（电力系统及其自动化专业论文）大功率充电电源功率因数校正技术的理论和仿真研究.pdf

l o w e rp o w e rf a c t o r h a r m o n i ci nt h er e c t i f i e r a bs t r a c t a n dp o w e rg r i d s p o l l u t i o n d e v i c e st h a th a v ea t t r a c t e d c a u s e db yt h es u b s t a n t i a l g r e a ta t t e n t i o na r o u n dt h e w o r l d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v ew a y t ot h es u p p r e s s i o n o fh a r m o n i cc u r r e n ta n di m p r o v ep o w e rf a c t o nt h u si th a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s s of a r , f o rt h ef o l l o w i n gh i g h - p o w e r15 k wp o w e r c h a r g e ，s o m eu s eo fa c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y , b u tt a k i n gi n t ot h e r e l i a b i l i t ya n ds i m p l ea p p l i c a t i o n ，m o r eh i g h e r - p o w e rr e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l y u s et h ep a s s i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fp o w e rn c t o rc o r r e c t i o ni n t h eh i g h p o w e rc h a r g i n gp o w e rs u p p l y , f l sw e l la si t sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c hs t a t u s ，a n dd o e sas i m p l ei n t r o d u c t i o no nt h ea c t i v ep o w e rn c t o r c o r r e c t i o nt e c h n o l o g y t h e nc o m b i n e dw i t h t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f l a r g e c a p a c i t yc a p a c i t o rc h a r g i n gp o w e rs u p p l y , a n a l y z e dt h eu n c o r r e c t e dp o w e r f a c t o ra n dh a r m o n i co fc a p a c i t o r - f i l t e r e dt h r e e - p h a s e - b r i d g er e c t i f i e rc i r c u i t s a n dt h e nb a s e do nt h 邑p a s ti n v e s t i g a t i o no ft h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t e c h n i q u e s ，s y s t e m a t i ca n a l y z e dt h et r a d i t i o n a l f r o n ta n dr e a r - c o r r e c t i o nc i r c u i t d e s i g nm e t h o d ，g i v e nt h es p e c i f i cd e s i g nm e t h o d sa n dp a r a m e t e r s ，a n dt h ep o w e r f a c t o rc o u l dc o r r e c t e du pt o0 9 6 ；a l s og i v e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a s s w e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni n d u c t a