常見的傳統AC/DC轉換器會導致低功因及高諧波，對電力系統有嚴重的汙染。針對此問題，本文提出昇壓式功因修正技術達到改善效果。首先針對需輸入電壓作為參考訊號的功因修正電路，研究其工作原理及設計準則，使用頻域分析設計出合適的電壓補償器，並依照準則加以模擬及實現。針對需要擷取輸入電壓為參考訊號及控制器中有乘法器較為複雜的缺點，發展出不需輸入電壓為參考訊號的功因修正電路。其工作原理與控制函數利用模擬加以實現，使用離散類比元件完成硬體電路架構，並針對負載變動，量測其功因與總諧波失真的變化。經由實作與模擬證實此功因修正電路，當系統滿載時功因可達到0.99，總諧波失真低於8%。

The traditional AC/DC rectifier usually results in low power factor and serious harmonic distortion and it will bring about the serious pollution to power system. This thesis proposes boost power factor correction technique to solve these problems. First, we aim at power factor correction circuit which need input voltage sensing, to study its operating principle and design consideration, then design applicable voltage compensator by the frequency analysis and perform the simulation and implementation using the developed criterion. In order to prevent the shortcoming that power factor correction circuits with input voltage sensing and complexity is raised for a multiplier must be added to controller, we develop the power factor correction circuit without input voltage sensing. We perform the operating principle and control function by simulation, develop hardware scheme by analog components and place load variation to measure power factor and total harmonic distortion. According to experimental results and simulation, we confirm the new power factor correction circuit. When the full load is placed, the power factor can achieve 0.99 and the total harmonic distortion is lower than 8%.

目錄

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 1
1.3 論文架構 3
第二章 功率因數修正技術簡介 4
2.1 功率因數的定義 4
2.2 單相功率因數修正電路簡介 7
2.2.1 橋式整流電路 7
2.2.2 傳統功因修正控制法分類 8
2.3 主動式功因修正電路 10
2.3.1 電力轉換器 10
2.3.2昇壓式轉換器電路 11
2.3.3 控制電路 13
第三章 電力轉換器分析與設計 18
3.1昇壓式轉換器電路原理 18
3.2 昇壓式轉換器應用於功因修正電路 22
3.3 元件規格選擇 26
3.4 尖波失真 27
第四章 需輸入電壓為參考訊號之功因修正技術 30
4.1 功因修正電路使用數學式方塊化 31
4.2 電壓與電流迴路分析 36
4.3 硬體電路模擬 47
第五章 不需輸入電壓為參考訊號之功因修正技術 57
5.1 控制法簡介 57
5.2 電壓與電流迴路分析 60
5.3 硬體電路模擬 70
5.4 ICE1PCS01使用設計 80



第六章 硬體電路建立與實驗結果 89
6.1 ICE1PCS01功因修正硬體電路 89
6.1.1 硬體電路規格與建立 89
6.1.2 實驗結果與數據 91
6.2 不需輸入電壓感測的功因修正硬體電路 96
6.2.1 硬體電路規格與建立 96
6.2.2實驗結果與數據 96
6.3 需輸入電壓感測的功因修正硬體電路 102
6.3.1 硬體電路規格與建立 102
6.3.2實驗結果與數據 103
6.4 綜合比較 104
第七章 結論與未來展望 108
7.1 結論 108
7.2 未來展望 111
參考資料 112









