家用电器的功率因数校正技术研究及应用

摘要

随着家用电器（洗衣机、空调、冰箱等）在城市和农村日益普及，我国家用电器保有量非常巨大，家用空调机就达到了2亿多台。家用电器功率因数不高，普遍在0.7左右，减少了低压供电网的容量利用率，增加电能传输无功功率的损耗。采用功率因数校正技术(PFC)可以提高功率因数，实现节能降耗，随着运算速度快、价格低的控制芯片的出现，加快了PFC技术向智能化、数字化方向的发展。论文采用ARM控制芯片对家用电器的功率因数校正策略进行研究与设计。
　　 永磁同步电机(PMSM)具有效率高、结构简单、运行可靠等特点，其驱动控制系统在家用电器领域得到普遍运用，论文针对采用PMSM驱动控制系统的家用电器特点，设计开发了电压电流双闭环Boost电路PFC控制系统。通过分析Boost电路工作原理，建立电感电流连续状态下的电压平衡方程式，设计了控制回路结构，提出了一种给定占空比的电压和电流反馈的PFC控制策略。利用MATLAB/Simulink对带PFC的PMSM驱动控制系统进行仿真。仿真结果表明，与平均电流法相比，在保证控制精度和输出电压稳定的条件下，加快了响应速度。在输入电压和负载波动条件下，PFC控制系统仍具有良好的稳定性和很高的功率因数。
　　 构建了STM32F103X(ARM)为主控制器的实验平台，详细分析了控制系统的硬件组成和软件设计原理，对给定占空比的双环PFC控制策略进行实现。结果表明，所提出的控制策略在输入电压波动±20％范围内和不同工作频率条件下，均能维持输出电压稳定和较高功率因数。与平均电流法相比，降低了电压过零点处的电流畸变，功率因数从0.98提高到0.995以上，表明该控制策略对提高家用电器功率因数有良好的应用价值。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 功率因数校正技术简介

1．2．1 功率因数校正技术的必要性

1．2．2 功率因数校正技术的发展

1．3 PMSM驱动控制系统简介

1．3．1 PMSM发展历程

1．3．2 PMSM在家用电器中的应用

1．4 论文的主要研究内容与结构

第二章 功率因数校正控制技术

2．1 功率因数定义

2．2 PFC分类

2．2．1 无源PFC

2．2．2 有源PFC

2．2．3 双级PFC

2．2．4 单级PFC

2．2．5 PFC方案对比

2．3 有源PFC电路拓扑结构

2．3．1 Buck型电路PFC变换器

2．3．2 Buck-Boost电路PFC变换器

2．3．3 Flyback型电路PFC变换器

2．3．4 其他PFC变换器拓扑

2．4 有源PFC控制策略

2．4．1 峰值电流控制

2．4．2 平均电流控制

2．4．3 滞环电流控制

2．4．4 预测电流控制

2．5 本章小结

第三章 PMSM驱动控制系统

3．1 PMSM驱动控制系统结构

3．2 PMSM数学模型

3．3 坐标变换

3．3．1 三相到两相的静止坐标变换

3．3．2 静止两相坐标系到旋转两相坐标系变换

3．4 PMSM调速控制策略

3．4．1 直轴电枢电流为0控制

3．4．2 最大电磁转矩／电流控制

3．5 本章小结

第四章 PMSM驱动控制系统PFC设计与仿真

4．1 Boost电路PFC电路结构

4．1．1 工作过程分析

4．1．2 电路主要参数设计

4．2 给定占空比的双闭环PFC策略

4．2．1 功率因数与占空比

4．2．2 占空比计算

4．2．3 控制回路设计

4．3 Boost电路PFC电路仿真与结果分析

4．3．1 Boost电路PFC电路仿真

4．3．2 仿真结果分析

4．4 带PFC的PMSM驱动控制系统仿真与结果分析

4．4．1 PMSM驱动控制系统框图

4．4．2 带PFC的PMSM驱动控制系统仿真

4．4．3 仿真结果分析

4．5 本章小结

第五章 带PFC的PMSM驱动控制系统实现

5．1 系统硬件实现

5．1．1 主电路

5．1．2 控制电路

5．1．3 检测电路

5．2 系统软件实现

5．2．1 主程序流程

5．2．2 PFC主处理程序

5．2．3 FOC闭环处理程序

5．3 实验结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果