n c ea n dp o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i cc o n t e n t ，a n d e s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm e a s u r e m e n tm o d e lo fp o w e rf a c t o ra tt h es a m et i m ei n t h em a t l a b s l m u l i n k f i n a l l y , c o m b i n a t i o nt h ep o w e rp a r a m e t e r sw eh a v et od e s i g n ，c o m p l e m dt h e d e s i g no fas u i t a b l e3 0 k wl a r g e c a p a c i t yc a p a c i t o rc h a r g i n gp o w e rs u p p l yo f t h e p a s s i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t u n d e rt h ep r e m i s eo ft h e c o r r e c ts i z e i n d u c t o r , p o w e rf a c t o rw i l lb ei n c r e a s e dt 00 9 a n d a5 k wp o w e rf o rp a s s i v e p o w e rn c t o rc o r r e c t i o na n dp r e l i m i n a r yd e s i g no f a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ， e n s u r et h ei n d u c t a n c ev o l u m ea n dt e m p e r a t u r er i s ec o n d i t i o n s ，a f t e rt h ep a s s i v e p o w e rn c t o rc o r r e c t i o n ，t h ep o w e rf a c t o ri m p r o v e dt om o r et h a n0 8 5 f i n a l l y ，d o s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 fl 页 k e yw o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r c e t i o n ；h a r m o n i cr e s o n a n c e ；s i m u l a t i o nm e a s u r e m e n t m o d e li nm a t l a b s i m u l i n k ；h i g hp o w e rc a p a c i t o rc h a r g i n g p o w e rs y s t e m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 嚣鬲剽言翥写。粥 醐：加忤6 目f 日眺枷尹多l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 设计出在m a t l a b s i m u l i n l ( 中功率因数仿真测量的方法，对3 0 k w 大功率 充电电源进行前置和后置式无源功率因数校正，在考虑体积基础上校正结果 达到0 9 ，对5 k w 电源进行无源功率因数校正和初步有源功率因数校正，在考 虑体积和温升基础上经无源功率因数校正后功率因数达到0 8 5 以上，有源设 计在理论上基本接近1 。 伽冯浒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 功率因数校正的目的和意义 随着电力电子技术的不断发展，大功率充电电源越来越重视小型化研究。 逆变器的出现，使得大功率充电电源的小型化得以实现。逆变器要正常工作， 需要有一个前级，用于将三相工频交流电转换为直流电，于是整流桥+ 滤波电 容的结构得到了迅速而广泛的应用。由于不可控整流桥的价格优势和使用的 方便，采用不可控整流桥+ 滤波电容这种结构的整流装置占了多数。但是这种 整流结构的固有缺陷( 非线性元件和储能元件的组合，电网只在滤波电容上 的电压低于发电机或电网电压时才给滤波电容补电) ，使得尽管输入交流电 t ， 压7 ，是正弦的，但输入的交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，产生大量谐 波并且造成输入端功率因数下降。