（电力电子与电力传动专业论文）三相高功率因数可逆整流器研究.pdf

三相高功率因数可逆整流器研究 a b s t r a c t 佻t h e s i ss t u d i e do nt h e3 - - p h a s eh i g hp o w e rf a c t o rr e v e r s m l er e c t i f i e r f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to f t h e 3 - p h a s ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o ni si n t r o d u c e dt h o r o u g h l y t h e n , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s o ft h e 3 - p h a s e r e v e r s i b l er e c t i f i e rc i r c u i t i s p e r f o r m e d i nd e t a i l a i t e rt h a tal k w 3 - p h a s ep w m r e c t i f i e ri sd e s i g n e di nt h e o r ya n di n p r a c t i c a l i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nb a s e d0 1 1m a t l a bi s c a r r i e do u t t h r o u g h t h es i m u l a t i o n , an u m b e ro fs i m u l a t i o nd a t aa r eg a i n e df o rs t u d y i n gt h er e l a t i o n b e t w c f f f lt h ec i r c n i tp a r a n , 虹e r sa n dt h er e v e r s f b l er e c t i f i e rc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l i y , t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h er e v e r s i b l er e c t i f i e ri sd o n e 1 1 鸶r e s u l to f t h ee x p e r i m e n t p r o v e s t h a tb o t ht h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt h es h n u l a t i o nr e s u l t sf i r ec o r r e c t k e y w o r d s ：p o w e r f a c t o r3 - p h a s e r e v e r s i b l er e c t i f i c a t i o nm a t l a bs i m u l a t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 绪论 功率因数校正技术是涉及到电力电子技术，电气自动化，电力系统和理论电工等 领域的重要课题。由于电力电子装置的应用日益广泛，使得谐波污染问题引起人们越 来越多的关注。电力电子技术的进步，使得功率因数校正问题的研究也越来越深入。 本文的绪论部分先将有关功率因数校正问题的起源和发展作个叙述，并将目前已有的 各类功率因数校正手段作一个比较全面的介绍，然后阐明本课题研究的意义。 o 1 功率因数校正技术发展概述 功率因数，是对电能进行安全有效利用的衡量标准之一。从最初的因为大量感性 负载投入电网带来的无功损耗，到后来的因为各种非线性整流装置投入电网带来的谐 波污染，再到现在的电力电子装置尤其是开关电源的广泛使用而带来的大量谐波对电 网的危害，功率因数校正技术走过了从无功功率补偿到无源、有源滤波，再到有源功 率因数校正和单位功率因数变换技术的发展历程。功率因数校正技术的发展，成为电 力电子技术发展日益重要的组成部分，并成为电力电子技术进一步发展的重要支撑。 0 1 1 正弦电路功率因数的定义 在正弦电路中，负载是线性的。加以正弦电压后，产生的电流是正弦的。