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变频空调专用单相数字APFC的研制

王男  
【摘要】:在功率半导体技术、微电子技术以及控制技术的推动下,电力电子变换技术发展迅速,为各种应用场合提供动力电源和功率调节,高效环保、绿色变换、精确供电成为主流发展方向。 在单相交流供电的AC-DC变换器领域,如果采用了二极管不控整流电路,由于后接电解电容滤波电路,该AC-DC变换器在网侧呈现非线性负载特性,位移因数和畸变因数均低于1,使得网侧功率因数低下,而且对电网形成谐波电流污染,并会恶化EMC指标。 变频空调为单相交流供电的重要应用场合,基本电路结构为单相AC-DC变换器-三相电压源逆变器-PMSM压缩机变频调速系统。为了通过“3C”认证或CE认证,单相AC-DC变换器必需具有功率因数校正能能力,这就是单相有源功率因数校正器(Active Power FactorCorrection, APFC)。随着变频空调事业的发展,尤其变频柜机空调的发展,变频空调用单相有源功率因数校正器出现以下应用特征:(1)功率上限扩大,突破5kW和接近10kW;(2)开关频率上限扩大,达到40kHz;(3)升压电感小型化,以便在板安装;(4)功率电路模块化,增强功率密度;(5)功率电路多样化,支持更大功率输出;(6)控制策略简单化和数字化,输出电压具有跟随特性。 本课题就是基于变频空调单相APFC以上发展趋势制定研究内容和研究目标,旨在推出新颖控制策略、数字控制、5kW APFC功率模块,并进行理论分析、仿真分析和实验研究,所做工作具有一定学术意义。 以下是本文进行的研究分析内容: (1)建立了单级APFC的小信号模型和功率电路的传递函数,在此基础上分析了单级APFC传统双闭环控制理论; (2)分析了一种陷波器外环、比例谐振调节器(PR)内环的单级APFC双闭环控制策略,该控制策略具有网侧电流波形正弦度高的特征; (3)提出了一种单级APFC新型电流准内环的控制策略,理论和仿真分析验证了该控制策略具有动态响应快的优点; (4)基于NEC公司推出的PD78F1213,采用上述两种控制策略实现了额定输出功率5kW、开关频率为35kHz、电感量为350H(铁硅铝)的单级数字APFC功率模块,功率因数校正效果好,性价比,而且具有输出电压跟随输入电压和输出功率的特征(降低功率器件的电气应力),还具有轻载下电流有效值滞环控制功能(提高轻载下效率),完全满足变频空调用单相APFC的发展需求; (5)提出了一种新型MxN交错APFC的功率电路,建立了电流连续(CCM)下变换器的矩阵式欧拉方程。在证明2x2交错APFC的无源性的基础上,采用非线性控制即无源性控制方法。该控制策略不需要比例积分环节,系统参数配置简单,具有较强的鲁棒性。并且,在维持直流电压稳定的同时,具有很快的动态响应速度,使输入电流快速跟踪输入电压。对于多重开关并联的APFC具有非常满意的均流效果。仿真结果证明,使用无源性控制方法的APFC校正效果好,适合用作变频空调APFC的控制方法。


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