第四讲-PFC电路

4.0输入功率因数定义交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各次谐波电流Isn（n＝2，3，4，…）。THD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值22122212由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD输入电流总畸变率THD(TotalHarmonicDistortion)4.0输入功率因数定义（续1）SPPFAC/SSIVS11111cos/)(cos)/(cos)/(SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221∞22∞22211111∑11∑THDIIIIIIISnSnnSnSSSS输入功率因数PF（PowerFactor）：交流侧电压与电流基波分量之间的相位角φ1称为基波位移角；基波功率因数cosφ1称为基波位移因数DPF；基波因数：若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有功功率。这时，定义：交流电源输入有功功率PAC与其视在功率S之比，即4.1.1谐波电流的危害及改善措施220V单相交流电网不控整流电容滤波的应用极为广泛，但存在以下主要缺点：(1)仅在交流电压的瞬时值大于电容电压时才有输入电流，电流波形严重畸变，呈脉冲状。(2)直流输出电压只与交流输入电压有关而不能调控。(3)为了得到输出可控的直流电压，可采用相控整流。但脉动很大，且最低次谐波频率为2次谐波，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压。(4)在相控直流电压较低时电源功率因数低。图5.35AC/AC整流电路4.1.1谐波电流的危害及改善措施（续1）流过线路阻抗造成谐波电压降，使电网电压也发生畸变；可能危害通讯线路；会使线路和配电变压器过热，损坏电器设备；会引起电网LC谐振；高次谐波电流流过电网所产生的谐波电压可能使电容器过流、过热而爆炸；在三相四线制电路中，中线流过三相的三次谐波电流(3倍的3次谐波电流)，使中线过流而损坏；还使整流负载交流输入端功率因数下降，其结果是发电、配电及变电设备的利用率降低，功耗加大，效率降低。谐波电流对电网有严重的危害作用：4.1.1谐波电流的危害及改善措施（续2）限制电网谐波电流相应的国际标准已经颁布实施，如IEC-555-2，EN60555-2等，表5.7给出了某一标准要求的谐波电流限制值。表5.7AC-DC变流电路对输入端谐波电流的限制值不控整流能使基波电流与交流电源电压基本同相，cosφ1=1，但呈脉冲状的电流含有很大的谐波成份，因而交流电源的功率因数不高。…710302谐波电流％(以基波为基数)…7次5次3次2次谐波阶次图5.35AC/DC整流电路(1)附加无源滤波器优点：简单、可靠性高、电磁干扰EMI小。缺点：体积、重量大，难以得到高功率因数(一般提高到0.9左右)，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流并可能引发电路L、C谐振等。在图示的整流器和电容之间接入一个滤波电感，或者在交流侧并联接入LC滤波器。采用两类技术措施可减小电源电流中的谐波电流，提高功率因数4.1.1谐波电流的危害及改善措施（续3）4.1.1谐波电流的危害及改善措施（续4）图5.36含升压型(Boost)功率因数校正器环节的高频整流器(2)附加有源功率因数校正器或采用高频PWM整流含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为有源功率因数校正(ActivePowerFactorCorrection)APFC。优点：功率因数高，THD小；可在宽范围输入电压下工作；体积、重量轻；输出电压恒定。不足:单向的PWM整流。4.1.2含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流图5.36含升压型(Boost)功率因数校正器环节的高频整流器主电路：1)单相桥式不控整流器2)Boost变换器控制电路：1)电压误差放大器VAR2)电流误差放大器CAR3)乘法器4)比较器C5)驱动器6)其它相关电路4.1.2含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流（续1）含有一个BoostConverter，实现升压式DC→DC的变换；控制电路由一个电压外环和一个电流内环构成；升压电感中的电流受到连续监控和调节，使之能跟随整流后正弦半波电压波形。电路特点：4.1.2含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流（续2）有源功率因数校正的控制思想思路:主要是控制已整流后的电流，能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。Boost—APFC原理电路T导通时，二极管电流为零，|iS|=iL=iT；T断开时，|iS|=iL=iD，具有高频纹波的输入电流iS经很小的LC滤波后即可得到正弦波电流。4.1.2含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流（续3）Boost型功率因数校正器(APFC)的主要优点(1)输入电流连续，电磁干扰EMI小。(2)开关器件T的电压不超过输出电压值。(3)有许多集成控制电路芯片可供设计者选用。缺点(1)输入、输出间没有绝缘隔离(2)BoostAPFC适用于1kW～2kW以下的负载4.1.3带反激式功率因数校正器的高频整流图5.37带反激式功率因数校正器环节的高频整流器T导通时,Vdc加在变压器原方绕组等效电感L1两端，i1从零上升到ip，电感储能，二极管D阻断，i2=0。T截止时，i1=0，电感L2释放磁能，D导电，i2向C充电并向负载供电。