电网功率因数控制电路的实现毕业设计说明书(功率因数控制)

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1、浙江工业大学博士学位论文毕业设计说明书课题名称： 电网功率因数控制电路的实现 学生姓名 王亦可 学 号 130210131141 二级学院（系） 电气电子工程系 专 业 生产过程自动化 班 级 工自1311 指导教师 张方军 起讫时间：2016 年2 月24 日2016 年4 月 日15浙江机电职业技术学院毕业设计说明书课题名称：电网功率因数控制电路的实现摘 要 近年来，随着所有设备的功率不断增大，及降低谐波电流的标准不断普及，越来越多的设计采用功率因数校正PFC。论文介绍了传统有源功率因数校正（APFC）的工作原理。功率因数是电力供电系统重要参数之一，将直接影响电网供电质量。随着电力电子技术

2、的发展，各种电力开关器件在工业现场中得到广泛使用。使得电网高次谐波污染十分严重，甚至影响到功率因数的测量。该装置能随着功率因数的变化恰当地进行补偿，始终保持功率因数在0.95左右，达到最佳补偿效果。这对充分发挥供电设备的效益，节约电能是十分有益的。关键词：机械设计；功率因数校正；整流器Project Name: to achieve the power factor control circuitAbstract In recent years, with the increasing power of all equipment, standard and reduce the harmon

3、ic current with the popularity of design is more and more used in power factor correction PFC. This paper introduces the traditional active power factor correction (APFC) the working principle, the analysis of the main circuit in application due to diode reverse recovery current generated by the imp

4、act and the ripple noise and other issues. This paper discusses in detail the utilizing SCM, automatic test local power supply system power factor and according to the measured value of power factor automatic investment cut capacitor compensation device hardware and software flow. The device can cha

5、nge with the power factor compensation properly, keep the power factor in about 0.95, to achieve the best compensation effect. To make full use of power supply equipments, energy saving is very useful.Key words: mechanical design; power factor correction; rectifier目录课题名称：电网功率因数控制电路的实现I摘 要I第一章 、引言1第二

6、章、功率因数的基本概念32.1、功率因数的定义32.2、功率因数的测量42.2.1、功率因数的测量方法42.2.2、现在功率因数的测量方法42.2.3、功率因数的测量原理42.3、谐波52.4、功率因数校正技术72.4.1、功率因数校正的基本原理7 2.4.2、功率因数校正分类72.4.3、有源功率因数校正的基本原理8第三章、 结构设计93.1、课题分析93.2、整体方案设计93.3、单元模块的设计103.3.1、电源电路10第四章、程序设计11附录1：12附录2：15第5章 结论16参 考 文 献17致 谢18第一章 、引言电能具有传输、分配、使用方便的特点，是目前最广泛使用的能源形式。为了

7、满足各种用电负载或设备的要求，或者为了提高电能使用的效率，许多用电器首先将交流50Hz的市电通过AC-DC功率变换器变换成直流电能。这种将交流50Hz的市电转换成直流电压的装置称为整流器，也被称为AC-DC功率变换器。传统AC-DC电力电子变换器由二极管或晶闸管组成的整流电路构成，工作时会产生大量的电力谐波，因此造成电力环境的谐波污染和电能的浪费，成为电力公害。自20世纪90年代起，高性能AC-DC电力电子变换器的研究开发引起人们的广泛关注。高性能AC-DC电力电子变换器采用电力电子器件，并且应用脉宽调制（PWM）控制技术，使电网输入的电流逼近正弦波和单位功率因数，一般将这样的AC-DC电力电

8、子变换技术称为有源功率校正（Power Factor Correction，PFC）技术，称这样的AC-DC电力电子变换器为有源PFC变换器。功率因数校正技术是电力电子产品满足绿色环保要求的必需手段，是未来开关电源发展的关键技术之一。传统的功率因数概念是在线性负载（如电阻、电感等）条件下得到的，此时，交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为，功率因数PF =。最早由于使用大量交流电电机和各种电磁开关以及照明用电大量使用日光灯等感性负载，对于功率因数校正技术的研究，人们通常在感性负载两端并联移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率。为了抑制谐波，保证电网安全、优质、经济运行，许多国家和国

