三相功率因數(shù)校正技術(shù)研究

摘要：本文采用三相六開關(guān)Boost拓?fù)鋵崿F(xiàn)三相PFC，三相拓?fù)渫ㄟ^物理解耦，增加電路冗余。Saber仿真分析比較了滯環(huán)電流變頻控制和平均電流定頻控制，仿真結(jié)果證明兩種控制方法均能很好地實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。
1  引  言

用電設(shè)備的功率因數(shù)為兩個因子的乘積：一個是相移因子，由輸入電流的基波分量和輸入正弦電壓之間存在相位差造成；另一個是畸變因子，它是輸入電流失真度(THD)的函數(shù)。常規(guī)的整流裝置，由于使用非線性器件，功率因數(shù)低，且諧波電流污染了電網(wǎng)，并導(dǎo)致用電設(shè)備之間的相互干擾。[1] 抑制電力電子裝置產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種：一是被動方法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波；另一種是主動式的方法，即設(shè)計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高等特點，即具有功率因數(shù)校正功能。近年來功率因數(shù)校正(PFC)電路得到了很大的發(fā)展，成為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。[2]單相功率因數(shù)校正技術(shù)目前在電路拓?fù)浜涂刂品矫嬉讶遮叧墒欤嗾髌鞯墓β蚀?，對電網(wǎng)的污染更大，因此，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的研究很有必要。目前三相PFC拓?fù)溆校簡伍_關(guān)Boost型、單開關(guān)Buck型、六開關(guān)Boost型、六開關(guān)Buck型、單開關(guān)Buck-Boost型，本文對六開關(guān)Boost型PFC電路的工作原理、控制方式等進(jìn)行研究。

2       三相升壓型六開關(guān)PFC電路

PFC主電路采用六只開關(guān)管組成的三相升壓型PWM整流電路如圖1所示，本文中的三相PFC在物理上進(jìn)行解耦，即采用三個單相PFC電路組合構(gòu)成三相PFC。

圖1  三相六管Boost型PFC電路                   圖2  A相等效電路

單相PFC組合成三相PFC的技術(shù)優(yōu)勢是：可以利用比較成熟的單相PFC技術(shù)，而且電路由3個單相PFC同時供電，如果某一相出現(xiàn)故障，其余兩相仍能繼續(xù)向負(fù)載供電，電路具有冗余特性。為了說明三相六管Boost型PFC電路的工作原理，給出其A相等效電路，如圖2所示，電路為半橋Boost結(jié)構(gòu)，若電感電流為正，即輸入電壓為正半周，則當(dāng)下橋臂San導(dǎo)通時，相電壓加上電容C2的電壓對電感充電，輸入電流上升；當(dāng)上橋臂Sap導(dǎo)通時，電感電流通過二極管D1續(xù)流，電容C1上的電壓和輸入電壓的差值使電感電流下降；若電感電流為負(fù)，即輸入電壓為負(fù)半周時，則當(dāng)上橋臂Sap導(dǎo)通時，相電壓絕對值加上電容C1的電壓對電感充電，輸入電流上升；當(dāng)下橋臂San導(dǎo)通時，電感電流通過二極管D2續(xù)流，電容C2上的電壓和輸入電壓的差值使電感電流下降；通過對San和Sap的適當(dāng)控制，可以控制輸入電流按給定的參考電流變化，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。B相和C相的工作原理和A相類似。由于三相通過物理解耦，各相電流同時獨立控制，可實現(xiàn)較理想的控制性能。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是在任意時刻，每相只有一個器件導(dǎo)通，導(dǎo)通損耗低；控制上相互獨立，相間干擾小，有利于提高系統(tǒng)性能和可靠性。

3  控制方式[!--empirenews.page--]

功率因數(shù)校正的基本思想是控制整流器的輸入電流跟蹤輸入正弦電壓。其控制方式可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制指控制輸入電感端電壓的幅值和相位，這個正弦電壓使得電感電流與輸入電壓同相，因此稱為幅值相位控制。其控制電路簡單，但其穩(wěn)定性差以及存在直流偏移等缺點。目前用得最多的是直接電流控制，用輸入電流與參考電流比較，再用輸出的電流誤差控制開關(guān)動作。直接電流型控制分為：①峰值電流控制，次諧波振蕩問題在功率因數(shù)校正上更為嚴(yán)重，用得較少。②滯環(huán)電流控制，電流波形為純正弦，屬變頻控制。③平均電流控制，實現(xiàn)簡單，屬定頻控制。本文將滯環(huán)電流控制和平均電流控制運用于三相PFC，進(jìn)行saber仿真研究。

3.1  滯環(huán)電流控制

3.11 滯環(huán)電流控制的實現(xiàn)原理

滯環(huán)電流控制的工作原理如圖3所示，當(dāng)輸入電感采樣電流與電流基準(zhǔn)相比較得到的電流誤差信號ie 大于正環(huán)寬+h時，滯環(huán)比較器輸出低電平，控制開關(guān)管使電感電流下降；而當(dāng)ie低于負(fù)環(huán)寬-h時，滯環(huán)比較器輸出高電平，控制相應(yīng)的開關(guān)管使電感電流上升，這樣總保持ie在正負(fù)環(huán)寬（h）內(nèi)。