已有文献和实验都已经证实：不可控整流 桥+ 滤波电容结构的整流装置由于造成了较大的电流畸变( 总谐波畸变率t h d 达9 0 - - 1 3 0 ) ，其功率因数是较低的( 0 5 0 7 ) h 1 。 这些不控整流电路产生了大量谐波和无功功率，对提供电能的电网或者 发电机会产生很大危害，主要表现在以下两个方面： 1 造成电能利用率下降： a c - d c 变流电路输入端功率因数下降使负载上可以得到的实际功率减少， 并且对发电机功率要求增加，例如本来充电电源所需功率为3 0 k w ，如果功率 因数为l ，则充电电源对电网或发电机要求3 0 k v a 的容量；如果功率因数为0 5 ， 则充电电源对电网或发电机要求6 0 k v h 的容量。无功功率在电网中产生无谓的 损耗，还会加重电能传输装置的负担，造成这些装置的“假过载 现象。 2 造成供电质量下降和影响可靠性： 如果充电电源挂接在电网上，输入电流中含有的过大的谐波分量不仅会 造成消耗在电网系统阻抗上的能量增大，还造成对电网的谐波“污染”，并 产生“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降，导致了电网 电压( 原来是正弦波) 也发生畸变，严重情况下还会造成非接地系统中性点 飘移，造成严重的系统损耗和三相系统的不对称；造成电路故障，使变电设 备损坏等等。 如果充电电源直接与发电机相接，过大的谐波分量在发电机定子上的损 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 耗增大，从而造成输出的三相电压不对称，严重时甚至会导致发电机的解列。 另外，谐波还可能使其他电气设备产生附加损耗和发热，使电机产生机 械振动及噪声；通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用，对周围的通 信系统产生干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损 坏通信设备等等。 可见，在采用了不可控整流桥+ 滤波电容结构整流滤波装置的大功率电源 设备中，进行功率因数校正是非常重要的，不仅外部环境的投资与它的功率 因数直接相关，而且内部器件的选型也与它的功率因数有直接关系。采用功 率因数校正技术带来的谐波含量降低既可以提高功率因数，又可以减小设备 对电网的危害，无论从提高设备本身的含金量还是从对电网或者发电机的电 能质量和安全运行来说，都是有着极大积极意义的。 为了减少a c - d c 变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐 波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性：同时也为了提高输入 端功率因数，以达到节能的效果，必须限锘i a c - d c 电路的输入端谐波电流分量。 现在，有关部门做出了相应规定，对用电设备的波形失真，作了具体限制。 如针对中小功率电器设备的i e c 5 5 5 - 2 、i e c l 0 0 0 - 3 - 2 以及其他军用标准；适用 于大功率电器设备的i e e e 5 1 9 ，i e c 5 5 5 - 4 等。我国于1 9 9 4 年颁布了电能质量 公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) ，可见对谐波的重视程度很高h 儿1 5 1 6 3 。 综上所述，研究大功率充电电源的功率因数校正是有必要的，也是值得 进行深入研究的一个课题。所以，研究本课题就有了重要的意义：在前人对 三相无源功率因数校正技术的研究基础上，将现代滤波器设计方法与大功率 串联谐振式电容器充电电源的工作特性相结合设计出合适的功率因数校正电 路，既保证电源体积和重量，又能将功率因数提高到o 9 以上，尽量减小谐波 含量，充分利用电网或发电机容量。 功率因数校正技术可以对电压、电流进行校正，因为各种损害和功率因 数的降低是电流的畸变引起的，所以，功率因数校正技术主要是对电流进行 校正，使电流畸变小并使进线电流的变化与进线电压的变化规律一致，从而 提高设备的功率因数。从本质上来讲，功率因数校正技术的目的就是要使用 电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，这样输入电流和电网电压 为同频同相的正弦波，功率因数为l ，减小无功功率的损耗和谐波污染的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外现状分析 上世纪8 0 年代起，功率因数校正技术引起了广泛的重视。正是因为功率 因数校正技术可以充分利用电能并消除或减小设备工作时对电网产生的谐波 干扰和冲击，功率因数校正的相关研究得到了迅速的发展，相继出现了无源 功率因数校正技术和有源功率因数校正技术。无源功率因数校正方法是采用 l 、c 、d 无源元件组成各种滤波电路，滤除或减小输入量中的谐波分量达到功 率因数校正的目的。