9、际组织都制定了相应的标准。我国于1994年开始实施（GB/T 145491993）电能质量公用电网谐波标准。标准规定了电网标称电网为0.38/6/10/35/110kv公用电网中的电压总畸变率以及公共连接点的用户注入谐波电流的上限。基于进一步限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净的宗旨，一些世界性的学术组织提出了谐波限制标准，如IEC555-2，IEEE519等。其中，IEC555-2标准自1994年起已在欧盟国家全面实施，所有在欧盟市场销售的用电装置都必须满足这一标准。在我国，IEC1000-3-2标准已经等同地转化为国家标准GB 1765.11998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值

10、（设备每相输入电流16A）。从PFC技术的发展历程来看，人们最早采用电感和电容构成的无源滤波网络进行校正。无源功率因数校正具有电路简单、工作可靠等特点，但是滤波效果受电网负载影响较大且滤波器体积、重量较大，功率因数校正的效果不理想。从20世纪80年代中后期开始，有源功率因数校正器成为电力电子技术研究的热点之一。起初对小功率电源并不适合但到八十年代末提出了工作在不连续导电模式（DCM）下的功率因数校正技术，其输入电流自动跟随输入电压，输入功率因数可接近1。这种变换器也叫电压跟随器，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。PFC主要有两种方法： 无源PFC( PPFC)和有源PFC(APFC )。PPF

11、C利用线性电感器和电容器组成滤波器来提高功率因数、降低谐波分量。该方法简单、经济, 在小功率中可取得好的效果。但是, 在较大功率的供电电源中, 需要大电感器和电容器, 这样体积和重量会较大也不太经济, 且功率因数的提高和谐波的抑制也不能达到理想的效果。后者是用一个变换器串入整流滤波与DC/DC变换器之间，通过特殊的控制，强迫输入电流跟随输入电压，反馈输出电压使之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控制复杂，但体积大大减小，设计也易优化，性能也进一步提高。目前研究最多的是有源PFC技术。传统的用于电子设备前端的二极管整流器，作为一个谐波电流源，干扰电网线电压，产生向四周辐

12、射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降，一般仅为0.45-0.75，且其无功分量基本上为高次谐波。追求高质量的电力供需，一直是全球各国所想要达到的目标，然而大量的兴建电厂，并非解决问题的唯一途径，一方面提高电力供给的能量，一方面提高电气产品的功率因数（Power factor）或效率，才能有效解决问题。近几年来，为了符合国际电工委员会IEC1000-3-2 的谐波准则，功率因数校正电路正越来越引起人们的注意。 功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路；从传统的线性控制方法发展到非线性控制方法，新的拓扑和技术不断涌现。功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率

13、(S)的比值。由于常规整流装置使用晶闸管或二极管，整流器件的导通角远小于 180°，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。要提高功率因数有两个途径，即使输入电压、输入电流同相位；使输入电流正弦化。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波， 并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。功率因数校正电路分为有源和无源两类。无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到 0.70.8，因而在中小功率电源中

14、被广泛采用。 有源功率因数校正电路自上世纪 90 年代以来得到了迅速推广。有源功率因数校正技术(Active Power Factor Correction ,APFC) 是在整流电路和负载之间接入一个DC/ DC开关变换器，利用电流反馈技术，迫使交流输入电流跟踪交流输入电压变化，从而获得近乎正弦波的交流输入电流和接近于1的功率因数,同时还可以大大减小THD。这种方法的特点是控制复杂，但体积大大减小，设计也易优化，性能也进一步提高。目前单相的PFC 技术已经成熟，三相的PFC电路处于研制阶段。第二章、功率因数的基本概念2.1、功率因数的定义根据电工学的基本理论，功率因数（PF）可简单地定义为有

15、功功率（P)与视在功率（S）的比值，用公式表示为：式中，为输入电流基波有效值； 为电网电流有效值，其中、为 各次谐波有效值； 为输入电压基波有效值； 为输入电流畸变因数，； 为基波电压与基波电流之间的相移因数。 因此，功率因数PF又可定义为输入电流失真系数(r)与相移因素()的乘积。可见，功率因数由输入电流畸变因数与相移因数和基波电压、基波电流决定。由上可知低，则设备无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大；低，表示设备输入电流谐波分量大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重会造成电子设备损坏。由此可知，抑制谐波分量即可达到减小，提高功率因数的目的。2.2、功率因数

16、的测量2.2.1、功率因数的测量方法1、 功率因数表法直接测量。用功率因数表直接测即可。这样测量到的瞬时功率因数值。2、功率法测量：测量负载的有功功率和无功功率（也有测视在功率的），在用勾股定理或三角函数计算出功率因数，这是依据功率因数的定义得出的测量方法。数据也是瞬时功率因数值。3、电量法测量：供电局使用的方法，抄录当期用电的有功电量和无功电量数据，用三角函数计算出功率因数值。这是当期的平均功率因数值。2.2.2、现在功率因数的测量方法 上面的测量方法与电网的频率无关，因此使用这种测量方法的测量仪表可以用于各种频率的系统中而不会出现误差。 随着微机技术的迅速发展，电网参数的测量由传