圖目錄

圖2-1 電源電壓與電流波形 4
圖2-2 失真因數與總諧波失真關係圖 7
圖2-3 橋式整流電路與線電壓、電流及電流頻譜圖 8
圖2-4 傳統功因修正分類圖 9
圖2-5 填谷式濾波器(Valley fill filter)電路及輸入電壓與電流 10
圖2-6 昇壓式轉換器架構與操作模式 12
圖2-7 峰值電流控制法電路圖與輸入電流波形 14
圖2-8 磁滯電流控制法電路圖與輸入電流波形 15
圖2-9 平均電流控制法電路與輸入電流波形 16
圖2-10 邊界控制法電路與輸入電流波形 17
圖3-1 昇壓式轉換器動作狀態 18
圖3-2 昇壓型轉換器電感電壓與電容電流波形 19
圖3-3 昇壓式轉換器在不連續導通模式之電感電壓與電流波形 20
圖3-4 昇壓式轉換電路使用在功因修正 23
圖3-5 導通模式參數K為連續導通模式 25
圖3-6 導通模式參數K為不連續導通模式 26
圖3-7 轉換器簡化電路 27
圖3-8 轉換器簡化電路向量圖 28
圖3-9 尖波失真現象 29
圖4-1 需輸入電壓為參考訊號之功因修正電路 30
圖4-2 昇壓式轉換器 31
圖4-3 昇壓式轉換器方塊化 33
圖4-4 功因修正系統方塊圖 35
圖4-5 電壓補償器輸出至轉換器輸出之波德圖 37
圖4-6 轉移函數之波德圖 37
圖4-7 電壓補償器波德圖 38
圖4-8 電壓迴路波德圖 38
圖4-9 轉移函數之波德圖 41
圖4-10 電流迴路的波德圖 41
圖4-11 轉移函數之波德圖 42
圖4-12 轉移函數之波德圖 42
圖4-13 不同d的 轉移函數之波德圖 43
圖4-14 不同d的 轉移函數之波德圖 43
圖4-15 電路模擬與數學模擬之 轉移函數比較 44
圖4-16 電路模擬與數學模擬之 轉移函數比較 45
圖4-17 功因修正電路數學化的輸出電壓 45
圖4-18 功因修正電路模擬的輸出電壓 46
圖4-19 電路模擬與數學模擬之輸出電壓比較 46
圖4-20 使用簡化的模擬方式之電路模擬 48
圖4-21 輸入電壓與輸入電流 48
圖4-22 電感電流 49
圖4-23 輸出電壓 49
圖4-24 模擬軟體之THD分析結果圖 50
圖4-25 輸入電流頻譜 50
圖4-26 硬體電路模擬電路 52
圖4-27 輸入電壓與輸入電流 52
圖4-28 電感電流 53
圖4-29 取入的電感電流訊號與參考訊號 53
圖4-30 輸出電壓 54
圖4-31 模擬軟體之THD分析結果圖 54
圖4-32 輸入電流頻譜 55
圖4-33(a) 乘法器輸入、輸出與電壓補償器輸出波形 55
圖4-33(b) 乘法器輸入、輸出與電壓補償器輸出波形 56
圖5-1 非線性載波控制法(Nonlinear Carrier Control)簡圖 59
圖5-2 箝位電流控制法簡圖 60
圖5-3 功因修正系統方塊圖 63
圖5-4 電壓補償器輸出至轉換器輸出之波德圖 63
圖5-5 轉移函數之波德圖 65
圖5-6 電壓迴路波德圖 65
圖5-7 轉移函數之波德圖 66
圖5-8 電流迴路的波德圖 66
圖5-9 轉移函數之波德圖 67
圖5-10 轉移函數之波德圖 67
圖5-11 電路模擬與數學模擬之 轉移函數比較 68
圖5-12 電路模擬與數學模擬之 轉移函數比較 68
圖5-13 功因修正電路模擬的輸出電壓 69
圖5-14 功因修正電路數學化的輸出電壓 69
圖5-15 電路模擬與數學模擬之輸出電壓比較 70
圖5-16 不同型式的PI補償器 71
圖5-17 圖5-16(a)的波德圖 72
圖5-18 電壓迴路控制電路 73
圖5-19 簡化的電壓迴路控制電路 73
圖5-20 控制電路中的開關元件 74
圖5-21 使用簡化元件的硬體電路模擬 75
圖5-22 電感電流與全波整流線電壓 75
圖5-23 輸出電壓 76
圖5-24 不需輸入電壓為參考訊號之功因修正電路模擬 77
圖5-25 閘極驅動信號 77
圖5-26 輸入電壓與電流 78
圖5-27 模擬軟體之THD分析結果圖 78
圖5-28 輸出電壓 79
圖5-29 輸入電流頻譜 79
圖5-30 ICE1PCS01接線及內部方塊圖 81
圖5-31 ICE1PCS01的運作流程圖 82
圖5-32 電阻-頻率特性曲線 84
圖5-33 轉導放大器 87
圖5-34 ICE1PCS01電壓迴路方塊圖 88
圖6-1 ICE1PCS01電路硬體與測試儀器 89
圖6-2 切換頻率設定電阻為15KΩ 90
圖6-3 切換頻率設定電阻為33KΩ 90
圖6-4 切換頻率設定電阻為82KΩ 91
圖6-5 負載(100%)輸入電壓與電流 92
圖6-6 負載(100%)總諧波失真 92
圖6-7 負載(80%)輸入電壓與電流 93
圖6-8 負載(80%)總諧波失真 93
圖6-9 負載(50%)輸入電壓與電流 94
圖6-10 負載(50%)總諧波失真 94
圖6-11 不同輸入電壓下輸出瓦數與功因值關係 95
圖6-12 不同輸入電壓下輸出瓦數與總諧波失真關係 95
圖6-13 不需輸入電壓為參考訊號之功因修正電路硬體與測試儀器 96
圖6-14 負載(100%)輸入電壓與電流 97
圖6-15 負載(100%)總諧波失真 98
圖6-16 負載(80%)輸入電壓與電流 98
圖6-17 負載(80%)總諧波失真 99
圖6-18 負載(50%)輸入電壓與電流 99
圖6-19 負載(50%)總諧波失真 100
圖6-20 輸出電壓 100
圖6-21 不同輸入電壓下輸出瓦數與功因值關係 101
圖6-22 不同輸入電壓下輸出瓦數與總諧波失真關係 101
圖6-23 需輸入電壓為參考訊號之功因修正電路硬體與測試儀器 102
圖6-24 負載(100%)輸入電壓與電流 103
圖6-25 負載(100%)總諧波失真 103
圖6-26 輸入110V之輸出瓦數與功因值關係 104
圖6-27 輸入110V之輸出瓦數與總諧波失真關係 104
圖6-28 ICE1PCS01與不需輸入電壓感測PFC輸出瓦數與功因值關係 105
圖6-29 ICE1PCS01與不需輸入電壓感測PFC輸出瓦數與總諧波失真關係 106
圖6-30 三個硬體電路之功率因數比較 106
圖6-31 三個硬體電路之THD比較 107



表目錄

表4-1 使用簡化元件之功因修正電路規格 47
表4-2 硬體實現考量的功因修正電路規格 51
表5-1 補償器參數規格 71
表5-2 不需輸入電壓感測之功因修正電路規格 76
表5-3 ICE1PCS01之功因修正電路規格 85
表7-1 滿載時功因值與總諧波失真之比較 110
表7-2半載時功因值與總諧波失真之比較 110

參考資料

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