其优点是结构简单，不需另加控制即可实现功能，可靠 性高，缺点是体积庞大；有源功率因数校正方法是采用高频开关及相关的控 制电路结合l 、c 无源元件组成校正电路，使得电流波形紧密跟踪电压波形， 既减小了电流电压相位差，也减小了谐波含量。这种方法的优点是体积小， 校正后功率因数更高，但其控制复杂，造价高。无源功率因数校正与有源功 率因数校正各有优缺点，但是到目前为止，在采用不控整流电路的大功率充 电电源( 1 5 k w 以上) 中采用有源功率因数校正的例子并不多见，主要原因是 各种有源控制芯片虽然种类多，但都是设计成中小功率应用，其对电压和电 流采样有较大的限制，并且这些芯片大都是针对单相整流应用的，如最常见 的u 3 8 5 4 系列，主要针对单相功率因数校正，且其支持的最大功率为2 5 0 w 。调 研过程中查到的支持最大功率芯片为三菱的p s 5 1 2 5 9 - a 支持最大电压2 6 4 v ，最 大电流2 0 a 。综合考虑器件和工程实际中实现的可行性等因素，对于1 5 k w 以上 的大功率电容充电电源，通常采用的多是无源功率因数校正方案2 f 。例如2 0 0 5 年我国的激光武器神光i i i 的电源中采用的是一个5m h 的电感后置h3 进行功率 因数校正；2 0 0 3 年，e m i 公司的3 0 k w 商业电容充电电源采用无源功率因数校正 后的功率因数达n o 9 口1 ；现在l a m d a 公司的3 0 3 系列充电电源采用无源功率因 数校正后达到了0 8 5 以上隋1 。从可查阅的资料可以看到：1 5 k w 以上充电电源 中的功率因数校正均采用l - c 无源方法，校正后的功率因数可达n o 9 左右。 从资料的搜集过程中可以做出以下判断：大功率充电电源中采用无源 功率因数校正技术是可行的，在国外已经有产品出现；在国内大功率充电 电源中采用无源功率因数校正没有进行具体的理论分析，目前的电源中无源 滤波器选型主要依据经验值或者实验选择。由此可见，研究大功率充电电源 中的无源功率因数校正技术是有研究价值的，在提高功率因数的同时还能更 好的进行器件选型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 研究展望 无源功率因数校正电路拓扑结构体积庞大，有时候会不满足电源对体积 的要求：有源功率因数校正由于其控制技术受到功率级别的限制也很难应用 到这种1 5 k w 以上的大功率电源中，因此非常需要提高有源功率因数校正中的 控制芯片的功率等级。最好的解决谐波问题提高功率因数的方法应该是发展 对整流桥加滤波电容结构本身进行改造的技术，采用可控整流桥和p w m 或者 s p w m 等控制技术，制造出大功率高功率因数的整流器( 也有归类为复合式有 源功率因数校正技术) 。如美国国际科学应用公司的a c l i n i ( 专利电源结构， 其功率因数趋近于1 且体积很小，其功率达到1 4 m w ，功率因数接近l 。 1 4 本文的主要工作 本文首先结合大容量电容充电电源的工作特性，对未校正的电容滤波型 三相桥式整流电路的功率因数和谐波进行分析，然后在对以往的功率因数校 正技术调研基础上，对传统的前置和后置式校正电路设计方法做系统的分析， 给出电路参数的设计方法，给出功率因数和各次谐波含量与无源功率因数校 正电感之间的关系。然后结合我们所要设计的电源参数，完成了3 0 k w 大容量 电容充电电源的无源功率因数校正电路的设计，在保证校正电感温升和体积 的条件下将功率因数提高n o 9 。并对某车载5 k w 充电电源进行无源功率因数 校正和初步有源功率因数校正设计，在保证校正电感体积和温升条件下将其 功功率因数提高到o 8 5 以上。最后进行仿真实验验证；同时完成在 m 1 6 l t l a b s i m u l i n k 中的功率因数的仿真测量模型的建立。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章功率因数校正 2 - 1 功率因数校正的物理概念和本质阐述 2 1 1 功率因数的定义 在电工原理中，对于线性电路，功率因数可以直接用正弦电压和正弦电 流之间的相位差驴来计算和表示，定义为3 ： p f = c o s a p ( 2 1 ) 由于在整流电路中，尽管输入电压为正弦波，但是输入电流却为严重畸 变的非正弦电流，因此线性电路中的功率因数计算不再适用。如果假设输入 电压波形为吃( ，其周期为t ，输入电流波形为l ( 纠，则其功率因数定义为： 阿= 蒜 浯2 ) 其中有功功率( 记为易) 为： 易= ；r ( 珍l ( f ) 衍 ( 2 3 ) 视在功率( 记为) 为输入电压有效值和输入电流有效值的乘积，为： = 厮胁 凼此功率凼数口j 以农不为： 职= 丝掣竺 心v ? n q 丫d | 心奠i 。q 丫d t 如果假设输入电压波形为正弦，有 ( f ) = s i n 晤2 7 1 ，) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 而输入电流( f ) 为非正弦，则通过傅立叶变换，可以将输入电流表示为： 啪) 2 喜枷( 争 ( 2 _ 7 ) 其中l 为各次谐波的幅值，a n 为各次谐波与输入正弦电压之间的相位差。 