17、统的模拟仪表将逐步被数字化智能仪表所替代。本文介绍MCS51系列单片机实现的对电网功率因数的测量方法，并可判定负载的性质。此方法结构简单、成本低、易于实现，测量精度高。2.2.3、功率因数的测量原理由于电力系统中工频周期为20 ms，因此，电压与电流的相位差测量精度取决于相位差信号的高电平宽度的测量。相位差为的电压和电流信号Ui和Ii分别经电压转换器和低通滤波器。再经相应过零比较器变成方波，最后经相位-时间转换电路得到与相位成比例的高电平方波。相位-时间转换法所得o与实际相位有一定的相位差，这是由低通滤波器引起的，可通过软件进行补偿。o信号是由单片机定时器定时计数高电平而测量的，其相位差为：公

18、式中：为高电平宽度。首先对计算出的相位整数度查表，求得当前值和下一整数值的余弦值；然后，计算小数部分余弦值的增量值为两整数余弦值之差乘以小数部分，最后，将当前值的整数相位余弦值加上小数值进行校正补偿。这样就可得到精度较高的功率因数。2.3、谐波 由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。总谐波失真和功率因数的关系体现在以下等式：式中，为失真系数；为输入电流的基波分量和输入电压的相角系数。因此，当输入电流的基波分量和输入电压同相时，=1，且由上式可以看出，可以采用两种方法来提高功率因数(PF)：一是就

19、最大限度地抑制输入电流的波形畸变，使THD 值达到最小；二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零，使=l，从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术，可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化，使输入电流呈纯正正弦波，并且和输入电压同相位。因此，如何消除和抑制谐波对公共电网的污染，提高功率因数成为当今国内外电源界研究的重要课题。PF0.58120.99030.9950.998750.99955THD（计算值）140141053表2-1 功率因数与THD间关系2.4、功率因数校正技术2.4.1、功率因数校正的基本原理 由功率因数可知，要提高功率因数，有两个途径：使输入电压、输

20、入电流同相位。此时=1，所以PF=。使输入电流正弦化。即(谐波为零），有。 利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方把PFC电路叫做电阻仿真器。 PFC电路，基本上是一个AC/DC变换器。一个标准的变换器利用脉冲波宽度调变（Pulse width modulation，PMW）来调整输入功率的大小，以供应适当的负载所需的功率，脉冲波宽度调变器控制切换开关（通常利用功率MOSFET)将DC输入电压切成一串电压脉冲波，随后利用变压器和快速二极管将其转换成平滑的DC电压输出，这个输

21、出电压随即与一个参考电压（这个电压是电源供应器应该输出的标准电压值）做比较，所产生的电压差回馈至PWM控制器，利用这个误差电压信号来改变脉冲波宽度的大小，从而使输出电压回复到正常值。2.4.2、功率因数校正分类 功率因数校正电路分为有源和无源两类。 无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数高，但仍可使功率因数提高到0.70.8，因而在中小功率电源中被广泛采用。主要优点：简单、成本低及电磁干扰（EMI）小等。主要缺点：难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的的充放电电流等。

22、 有源PFC可以达到较高的功率因数，通常可达98%以上，具有输入电压范围宽等优越的电气性能，但成本相对较高。有源PFC技术采用有源器件，如开关管和控制电路，通过控制开关管的动作，实现输入电流跟随输入电压波形的变化，从而获得高的功率因数。相对于无源PFC电路，有源PFC电路复杂，成本较无源PFC要高很多，有源PFC电路工作与高频开关状态，体积小、重量轻，比无源功率因数校正电路效率高。主要应用于中高端产品。2.4.3、有源功率因数校正的基本原理 有源功率因数校正电路（Active Power Factor Correction，APFC）是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法，交流输入电压经全波

23、整流后，再经DC/DC变换后，通过相应的控制使输入电流的平均值自动跟随全波整流电压基准，同时保持输出电压稳定。 APFC大都采用高频APFC电路，该电路接在整流桥路和变换器之间，如图1-1所示，其功率因数可达0.99以上；谐波电流分量小于10%；输入电压范围为90270V，使用范围广、输出电压稳定、磁性元件体积小；但其电路复杂，大都采用集成控制。 APFC电路基本电路由两大部分组成：主功率电路和控制电路，如图1-1所示。交流输入电压经全波整流后，再经过DC/DC变换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准值，并保持输出电压稳定。图1-1APFC工作原理图第三章、 结构设计3.1

