电力电子技术课程设计报告题目: 单相有源功率因数校正电路的双闭环控制姓名: 张巩 学号: 2016年12月25日电力电子技术课程设计任务书学 号班 级学 生张巩指导教师任倩题 目单相有源功率因数校正电路的双闭环控制设计时间2016年 12 月 12 日 至 2016 年 12 月 25 日 共 2 周设计要求设计任务：（1）理解并掌握单相有源功率因数校正电路的基本原理；（2）电流内环采用滞环电流控制；（3）当VT的占空比等于0.5时，计算变压器的变比；（4）根据器件的选择方法，电压要求2倍裕量，电流要求1.5倍裕量，选择合适的整流桥二极管，开关管VT及二极管VD；（5）在Matlab中搭建仿真模型，实现单位功率因数校正，且使负载电压维持在50V；在报告中给出各处的电压和电流波形；（6）选择合适的器件， 设计电路，在Altium designer中画出主电路和控制电路。方案设计：基准电压Vref与输出电压的采样值作为电压误差放大器的输入，比较放大后的输出作为乘法器的一个输入，整流器的的输出电压Vdc（周期为100Hz的正弦半波）经采样后作为乘法器的另一个输入，乘法器的输出提供电流反馈控制的基准信号，与电感上电流iL的检测信号（图中由采样电阻Rs检测得到）比较，经电流误差放大器后作为调制信号，经PWM调节器后得到驱动开关管VT的信号，实现整流输入电流跟踪整流电压波形、减少电流谐波、提高输入端功率因数。这种控制方法可以实现电感电流工作在连续模式下。报告内容：一、前言功率因数指的是有效功率与总耗电量之间的关系。功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电能利用率越高。交换式电源供电器上的功率因数校正器的运作原理是通过控制调整交流电电流输入波形，使其与直流电电压波形尽可能一致，让功率因数趋近于1。这对于电力需求量达到某一个水平的电子设备而言是很重要的，否则，电力设备系统消耗的电能可能超出其规格，极可能干扰同系统的其他电子设备。二、不良功率因数的来源不良的功率因数主要发生在整流电路中，特别是开关整流电路。在整流电路中，AC/DC前端通常有桥式整流器和大容量滤波器组成，如图1(a)，其滤波电容的设置使输出电压平滑。但是，对电流来说，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压时，整流元件中才有电流流过。这样就使电流呈现尖脉冲形式，如图1(b)，这种尖脉冲波中含有大量的高次谐波。图1 常用整流桥结构与电力电压波形三、 有源功率校正电路的工作原理有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC）电路原理图如图2所示。图2APFC电路原理框图假定开关频率足够高，保证电感的电流连续；输出电容足够大，输出电压可认为是恒定直流电压。电网电压为理想正弦，即，则不可控整流桥的输出电压为正弦半波，。当开关管导通时，对电感充电，电感电流增加，电容向负载放电；当关断，二极管导通时，电感两端电压反向，和对电容充电，电感电流减小。电感电流满足下式： (3-1)通过控制的通断，即调节占空比，可以控制电感电流。若能控制近似为正弦半波电流，且与同相位，则整流桥交流侧电流也近似为正弦电流，且与电网电压同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此需要引入闭环控制。图3 APFC控制框图电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值。给定输出电压减去测量到的实际输出电压的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令。测量到的整流桥出口电压除以其幅值后，可以得到表示波形的量，为幅值为1的正弦半波，相位与相同。与相乘，便可以得到电感电流的指令值。为与同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压的大小。电流内环的任务是通过控制开关管的通断，使实际的电感电流跟踪其指令值。本文采用滞环电流控制方法。根据电感电流的公式，当导通时电感电流增大，而当关断时电感电流减小。令减去，若差值大于规定的上限，则令导通，以增大；若差值小于规定的下限（0），则令关断，以减小。通过滞环控制，可以保证实际的电感电流在其指令值附近波动。