利用三角函数的正交特性，将( 2 7 ) 带入( 2 - 3 ) 和( 2 - 5 ) 两式，可以计算 得出有功功率和功率因数为： = v 1 1 1 丁c o s ( 一a t ) ( 2 8 ) p f = c o s ( a 1 ) = 7 名 ( 2 - 9 ) 排2 圳一厣傲一波 槲枷喇黼耐慨在躺值击。辱中 所占的比例。右边第二项c o s ( q ) 称为位移因数( 名) 。功率因数是畸变因数和 位移因数的乘积，为了区分线性系统中没有位移因数名的影响，也将此时的 功率因数称为“功率因素”。 2 1 2 功率因数与谐波关系 非正弦的输入电流可以通过傅里叶变换而分解为一系列的谐波，其中基 波电流( 一次谐波电流) 是与输入电压同频的正弦波，为了衡量高次谐波对总 输入电流的影响，定义总谐波畸变( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) l 1 4 j ，记为 t h d 。 册= 墅嚣募攀 协 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 得： 彻= = 露 1 1 ( 2 - 1 1 ) 如果基波电流与输入电压之间相位差为零，即有喁= 0 ，由( 2 9 ) 式可 艘2 丽1 这便是功率因数与总谐波畸变之间的关系， 以上，则总谐波畸变必须满足t h d 4 8 4 。 2 1 3 功率因数校正的本质 ( 2 - 1 2 ) 如果功率因数要控制在0 9 功率因数p f 用于衡量输入有功功率p 占输入视在功率s 的比例，用公式 p f ：p 表示为：s 。功率因数越高，输入有功功率所占的比重越大；当功率因 数为1 时，输入的功率全部被作为有功功率吸收。在正弦系统中；p 全部是 基波分量所做的有功，s 也全部是基波分量的视在功率。但是在非正弦系统 中，p 和s 都不仅是基波分量，而是所有电压、电流的直流分量和各次谐波 分量所做的功，功率因数越小，及五的乘积就越小，所以电流电压相位差大、 谐波含量大。电流电压相位差越大，无功功率就越大，要求供给输入的容量 就越大，对于供电要求就越高；谐波含量越大，入线电流就越偏离正弦形， 并由此在输配电系统中引起三相不对称，增大了输配电系统损耗。所以，应 该尽量提高设备的功率因数，减小输入无功功率和谐波含量。 功率因数是畸变因数和位移因数的乘积，很显然，当输入电流与输入电 压是同频同相的正弦波时，有p f = i 。可以看到，提高功率因数，可以从两方 面着手降低谐波含量，提高畸变因数；o 减小输入电压和电流间的相位差， 提高c o s 伊值。其中，降低谐波分量是功率因数校正最主要的目的，因为谐波 分量的过大会引起电网及电网设备工作的异常。 从本质上来讲，功率因数校正技术的目的就是要使用电设备的输入端口 针对交流电网呈觋i 纯阻性”，这样输入电流和电网电压为同频同相的正弦波， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 4 功率因数校正技术分类 rl c 滤波器前置 r 无源p f c l i ll c 滤波器后置 l、 p f c r 全控开关拓扑结构l lf 复合型1 不可控+ 全控开关拓扑结构l厂电流连续方式 l ：f f 源i f c 1 f b u c k 孙结构 产t 电流断续方式 件上，如图2 - 2 所示： 一一 zzsa p d c d c f =c l c zsz 整流 ld c d c + c a p f c l 图2 2 独立型a p f c 与复合型a p f c 电路拓扑 ( 1 ) 无源功率因数校正 无源功率因数校正是通过在电路中加入无源电感电容以及二极管而使整 流器输入侧电流接近于正弦的方法。无源功率因数校正方案的主要优点是： 简单、成本低，可靠性高，电磁干扰小。主要缺点是：尺寸大、重量高，难以 得到很高的功率因数，一般只能将p f 值提高到0 9 左右，同时，工作性能与 负载情况的变化，输入电压的变化相关，并且电感和电容之间存在有大的充 放电电流等。 适合大功率电容充电电源的无源功率因数校正主要有二种方法： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在整流器与滤波电容之间接入无源电感( 简称电感后置式) ，采用l c 串 联谐振相当于短路的特性阻止谐波电流流入整流桥，从而改善输入电流波形； 经过分析，理论计算校正值能够达到0 9 6 在整流器输入侧串入无源l _ c 串并联电路( 简称电感前置式) ，采用l - c 并联谐振相当于开路的特性阻止谐波电流流入整流桥，从而改善输入电流波 形。经过分析，理论计算校正值能够达到0 9 6 ( 2 ) 有源功率因数校正 有源功率因数校正即在全桥整流电路和负载电路之间加入级直流一直 流( d c _ d c ) 开关变换器，应用电压( 或电流) 反馈技术，使得d c d c 开关变换 器的输出端电压保持恒定，提供给负载电路使用；同时，再利用电压( 或电流) 反馈技术，让输入端电流的波形跟踪输入的电压波形，可以使输入电流接近 正弦。