圖3   滯環(huán)電流控制原理圖

3.12 滯環(huán)電流控制仿真

采用滯環(huán)電流變頻控制，輸入電壓：220V；輸入電感：8mH；輸出電容：2400uH；輸入電壓頻率：50Hz；輸出電壓：750V；輸出功率：3kW。仿真波形如圖4.1到4.3。其中圖4.1中輸出電壓穩(wěn)在750V，三相輸入電感采樣電流互差120°；圖4.2中為A相輸入電感電流與輸入電壓同頻同相的波形，實現(xiàn)PFC功能；圖4.3為A相上下橋臂管子sap和san的驅(qū)動波形，可以看出滯環(huán)電流控制為變頻控制。滯環(huán)電流控制系統(tǒng)中功率管的開關(guān)頻率與滯環(huán)寬度、輸入電感、輸入電壓以及輸出電壓等均有關(guān)系，所以滯環(huán)電流控制系統(tǒng)的滯環(huán)寬度和輸入電感大小應(yīng)根據(jù)輸入和輸出電壓的要求以及滿足滯環(huán)控制原理的要求來進(jìn)行設(shè)計，要保證滯環(huán)輸出的最高開關(guān)頻率低于開關(guān)管IGBT的極限頻率。

      圖4.1  輸出電壓（上）和三相輸入電感電流波形（下）

           圖4.2  A相輸入電壓和輸入電感電流波形

           圖4.3  開關(guān)管sap (上)和san(下)的驅(qū)動波形 [!--empirenews.page--]     

3.2       平均電流控制

3.21 平均電流控制的實現(xiàn)原理

平均電流控制的工作原理如圖5.1所示，其控制電路構(gòu)成兩個控制環(huán)，電壓環(huán)是外環(huán)，采樣輸出電壓，保持輸出電壓恒定；電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，采樣電感電流，迫使電感電流跟蹤電流給定，減小輸入電流諧波，圖5.2是平均電流控制的輸入電流波形。平均電流控制的工作原理為：主電路的輸出電壓Vo和給定參考電壓Vo*送入電壓誤差放大器，放大器的輸出為Vvo，電壓誤差放大器采用PI調(diào)節(jié)器，將與輸入電壓的檢測值Vin同頻同相的電流基準(zhǔn)和電壓誤差放大器的輸出信號Vvo共同加到乘法器MUL的輸入端，而乘法器的輸出作為電流給定值iL*，因此給定電流參考波形是與交流電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，而電流參考的幅值則取決于電壓誤差放大器的輸出Vvo。將電流參考信號iL*與電感電流iL的檢測值一起送入電流誤差放大器，電流誤差放大器的輸出與鋸齒波比較產(chǎn)生開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動開關(guān)管工作。驅(qū)動信號控制開關(guān)管的通、斷，使iL跟蹤給定值iL*，而且輸入電流即電感電流的波形與交流電網(wǎng)電壓波形同相，電網(wǎng)電流中的諧波大為減少，輸入功率因數(shù)接近于1，同時功率因數(shù)校正器中的電壓外環(huán)反饋控制又能保證輸出電壓Vo恒定。

圖5.1  平均電流控制的工作原理方框圖        

                        圖5.2  平均電流控制的輸入電感電流

3.22 平均電流控制仿真

采用平均電流定頻控制，輸入電壓：220V；輸入電感：8mH；輸出電容：2400uH；輸入電壓頻率：50Hz；三角波交截頻率：20kHz。輸出電壓：750V；輸出功率：3kW。仿真波形如圖6.1到6.3。其中圖6.1中輸出電壓穩(wěn)在750V，三相輸入電感采樣電流互差120°；圖6.2中為A相輸入電感電流與輸入電壓同頻同相的波形，實現(xiàn)PFC功能；圖6.3為A相上下橋臂管子sap和san的驅(qū)動波形，可以看出平均電流控制為定頻控制，開關(guān)管的開關(guān)頻率為50us。由于是恒頻線性控制，可以使主電路和控制電路的參數(shù)設(shè)計簡單方便，特別是電容、電感等與頻率選擇有關(guān)的參數(shù)設(shè)計。

圖6.1  輸出電壓（下）和三相輸入電感電流波形（上）

圖6.2  A相輸入電壓和輸入電感電流波形 

圖6.3  開關(guān)管sap (上)和san(下)的驅(qū)動波形

4  結(jié)  論

本文對三相升壓型六開關(guān)PFC電路的滯環(huán)電流控制和平均電流控制兩種方式用saber仿真進(jìn)行了詳細(xì)地分析比較，滯環(huán)電流控制是一種典型的非線性變頻電流型PWM調(diào)制技術(shù)，相比SPWM控制可以提高效率。而平均電流控制屬于恒頻線性控制，主電路和控制電路的參數(shù)設(shè)計簡單方便，且SPWM控制的諧波頻譜固定，能有效地消除低次諧波。由仿真波形可知兩種控制系統(tǒng)都能保證輸入電感電流與輸入電壓同頻同相，較好地實現(xiàn)PFC功能。