功率因数校正电路的建模与非线性特性分析及其应用研究

摘要

随着重要部门、大型用电设备对电力电子设备的需求的日益增多，电网的谐波电流所带来的问题也越来越严重，谐波污染给发电设备，用电设备本身和周围的电磁环境带来了一系列的危害。有源功率因数校正（Active Power Factor Correction）因此应运而生，成为电力电子领域的研究热点之一。大部分有源功率因数校正电路采用电压和电流环组成的双环模拟控制，通过调节电感的输入电流使之与输入正弦电压同相使得功率因数接近于1。本文首先详细分析了经典功率因数校正电路的原理，并对功率因数校正电路进行建模，对功率因数电路产生的非线性现象进行了深入的分析；然后结合实际课题提出了一种基于DSP的UPS的并机系统的方案，制作了样机，验证了该方案；最后，基于所实现的实验样机提出了一种数字功率因数校正的方案，并对该方案进行了仿真验证。本文的工作主要包括以下几方面：
　　 （1）对功率因数校正电路的产生背景、研究意义和分类概况以及功率因数校正电路（包括峰值电流控制型、平均电流控制型和电流滞环控制型）的工作原理进行了介绍；在此基础上，详细分析了基于UC3854的平均电流控制型功率因数校正电路的工作原理，对各模块包括电压环，电流环，输入电压滤波器的设计进行了深入研究，并对各模块进行了Simulink建模和组合，建立了其仿真模型。
　　 （2）建立了峰值电流型功率因数校正电路的数学模型，求出其离散频闪映射，并运用雅可比矩阵对高频分岔现象（Fast Scale）进行了深入的分析。同时，分析了功率因数校正电路的低频分岔现象（Slow Scale），通过仿真，给出了不同的输出电容和不同的电压误差放大器反馈电容对应的不稳定边界。
　　 （3）结合实际课题提出了一种实现UPS并联运行的方案，对并联运行的机理和关键技术做了详细的分析，并以DSP TMS320F2812为主控芯片实现了这个方案。最后，讨论了数字化PFC在UPS中应用的方案，在此基础上，对数字化功率因数校正控制系统的采样频率，采样时序和PI算法进行了分析，并对该方案进行了仿真验证。
　　 本文建立的仿真模型及仿真结果对实际的电路参数设计具有重要的参考作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 功率因数校正技术的研究背景与意义

1.2 AC/DC变换器输入电流的产生与危害

1.3 功率因数的定义和谐波畸变率

1.3.1 功率因数的定义

1.3.2 谐波畸变率

1.4 提高功率因数和抑制谐波的途径

1.4.1 无源功率因数校正

1.4.2 有源功率因数校正

1.5 功率因数校正技术的发展

1.6 本文的主要工作及内容安排

第二章 单相APFC的基本原理及其控制方法

2.1 APFC的基本原理

2.1.1 APFC的基本结构

2.1.2 Boost变换器的基本原理

2.1.3 APFC的工作模式

2.2 单相APFC的主要控制方法

2.2.1 峰值电流模式

2.2.2 滞环电流控制模式

2.2.3 平均电流控制模式

2.3 本章小结

第三章 基于UC3854的平均电流控制型PFC电路的建模与仿真

3.1 UC3854控制单相PFC的原理

3.2 系统的分析与建模

3.2.1 电流环的分析与建模

3.2.2 电压环的分析与建模

3.2.3 电压前馈电路的分析与建模

3.2.4 乘法器

3.2.5 主功率电路数学建模

3.3 基于Matlab Simulink的平均电流控制型PFC模型

3.3.1 Matlab简介

3.3.2 基于Simulink的PFC建模

3.4 本章小结

第四章 APFC的高频分岔现象分析

4.1 引言

4.2 PFC的高频分岔现象仿真

4.3 雅可比矩阵

4.4 Fast Scale不稳定边界的定位

4.5 本章小结

第五章 APFC的低频分岔现象研究

5.1 引言

5.2 APFC的低频分岔现象

5.3 电压误差放大器的反馈电容对低频分岔现象造成的影响

5.4 本章小结

第六章 数字化控制的UPS系统中有源功率因数校正实现方案探讨

6.1 引言

6.2 UPS并机控制原理

6.3 并机控制系统的实现

6.3.1 并机控制板硬件设计

6.3.2 并机输出频率、相位同步的锁相

6.3.3 同步信号与市电的锁相

6.3.4 有功与无功功率的计算

6.3.5 输出电压幅值的调节

6.3.6 样机实验验证

6.4 UPS系统中数字PFC方案的实现探讨

6.4.1 数字控制方案分析

6.4.2 数字控制算法分析

6.4.3 数字PFC系统仿真

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