24、、课题分析 上文分析了功率因数校正技术的基本原理，本次设计一个功率因数控制电路，实质是实现无功补偿用并联电容器自动投入和切除的装置。 一个供电系统的功率因数值通常是随负载的大小而变化。当负载大时，功率因数较低，为了提高功率因数就要及时投入补偿电容。当负载较小时，就要及时切除补偿电容，否则会造成过补偿，同样降低功率因数的值。利用单片机实时测量功率因数值，并控制补偿电容的自动投切，能达到最佳的补偿效果。 补偿电容的容量要根据用电系统的容量和补偿前后的功率因数值来确定。将补偿电容分成若干组，组数多一些，补偿的效果就好一些。3.2、整体方案设计 利用单片机设计电网功率因数控制电路，利用单片机自动地补偿

25、功率因数，是通过硬件与软件密切配合完成的，可直接利用单片机控制补偿电容和切除电容。显示部分 单 片 机相位差的信号提取信号整形电路 滤 波 电 路电流电压信号提取电 路3.3、单片机硬件装置电路选择图3-1 8051单片机最小系统电路图3.3.1、电源 本次我选用的单片机为AT89C51系列单片机，8051芯片使用是+5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。3.3.2、时钟振荡电路 单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用石英晶体振荡器，接18、19脚。只要配置相应的晶振、电容，连上就可以了。振荡频率取决于石英晶体振荡频率，范围可取1.2

26、-12MHz，我们选择1.2MHZ。C1，C2主要起频率微调和稳定作用，电容值可取10-30Pf。我们这里C1、C2都为20pf。3.3.3、复位电路 RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，单片机将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。一般取10uf电容，10k电阻。电路有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中REST键R1C2仍构成微分电路，按下RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复位按键。图3-2按键复位电路3.3.4、定时电路 供电系统中，功率因数瞬间波动的幅度有时是很大的，为了能准确地测量功率

27、因数，求得较平稳的变化趋势，要控制适当的测量间隔和采取多次测量求平均功率因数植的方法。定时电路的功能是控制测量时间的间隔。以定时的方式工作，每个机器周期使计数器加1，由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期。因此，若单片机采用12MHz晶振，则计数频率为12MHz/12=1MHz，即每微秒计数器加1。计数器对计数脉冲进行计数，从而确定系统的功率因数。3.3.5、计数电路 计数电路的实质是相位差测量电路。它是利用单片机定时器来实现的。计数器电路有两个8位计数器组成。T0的两个8位计数器是TH0和TL0，TH0是高8位，TL0是低8位；T1是两个8位计数器TH1和TL1，合起来是16位计数器。 定时

28、时间和计数值可以编程设定，其方法是在计数器内设置一个初值，然后加1计满后溢出。调整计数器初值，可调整从初值到溢出的数值，即调整了定时时间和计数值。3.3.6、投切控制电路 投切控制电路的功能是执行补偿电容机会均相等地参加补偿。由单片机输出的控制信号经过功率放大，通过小型继电器、交流接触器来执行对电容的投切。3.3.7、串行显示电路参 考 文 献1黄俊 电力电子变流技术 M 北京 机械工业出版社，1997 2何首贤，杨卫东.工厂配电技术M.北京;中国电力出版社.20103杨洋.供配电技术M.陕西：西安电子科技大学出版社.20074刘介才.工厂供电M.北京：机械工业出版社.19985王兆

29、安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社6陈伯时.电力拖动控制系统M.北京：机械工业出版社7宋书中等.交流调试系统M.北京：机械工业出版社8王兆安，黄俊.电力电子技术，北京：机械工业出版社,2000. 9电力线路技术手册L兵器工业出版社 齐文禄 1991年7月. 10靳龙章、丁毓山.电网无功补偿实用技术M. 北京：中国水利水电出版社，1997 11陈伯时.自动控制系统,北京: 机械工业出版社.12孙成宝、李广泽.配电网实用技术M.北京：中国水利水电出版社，1997. 致 谢在本论文完成之际，谨向我的指导老师致以最诚挚的谢意。感谢我大学生活中的所有老师们，感谢你们传授我知识，使我懂得了许多做人做事的道理，让我受益终生。感谢所有支持、关心和帮助过我的人们！