这一方案中，由于需要有源器件，因而称为有源功率因数校正，简称 a p f c 。a p f c 不论是单相还是三相应用，不论采用的是何种拓扑，其最终的工 作原理就是将通过整流桥的脉冲电流的波形展宽，使电流波形与正弦波形尽 可能地相似，从而减小谐波含量，提高功率因数。有源功率因数校正的主要 优点是：可以得到很高的功率因数，一般可以达到0 9 7 珈9 9 ，甚至接近于1 。 可以在较宽的输入电压范围内( 例如通过电压前馈技术，可以实现同一p f c 电路在全球不同标准的电网电压下工作) 和宽频带下工作，并保持输出电压恒 定：体积小，重量轻。它的主要缺点是：控制电路复杂，成本高。 无源功率因数校正与有源功率因数校正各有优缺点，但是到目前为止， 有源功率因数校正应用在大功率充电电源( 1 5 k w 以上) 中的例子并不多见， 主要原因是各种有源控制芯片虽然种类多，但都是设计成中小功率应用，其 对电压和电流采样有较大的限制，并且这些芯片大都是针对单相整流应用的， 如最常见的u 3 8 5 4 系列，主要针对单相功率因数校正，且其支持的最大功率 为2 5 0 w 。调研过程中查到的支持最大功率芯片为三菱的p s 5 1 2 5 9 一a 支持最大 电压2 6 4 v ，最大电流2 0 a 。综合考虑器件和工程实际中实现的可行性等因素， 对于1 5 k w 以上的大功率电容充电电源，通常采用的多是无源功率因数校正方 案。 2 2 整流器谐波和功率因数分析 2 。2 1 未加滤波电容c 的三相桥式整流电路分析 对于未加滤波电容c 而直接接负载的三相桥式整流电路，在单相不控整 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 流电路中，如果负载等效为一个电阻，则输入功率因数为l ，但在三相不控 整流电路中，即使负载等效为一个电阻，也不可能获得功率因数1 。原因在 于三相不控整流电路中三相电压通过a c d c 的不控整流桥互相耦合，不可能 同时兼顾三相输入电路，使任何一相输入电流都不能独立控制为正弦波形。 如图2 3 所示， 图2 - 3 三相不控整流电路阻性负载条件下某相输入电压和输入电流 输入相电流出现明显畸变，仿真测量阻性负载条件下的功率因数仅为 0 9 6 。 p f 1 09 c 8 07 0 6 05 0 4 03 0 2 01 c 图2 - 4 三相不控整流电路阻性负载条件下的功率因数 其输入电流谐波畸变率t h d 如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 - 5 三相不控整流电路阻性负载条件下输入电流谐波畸变率 2 2 2 整流电路带滤波电容结构的谐波和功率因数分析“”1 对于三相桥式整流器，用电容滤波的三相桥式整流器如图2 - 6 ，因为作为 负载的逆变器在稳定运行时所消耗的直流平均电流是一定的，所以在分析中 可以认为整流器的负载是纯电阻”。 n既1b 一 z态z 一 g 一 凸d a 一 zi 丕j r 图2 - 6 电容滤波的三相桥式整流器结构 如图2 - 6 所示的电容型二极管三相桥式整流电路，当某一对二极管导通 时，直流侧电压等于交流侧的某一线电压。设每组二极管在距线电压过零点目 角开始导通，并以二极管取和q 开始同时导通的时刻为时间零点，则线电 压为 e 0 6 = 瓦s i n ( 0 2 + 目) ( 2 一1 3 ) 而相电压为 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 巳= 击乜s i n ( 倒伽詈) 在t = o 时，二极管d 6 和d l 开始同时导通，直流侧电压等于：下一次导 通的是b 和d 2 ，直流侧电压等于。这两段导通过程之间的交替有两种情 况：一种是在q 和d 2 同时导通前见和q 是关断的，交流侧向直流侧的充电 电流0 是断续的；另一种是d l 一直导通，交替时由域导通换相至d 2 导通，。d 耐+ 秒= 二万 是连续的。临界状态是d 6 和d ，同时导通的阶段在 3 处恰好衔接了 !耐+ = 一万 起来，d 晗好连续。假设在3 时刻两者电压下降速度相等，则有 可得 d 卜务崩州争吲 ) d ( c a ) 斌c d = 小 ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 这就是临界条件，颤o r c a ；和排e ；时，r c 单独向r 放电，时间长度为( 刀3 一a ) c o ，此时有： t a n ( 8 + 扪= - c o r c 石，3 一j e ms i n ( 0 + 国p 铖c = e 。s i n0 - - 万= 秒+ a r c t a n ( e o r c ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ；! ! 