四、主电路设计图4主电路设计图计算公式如下： （4-1）因为D=0.5 （4-2） （4-3）变压器输出电压为： （4-4）变压器匝数比n （4-5）开关频率设为 (4-6) (4-7) (4-8) (4-9)取 (4-10)取电压要求2倍裕量，电流要求1.5倍裕量，整流桥选择KBPC5010（50A，1000V），二极管选择1N1185，MOSFET管选择2N7002（N沟道，Id280mA，Vds60V）。五、各模块电路设计5.1减法器一图5 减法器设计图 （5-1） （5-2） （5-3） （5-4）5.2减法器二图6减法器二设计图 （5-5） （5-6） （5-7）5.3滞环比较器图7滞环比较器设计图 (5-8) (5-9) (5-10) (5-11) (5-12) (5-13) (5-14)电压要求2倍裕量，电流要求1.5倍裕量，二极管选择1N4001（硅二极管）和1N4148（锗二极管）。5.4除法器图8除法器设计图 (5-15) (5-16) (5-17) (5-18)5.5 PID图9 PID设计图 (5-19) (5-20) (5-21) (5-22) (5-23) (5-24)5.6乘法器 (5-25)六、单相有源功率因数校正电路仿真6.1 建立仿真模型在Matlab/Simulink中建立采用Boost电路的单相有源功率因数校正电路的仿真模型，如图4所示。图10 APFC仿真模型图4的仿真模型中Mosfet和Diode模块来自SimPowerSystemPower Electronics模型库中。直流电压指令值为50V，采用SimulinkSources模型库中的costant实现。“PID Controller”模块在Simulink ExtrasAdditional Liner模型库中，参数设置如图11所示。滞环比较器采用SimulinkDiscontinuities模型库中的“Relay”模块。滞环宽度设为1,0，Relay中的Switch on point为eps，Switch off point 为eps。参数设置如图12所示。 图11 PID模块参数设置图12 Relay模块参数设置输入电压有效值为220V，频率50Hz；输出直流电压指令为50V；电感=294mH；电容C=0.0318F；负载电阻R=5.输入电压有效值为220V，频率50Hz；输出直流电压指令为400V；电感=6mH；电容=320uF；负载电阻=160；在二极管整流桥中，；开关管采用MOSFET， ，；Boost电路中二极管参数，。6.2 仿真结果分析利用powergui将仿真设置为离散模型，。将仿真参数的Start time 设置为0，stop time设置为0.5。其他为默认参数。启动仿真程序进行仿真。直流电压波形如图13所示。直流电压的平均值为50V。如图13所示，基本满足控制器实现输出直流电压调节的要求。从图13中可以看出，直流侧电压值随时间波动，对其进行FFT分析，如图14所示。 图13直流电压波形图图14直流电压FFT分析图如图15所示输入电流电压基本实现了同相位，无明显相位差。满足了题设要求。图15 输入电流、电压图图16桥输出电压电流图17负载输出电压、电感电流功率因数计算：，P=527.1，Q =0.2447 (6-1) (6-2) (6-3)为滞环宽度变小后，就意味着流过电感的电流在其指令值附近的波动的范围更小了，这样就使谐波电流得到了抑制。值变小，导致值增大，从而使功率因数增大。功率因数的提高和交流侧的谐波减小，对于交流电网来说能使干扰变小。七、总结在制作课程设计的过程中我们对电力电子技术这门课有了更加深刻的理解。同时我们也发现了一些问题。问题1:PID的选值问题。在制作MATLAB的仿真图时，PID模块中的I取值出现了问题，于是我们打算用对比校正的方法进行调整。首先我们估计I的取值大概在100300之间波形失真不严重，在范围之外波形严重失真。通过尝试不同的I的取值，比较傅里叶图像和输出波形图来确定合适的数值。首先我们将I取值为200，结果如图18和图19。 图18输出电压与电感电流图19傅里叶分析图可以看出输出电压波形图基本符合要求，电压在50V左右震荡。傅里叶级数无高次谐波。THD值为3.38%。之后我们将I的取值为300，输出结果如图20和图21。图20输出电压与电感电流图21傅里叶分析图可以看出输出电压波形图基本符合要求，电压在50V左右震荡。傅里叶级数无高次谐波。THD为6.77%。之后我们将I取值为100，输出结果如图22和图23。图22输出电压与电感电流图23傅里叶分析图可以看出输出电压波形图基本符合要求，