(shù)學(xué)科。 Simulink中為用戶提供了圖形化建模界面，它與傳統(tǒng)的仿真軟件建模與微分方程和差分方程，以更加直觀，方便，靈活的優(yōu)點(diǎn)相比。 Matlab / Simulink的電力系統(tǒng)工具箱SPB包括所需的各種電路仿真模型組件，包括電源模塊，基本電路模塊，電力電子模塊，電機(jī)模塊，連接模塊，電源模塊檢測(cè)模塊和附加等七大模塊庫。每個(gè)模塊庫包含所有基本組件模型，如功率模塊的直流電壓源和電流源，交流電壓源，電流源，受控電

34、壓源，電流源，如五大發(fā)電模式;電機(jī)模塊庫中包含各種電機(jī)型號(hào)，如異步電機(jī)，同步電機(jī)，水永磁同步電機(jī)，功率電子模塊庫中包含理想的開關(guān)器件，晶閘管，功率場(chǎng)效應(yīng)管， GTO ，以及其他功率開關(guān)元件的模型。只需將模塊組件Simulink的窗口，通過參數(shù)設(shè)置對(duì)話框來設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)模擬電力電子電路。本章使用Matlab / Simulink的電力系統(tǒng)工具箱模塊APFC電路的設(shè)計(jì)仿真。4.2APFC主電路的仿真4.2.1主電路的原理圖圖4-1為基本Boost型變換器的主電路。為了方便確定二極管與開關(guān)管的工作狀態(tài)，這里引入二進(jìn)制的變量A，當(dāng)開關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，A=1；當(dāng)開關(guān)S截止時(shí)，A=0。這樣，變量A就能夠

35、表示二極管和開關(guān)管的狀態(tài)，取值0，1。SLVDVDLCR+-+-圖4-1基本Boost型變換器電路當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，A=1，則 ，即 （4-1） ，即 （4-2）當(dāng)開關(guān)管S截至?xí)r，A=0，則有 ，即 （4-3） ，即 （4-4）將方程（4-1）（4-4）聯(lián)立，運(yùn)用二進(jìn)制變量A，由邏輯代數(shù)運(yùn)算規(guī)則，可得到一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的狀態(tài)方程。 （4-5） （4-6）即得Boost主變換電路的狀態(tài)方程： （4-7） （4-8）4.2.2主電路的Simulink模型 根據(jù)式（4-7）、（4-8）運(yùn)用MATLAB里的Simulink模塊，即可建立Boost變換電路的仿真模型，如圖4-2所示，這里輸入變量是、A、R

36、，輸出是、。圖4-2Boost主電路的Simulink模型4.2.3主電路的仿真結(jié)果圖4-3 D=0.5時(shí)的控制波形圖4-4 電感電流波形圖4-5電容兩端電壓?jiǎn)?dòng)波形圖4-6電容兩端電壓穩(wěn)態(tài)波形仿真參數(shù)：電容C=0.96mF，電感取L=0.5mH，電阻R=100。電壓=200V，在導(dǎo)通比D=0.5時(shí)，電感電流和電容電壓產(chǎn)生的波形如圖4-4、4-5、4-6所示。這里不難看到，在導(dǎo)通比為D=0.5時(shí)，電壓的輸入與輸出的關(guān)系式正好符合Boost電路的輸出和輸入之間的關(guān)系式。紋波正好是小于0.5的，這就已經(jīng)超過了一般的電子設(shè)備對(duì)電源的要求，不完美的是其響應(yīng)的時(shí)間有些久。電感的電流波形正好是標(biāo)準(zhǔn)的鋸齒波

37、。4.3Boost型APFC電路的仿真4.3.1APFC電路仿真模型圖4-7Boost型 APFC的仿真模型圖4-8Universal Bridge子系統(tǒng)圖圖4-9Subsystem子系統(tǒng)圖4.3.2APFC電路仿真結(jié)果分析根據(jù)前面分析與計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)選定為， ，。電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)選定為，。仿真所用的電路參數(shù)為：電感L=0.5mH，輸出電容C=0.96mF，開關(guān)頻率，電網(wǎng)頻率，。對(duì)功率因數(shù)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖4-10未加APFC電路時(shí)輸入電壓、電流波形圖4-11加入APFC后輸入電壓、電流波形圖4-10為沒有經(jīng)過APFC的輸入電流與輸入電壓所產(chǎn)生的波形，十分明顯的看到出，圖中的輸入

38、電流所產(chǎn)生的波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，電流發(fā)生畸變會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)阻抗的同時(shí)反向影響正常的電網(wǎng)電壓，這就會(huì)造成總的諧波畸變變得更大更明顯。這里就可以得出，相比系統(tǒng)在加有APFC電路的情況下，其電流產(chǎn)生的正弦波波形是嚴(yán)格的電流波形。圖4-12加APFC整流后輸入電壓、電流波形圖4-13未加APFC時(shí)輸入功率因數(shù)波形 圖4-14加APFC后的輸入功率因數(shù)波形圖4-15未加APFC時(shí)的輸入電流的總諧波畸變圖4-16加APFC后的輸入電流總諧波畸變 圖4-17加APFC后的輸出電壓波形將圖4-13與圖4-14進(jìn)行比較，可以明顯看到功率因數(shù)校正前與校正后的平均值約由0.789提高到0.998左右。將圖4-15與圖

39、4-16相比較，總的畸變率由0.76左右降到了近似為零。從圖4-17看出輸出直流平均電壓為400V左右，輸出電壓相對(duì)較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)400V直流輸出的要求，這就達(dá)到了比較滿意的效果。參考文獻(xiàn)1 周志敏、周紀(jì)海. UPS實(shí)用技術(shù)M. 北京：人民郵電出版社，20032侯振義、王義明. UPS電路分析與維修M. 北京：科學(xué)出版社，20013 張乃國(guó). UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè)M.北京：電子工業(yè)出版社，20034曲學(xué)基. 穩(wěn)定電源實(shí)用電路選編M. 北京：電子工業(yè)出版社，20035 王兆安、黃俊編.電力電子技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20046 啟發(fā). UC3854的工作原理幾運(yùn)用J. 通信電源技術(shù)，2001（2）7 路秋生. 采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用J. 北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（6）2