篓r - 一p 去t a r c t a n 础哼删p 熹= s i n 0 ( & 次c ) 2 + 1 ( 2 2 0 ) 由此可以求出0 、万，则可确定交流侧线电流l a ，i a 是镜像对称的，可以 看成是由两个波形完全相同的波头移相叠加而成，即： ( 础) = f ( 耐) + f ( 甜一z 3 ) ( 2 2 1 ) 式中 ，觚， c o s ( r a + 0 ) - 4 一警 邮甜国 防2 2 ， 1 0 ( 万础7 ) 把式2 - 2 1 代入位移因数、基波因数、和功率因数等与谐波有关的性能指 标中，即可得到各性能指标表达式及谐波含量的表达式；得出i a 与i 的总有效 值、基波有效值、基波相角以及谐波有效值等的关系式如下 ，。= 4 2 1 ( 2 2 3 ) l l = 3 ，l ( 2 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 孔2 3 “6 吃。= 鼠一詈 l = | 2 c o s 6 - 1 l i l 荟三i i i 艾二二j ll - - i - - ii - l i l il - - i - i - ii 一一一一i 一 ii j 一二：r = 矗l l 一一j 一一 二二一： 一j 二l 一一上一一j 一一j 一一一l 一 浴l 一土一一 - 一一 ， iil i i t h d 孝 x 01 02 03 04 05 06 0 01 02 03 04 05 06 0 ( a ) ( b ) 图2 - 8 电容滤波三相桥式整流电路中的角度和参数指标与o j r c a 关系曲线 ( a ) 各角度与a j r c d 关系曲线( b ) 各性能指标与歙巳关系曲线 绘出汐、万、仍、t 皿、善等指标与积。的关系曲线如图2 - 8 所示，由 图可知，在锨c 。= 4 4 时，达到最大超前相位角仍= 1 3 。基波位移因数 善= c o s 仍= e o s l 3 0 = o 9 7 ，且仅含有6 n 1 次谐波，胛= 1 , 2 ，3 ， 综上，通过对采用滤波电容的三相整流桥的分析，可得： l 与谐波有关的各项性能指标，如电流畸变因数八电流总谐波畸变率 t h d 、各种奇次谐波含量、基波位移因数善，都只与歙c d 的乘积有关。 2 在轻载时直流侧获得的充电电流d 是断续的，重载时是连续的，它们 ， 灭：二l 的分界点就是 a , c a 。 3 电流最大超前角识= 1 3 。，基波位移因数f = c o s ( o ，= c o s l 3 。= o 9 7 。 4 电流畸变因数y 、电流总谐波畸变率t h d 以及总功率因数p f 都随着 w r c a 的增大而变坏。 5 输入电流的奇次谐波的出现，污染了电网降低了功率因数。 ) 役 猫 ，一。 乏 2 l 。 沿 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 3m a t l a b sim u lin k 中功率因数测量方法的仿真建模阳儿2 阳乜钉 开关电源的功率因数是非常重要的一个参数，直接决定着产品是否符合 通用的谐波标准，衡量着产品的优劣。为了减小谐波、提高功率因数，高频 开关电源普遍采用了功率因数校正电路来改善电流波形。为了在设计阶段就 了解高频开关电源的功率因数值，方便进行功率因数校正电路参数的优化， 就需要进行功率因数的测量。 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司推出的一种基十矩阵计算的科学计算软 件，是集数值计算、高级绘图及可视化、高级程序开发语言和动态系统建模 仿真十一体的开发环境。被广泛应用十包括信号处理与图象处理、控制系统 设计、电力系统设计、财务、医药等诸多领域。m a t l a b 的一大特性是有众多 的面向具体应用的工具箱，包含了完整的函数集，用于对信号图象处理、控 制系统设计、电力系统分析设计等。其中的s i m u l i n k 为用户提供了图形化建 模的接口，它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更 直观、方便、灵活的优点。 m a t l a b s i m u l i n k 中的电力系统工具箱p s b ( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) 中 包括了电路仿真所需的各种兀件模型，包括有电源模块、基础电路模块、电 力电子模块、电机模块、连线器模块、检测模块以及附加功率模块等七种模 块库。每个模块库中包含各种基本元件模型，如电源模块中有直流电压、电 流源，交流电压源、电流源，受控电压源、电流源等五种电源模型：电机模块 库中包含了各种电机模型，如异步电动机、同步电动机、水磁同步电动机等： 电力电子模块库包含了理想开关元件、晶闸管、功率场效应管、可关断晶闸 管等多种功率开关元件模型。只需将模块中的元件拖到s i m u l i n k 窗口中，通 过参数设置对话框设置参数就可以实现电力电子电路的仿真。 本节基于m a t l a b 仿真软件设计并给出了两种功率因数测量的电路，用这 两种电路对r c 正弦电路进行了功率因数仿真测量和计算验证；并把这两种仿 真测量电路应用于三相大功率恒流充电电源的功率因数仿真测量中，最后通 过实验验证了其可靠性。 