基于TMS320F281X的单相BOOST功率因数研究

摘要: 随着用电设备的大量使用，电网危害越来越多的受到关注。大量的电力电子设备投入到电网使用中，特别是开关电源和变频电路的大量使用，对电网造成了严重的干扰和损害。在所有的影响因素中，谐波影响是比较突出的，为了有效抑制谐波，提高能源和设备的有效利用，我们引入有源功率因数技术。有源功率因数技术又叫APFC技术，大量应用于电路设备中，不但能带来好的经济效益和环境效益，也能带来很好的社会效益。数字控制电源成为现在开关电源产品的主流，本文正是基于TMS320F2812对Boost-APFC进行的研究。
本文首先对功率因数校正技术近些年的发展做了概述，对功率因数进行了定义，对其原理进行了阐述。根据电路结构和工作状态，具体分析了拓扑结构、工作模式以及控制方法，在比较分析中最后确定了功率因数的校正方法，即是：在临界导电模式下，基于平均电流控制策略的采用电流内环和电压外环双环控制的功率因数校正技术。通过比较，选择了Boost作为主电路，采用TMS320F2812控制器，实现了乘法器控制策略的算法，建立了电压环和电流环的小信号模型，设计了系统的最佳参数，实现了采样算法环节、PI控制环节和抗干扰环节以及EMI环节，提出了基于免疫反馈的PID算法，对系统进行了电压前馈环节和软启动环节的研究，完成了实验装置，通过实验获得了比较好的实验波形。
关键词：免疫反馈；数字控制；PI算法；系统仿真
Abstract with the extensive use of electrical equipment,Grid harm of power receive system more and more attention.A lot of power electronics are applied for electronic equipment, especially the use of switching power supply and frequency conversion circuit, the power grid caused serious interference and damage.In all the influence factors, the harmonic effect is prominent. In order to effectively suppress harmonic and improve the efficient use of energy and equipment, we introduce the technology of Active-Power -Factor-Correction, also called APFC technology. a large number of APFC is applied to the circuit device.It not only can bring good economic benefits and environmental benefits, also can bring good social benefits.Digital Power Control is now the mainstream of the switching power supply products, this article is based on TMS320F2812 to Boost – a study on the APFC.
This article,first of all,introduces the development of power factor correction technology in recent years, the power factor are defined, and its principle were
expounded according to the circuit structure and working condition、the working mode and analyzes the topology control method, finally decided in the comparative analysis of the power factor correction method, that is: in critical conduction mode, based on average current control strategy adopts the current inner loop and voltage outer loop 2-ring control of power factor correction technology
By comparison, we chose a Boost as the main circuit, using TMS320F2812 controller, realized the algorithm, the control strategy of the multiplier is established small signal model of voltage loop and current loop, design the optimal parameters of the system, realizes the sampling PI control algorithm link link and link of
anti-interference and EMI, PID algorithm is proposed based on the immune feedback, the system voltage feedforward links and soft starter, finished the experiment device, through the experiment better experimental waveforms are obtained.
KeyWords：Immune feedback; Digital control; PI algorithm; System simulation1绪论
电力电子器件在电网中的大量应用，人们对电源的系统要求也越来越高。由于大量非线性负荷出现在电力系统中，产生了各种非正弦电流，这种电流的危害比较大，能使电力系统中的电压波形发生畸变，使得电网的利用率大大降低，给环境和系统造成了危害，产生了谐波污染。为了比较好的解决问题，在电力系统中抑制谐波，APFC技术成为了解决问题比较好的方法，日益成为了研究热点。
1.1 APFC研究的背景通常将220V的交流电网电压经过整流电路变成直流，如图1所示，电路图是经典的整流电路图，一般大滤波电容器接在整流电路输出端，这样可以得到比较平直的直流电压。我们知道，在元器件中，滤波电容是一储能器件，而整流二极管是一非线性的器件，只有在二极管两端的电压大于导通电压时，二极管才会导通，有电流经过，在其他情况下，二极管处于关闭状态。在图1电路中输入电压达到峰值时刻，二极管会导通。这种情况下，会有一个峰值高并且发生畸变的周期性尖端电流出现，这个电流中谐波含量比较高，会严重干扰电网，造成谐波我染，并且设备的功率因数会下降，造成能源的利用率偏低
图1 基本桥式整流电路图 图2 电压和电流波形图
图2所示电压电流波形图，输入电流中含有大量的谐波成分，有功功率是由基波电流产生的，视在功率的增加是高次谐波的原因，AC/DC电路中功率因数下降。量谐波的存在不但对自身也会对周围的环境产生恶劣影响，一方面对周围电磁信号环境产生影响，另一方面会对供电系统造成压降，电网电压发生畸变，供电设备损坏，电路系统的供电负担增加，供电能力降低。
首先，对周围电磁环境和系统本省带的影响主要是一下几个方面：
高次谐波干扰通信系统当磁场周围有电路线上的幅值比较大的齐次低频谐波通过时，会产生磁场耦合，造成通话清晰度下降，干扰通信系统正常工作，影响信号质量的传输，严重会对人身造成伤害。并且随之产生的电磁噪声对电网的安全运行产生极坏的影响。
（2）对系统的辅助设备的可靠性产生影响谐波的存在是无序的，会对系统设备产生不良的误动作。继电保护和自动装置的开启与关闭是以基波为基础的，但是谐波对基波的影响是最为严重的，他会对发电机等设备启动过电流保护装置，一旦过电路保护装置启动，电机等设备会产生机械震荡，威胁电力系统的使用安全，对设备周围的运行环境产生不利干扰。
（3）增加了各种损耗电力从发电厂到用户经过几个环节，这些关节中，谐波抑制存在，谐波增加了在输配电以及用电过程中的损耗，造成了额外的传输损耗。在电器元件尤其变压器中，增加了磁滞涡流损耗，也使变压器的铜耗增加，尤其是3次以及其倍数次谐波造成的环流影响巨大。
（4）对各种器件的影响谐波会增加电容器等元器件的耗损系数，缩短元件的使用寿命，加速电器元件的老化，增加元件的投入。并且容易在元件形成的电路中造成谐振回路，谐振回路的频率和谐波中频率吻合时，会使元件过热，不能正常工作。
随着电网谐波污染以及人们对能源利用率要求的提高，功率因数校正技术以其显著的特点将越来越受到关注，成为热度不减的领域。尽管课题取得了一些成果，但是功率因数校正技术还有很多问题值得思考，尤其对器件越来越智能化的要求对APFC技术提出了更高的要求。基于本文的开展工作，可以在一下几个方面进行改进：将DC/DC变化技术引入到控制系统中，DC/DC变换技术是电力电源高频开关电源的重要组成部分，将DC/DC作为AD/DC的后级进行设计；在功率因数控制策略中采用更加先进的控制策略和控制算法。控制策略例如交错并联控制的单周期控制策略，这样的控制策略相对于单一控制策略有着突出的有点，一方面它可以省掉乘法器，简化控制电路，另一方面它在提高性能的同时，也降低了系统的成本。控制算法例如对采用算法进行进一步优化处理；在硬件上提高系统的系能。例如采用双重串联和双重并联的更为高效的拓扑电路，这将也涉及到芯片的散热技术和热量分布技术。继续研究功率因数校正技术电路的数字化技术，采样运算能力更高的数值处理器，实现更为广泛的应用。