反激式电路4.1.3带反激式功率因数校正器的高频整流（续2）工作模式为不连续导电模式DCM，双半波正弦虚线为电流峰值iP的包络线。I1为两个近似的正弦半波，is为一个近似的正弦波。脉动频率很高，经不大的L、C滤波器即可将滤为正弦电流。4.2三相PFC4.2.1几种典型的三相PFC4.2.2三相高频PWM整流图5.29两组三相桥并联组成的12相整流电路222bNaNcNiii22231baaNiii4.2.1几种典型的三相PFC12脉波整流电路2222bNaNaaNiiii3/322121baaNaNaNAiiiiiittttItidA23sin23113sin13111sin111sin34原方A相电流应为：除基波外，仅含12K1（K=1，2，3）次电流谐波。最低次电流谐波为11次。而三相桥6脉波整流电路交流电源中含有6K1次谐波电流，最低次谐波电流为5次。三相单开关PFC优点：1.引入boost变换器(Lb,Qb,Db)后，功率因数提高。2.控制简单，成本较低，采用较小的滤波器就可滤除高次谐波。缺点:电压、电流应力大；5次谐波大。要提高功率因数，须提高直流电压。三个单相PFC组成三相PFC优点：1.可利用单相比较成熟的PFC技术，由三个单相PFC同时供电，控制简单。缺点:元器件较多，成本高。三相六开关PFC电路优点：(1)将交流电源输入电流控制为畸变很小的正弦化电流，且功率因数可接近于1。(2)体积、重量可以大大地减少。(3)动态响应速度显著提高。缺点：开关管数量多，控制较为复杂。图5.40三相PWM整流器PWM开关模式整流器被称为PWM整流器。按是否具有能量回馈功能分为：1、无能量回馈功能的PWM整流器(PFC-PowerFactorCorrection)：例如，上节介绍的单相PWM整流器。2、具有能量回馈功能的开关模式整流器(ReversibleSMR)：如本节将要介绍有能量回馈功能的三相PWM整流器。4.2.2三相高频PWM整流20图5.38单相半桥PWM整流器图5.39单相全桥PWM整流器图5.40三相PWM整流器除要有输入电感，PWM整流器的主电路结构和逆变器一样。稳态工作时，整流器输出直流电压不变，开关管按正弦规律作脉宽调制，交流侧的电压是和逆变器输出电压类似的SPWM电压波。由于电感的滤波作用，交流电源流入的电流中谐波电流不大，变换器交流侧电压可以看作是可控正弦交流电压源，它与电网的正弦电压共同作用于输入电感L，产生正弦输入电流，这种高频PWM整流是升压变换。适当控制整流器交流端的电压的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流，并使直流电压保持为给定值。214.2.2.1能量可回馈型的PWM整流器主要特点通常交流电感L上压降不大，因此这种变换器直流输出电压总是大于交流电源电压峰值，因此这种高频PWM整流是升压变换。高频PWM整流器的主电路都是能量可双向流动的电力变换器，既可运行在整流状态，也可运行在逆变状态，作整流器只是它们的功能之一。主电路结构还可以用于无功补偿器，有源电力滤波器，风力、太阳能发电，电力储能系统，有源电子负载等应用领域，其控制方式和整流器控制也有很多相近的地方。图5.39单相全桥PWM整流器234.2.2.2交流/直流双向PWM变换器工作原理三相桥式变换器交流输入端电压为Via(t)、Vib(t)、Vic(t)。tVtvSSasin2)()120sin(2)(tVtvSSb)120sin(2)(tVtvSSc)sin(2)(tItiSa)120sin(2)(tItiSb)120sin(2)(tItiSc式中Is是交流电源流入双向变换器的电流有效值，φ是滞后的功率因数角。24交流输入电流为：三相交流电压输入为：)-sin(2)(tVtViia)-120-sin(2)(tVtViib)-120sin(2)(tVtViic理想的三相桥变换器交流侧相电压为是三相桥交流输入端相电压有效值，δ是落后于Vi的相位落后角。是三相桥交流输入端相δ落后于VS的相位落后角。iViVSV25XIjVVSiSqSiidXIVFHOHOFVVcosdiiqXIFEVVsinsin/)cos(/)(SiSidSqIXVVXVVIcossinSiiqdIXVXVI得到交流电网输入到变换器的有功功率P和无功功率Q：XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33XVVVIVIVQiSSSSqScos3sin3326当电压Vi数值较大，以致VicosδVs时，则Iq为负，Q为负，即变换器向电网输出无功电流。当电压Vi较小，VicosδVs时，Iq为正，Q为正，即变换器从电网吸收无功电流。当变换器交流输入端电压Vi相位滞后于VS时，即滞后角δ为正值时，有功电流为正值，P为正，表示交流电源向变换器输出有功功率，变换器工作于整流状态。当变换器交流输入端电压Vi的相位超前VS时，那时滞后角δ为负值，P为负，表示交流电源从变换器输入有功功率，变换器工作于逆变状态。27XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33XVVVIVIVQiSSSSqScos3sin33两个交流电源之间的有功电流、有功功率P总是从相位超前的电源流向相位滞后的电源；电压数值高的电源才有可能向电压低的电源输出滞后的感性无功电流和感性无功功率Q。综上，变换器就是一个理想的AC-DC双向功率变换器。28结论：XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33XVVVIVIVQiSSSSqScos3sin33三相电压型高频PWM整流器中6个开关器件T1～T6进行三相SPWM逆变器的通、断控制。令T1～T6SPWM控制的调制参考波频率fr等于交流电源Vsa、Vsb、Vsc的频率fs，Via、Vib、Vic中的谐波频率则由T1～T6SPWM控制的高频载波频率fC决定，Via、Vib、Vic中的高次谐波频率很高。294.2.3三相电压型高频PWM整流控制系统1、电容器C上的直流电压必须恒定，因此采用电压闭环控制。由PI型电压误差调