2 3 1 功率因数仿真测量的两种方法 根据式2 2 7 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 阡：呈：坦：丝! ：擎兰竺 ( 2 - 2 7 ) s j 瓶甜2 廊伊加扣主，； l 女= i宅l 可以设计出第一种功率因数测量电路( 其中，u 七、j t 分别为第k 次谐波 电压电流的有效值) 。如下2 8 图所示。其中，u 和i 为相电压和相电流。 图2 - 9 第一种单相系统功率因数仿真模型 图2 = 1 0 第一种三相系统功率因数仿真模型 在图2 1 0 中，用了三套图2 - 9 所示测量模型，并使得尸= 只+ 尼+ 尼， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 s = u 彳。i a + u a i b + u c j 叫弋入计算，最终得到功率因数值。 根据式2 - 2 8 ， c o s 8 ,， ( 2 - 2 8 ) = 芦= = = = = 口 、1 + 册2 可以设计出第二种功率因数测量电路( 其中，：善为基波系数， 1 i f 善鬈 ) 1 - - c o s 只为基波位移系数，弼。：薹1 。为失真系数) ，如下图2 1 1 所 l 示。苴中u 和i 为相审乐和相由流。 - q u m n l c d h l o m o f l l 图2 - 11 第二种单相系统功率因数仿真模型 其中，( 甜) = 1 s q r t ( u 幸u + 1 ) ，k = p i 18 0 。这种方法是先求取t h d 值， 再通过( 甜) 计算出基波系数，然后再提取输入电压电流的角度来计算位移 系数a ，最后再把与五相乘，得到p f 。 在图2 - 1 2 中，用了三套图3 所示测量模型，分别求得输出值再进行平均， 最终可以得到功率因数值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图2 一1 2 第二种三相系统功率因数仿真模型 2 3 2 仿真测量模型的计算验证 为了验证这两种测量电路的正确性，将这两种测量电路用于测量r c 正弦 电路的功率因数。如图2 - 1 3 所示。 图2 一1 3r c 正弦电路 图2 - 1 3 中电源频率为2 2 0 v 5 0 h z ，r = 5 1 k 2 ，c = l u f 。这时可以算得等 效阻抗为： l - 5 1 0 0 + z = r + j o x ：= _ ，2 万5 0 1 1 0 硝：6 0 1 1 8 z 一3 1 7q p f = c o s ( - 3 1 9 7 1 = 0 8 4 8 在线性电路中，基波系数为1 ，所以功率因数p f 为0 8 4 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 将测量电路用于图2 1 3 电路功率因数的测量，可以分别得到如图2 一1 4 和图2 1 5 所示功率因数。其中图2 一1 4 为第一种测量方法测得的功率因数； 。图2 一1 5 为第二种测量方法测得的功率因数( g t 坐标为时间t 轴) 。 图2 一1 4 第一种测量方法测得的功率因数 - 图2 一1 5 第二种测量方法测得的功率因数 从图2 1 4 和图2 1 5 可以看到：采用两种测量电路测得的功率因数都分别 为0 8 4 8 。测量结果与计算结果一致。 2 3 3 仿真测量模型的实验验证 以未进行功率因数校正的4 2 k j s 数字式高频高压恒流充电电源为实验 对象，采用这两种仿真测量方法得到的功率因数如图2 - 1 6 、2 - 1 7 所示。其中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 、1 nj ij |j 图2 一1 6 第一种仿真测量的功率因数波形 图2 1 6 为第一种测量方法测得的功率因数；图2 一1 7 为第二种测量方法测得 的功率因数( 横坐标为时间t 轴) ： p f l r - 0 9 、 m s 、 j 07 ij i j f 4 7 、”、”。 0 螂 o 5 j 0 4 j 。l ” o j f i1 0 2 l 、一 o a j 0 【- - - j o0 ln 20 j0 4050 60708 图2 1 7 第二种仿真测量的功率因数波形 采用i d e a l6 1 8 0 6 电能分析仪实测的功率因数值如表1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 表l 实际测量的功率因数值 时间三相功率因数时间三相功率因数 2 2 ：1 3 ：4 9 06 1 2 2 ：1 3 ：5 40 6 0 2 2 ：1 3 ：5 00 6 02 2 ：1 3 ：5 50 6 0 2 2 ：1 3 ：5 10 6 0 2 2 ：1 3 ：5 60 6 0 2 2 ：1 3 ：5 20 5 92 2 ：1 3 ：5 70 6 0 2 2 ：1 3 ：5 30 6 22 2 ：1 3 ：5 80 5 9 波形如图2 1 8 所示 2 2 0 三 毳样日期：2 帕。 图2 一1 8 实际测量的功率因