设电压、 电流分别为： “= 面s i ne a t f = ，s 叫耐一庐) = 4 2 1 c o s # s i n 科一- , 5 i s i n # c o s o x = f p + f g 其中，参为有功分量，葺无功分量。 则电路的平均功率为： p = 勉r u i d o ) t = u i c 。s 妒( 0 - d 定义p = u l c o s # 为有功功率，相对应的定义无功功率为： q = 明s i n 庐( 0 - 2 ) 可见，有功分量产生p ，无功分量产生q 。 对于发电机和变压器，其额定电流与绕组导线截面积及铜损有关；额定电压与绕 组的电气绝缘有关，在一定工作频率下，额定电压又与铁心尺寸和铁损有关。为此， 工程上将电压、电流有效值之积作为设备功率设计极限，定义视在功率为： l 三相高功率因数可逆整流器研究 s = u s 反映了电气设备的最大可利用容量。 从式( 0 1 ) 知，有功功率p 的最大值就是视在功率鼠p 越接近 的容量利用得越充分。为了反映这种利用程度，定义功率因数为： p f = 由u l 上( o 一1 ) ( o 4 ) 4 个定义式可得出正弦电路中各量之间的关系： s = p 2 + q 2 p f = c o s 击 ( 0 3 ) 说明电气设备 ( o - 4 ) ( 0 5 ) ( 0 6 ) 0 1 2 非正弦电路功率因数的定义 对于含有非线性器件的非正弦电路，施以正弦电压后。产生的电流发生畸变，不 再是正弦。但在满足狱里赫利条件下，非正弦电流可以分解成傅利叶级数： j - 巩s 叫一耐+ 丸) ( o 7 ) 0 兵甲，n = l 的邵分为基踱电流： f 。= - ，1 州耐+ 氟) 竹2 的所有分量为谐波电流。电流总有效值为： ，2 、善露 总谐波电流有效值为： 小虐砰 为了反映电流的畸变程度，定义总谐波畸变率( t h d ) ： t h d = 争舢 则根据正弦电路中有功、视功、功率因数的定义，有： p = 去广毗妇= 去r 嘻玩s j i l ( 一“+ 丸) 姒= u 。c o s 磊 ( o - 8 ) ( o _ 9 ) ( o 1 0 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 s = u 辱 胛一p u le-,os庐i：!竺盎=zcos破s u ii ( 0 1 1 ) ( 0 1 2 ) 其中，卢= 争称为基波因数，c 。s 巾称为位移因数。 至于非正弦电路中的无功功率尚无广泛接受的科学而权威的定义，这里使用一种 通行的定义方法，将电路无功功率分为由基波相移产生的基波无功功率9 和由谐波 产生的畸变功率d ： 办= u l lsin庐(0-13) fo d = u i 。= u 露 yn = - 2 ( 0 1 4 ) 这样，总无功功率为： q = 办+ d ( 0 - 1 5 ) 对比式( 0 - 1 0 ) ( 0 - 1 5 ) 可得如下关系式： s 2 = p 2 + 讲+ d 2 ( o - 1 6 ) 由上分析，可见总电流可看作三部分组成：有功分量、基波无功分量和谐波分量。 0 1 3 功率因数校正技术的发展 不同时期，人们对功率因数问题的理解有所不同。功率因数问题是用电设备对电 网带来的影响问题。不同性质的问题，其解决思路和方法也有所不同。功率因数校正 技术的发展过程就是对这一问题不断深入的认识和解决过程。 0 1 3 1 无功补偿技术 一无功功率的影响 早期的功率因数问题是无功功率问题，由于接于电网中的用户大多是感性负载， 如异步电机、荧光灯、工业电弧炉、交压器等。异步电机和变压器消耗的无功功率在 电网所提供的无功功率中占很大比例；电力系统中的电抗器和架空线也消耗一部分无 功功率。大量的无功功率流入电网，会带来诸多不利影响，主要表现在以下几个方面： 1 增加设备容量。 无功功率的增大，使总电流增大，以及视在功率增大，从而使设备容量、导线规 三相高功率因数可逆整流器研究 格、相应的控制设备、测量仪表和保护装置的规格容量也增加。 2 增加设备和线路损耗。 由于无功功率导致电流增大，设备和线路的损耗增加，电能的利用效率降低。 3 线路压降增大。 由于线路阻抗的存在，大量的无功电流注入电网会引起电网电压下降。对于冲击 性无功负载还会引起电网电压剧烈波动，供电质量严重下降。 4 功率因数降低，设备容量利用少。 由于无功功率会带来设备投资和运行费用的增加、能耗以及电网供电质量方面的 后果，无功功率补偿技术引起了人们的重视，这就是最初的功率因数补偿技术。 无功功率补偿的作用有： 1 提高功率因数，降低设备容量，减小导线截面积，节约有色金属。 2 降低电网线路损耗，节约电能，稳定电网电压，提高供电质量。 二无功功率补偿 由式( o - 5 ) ( o 6 ) 假设有功功率，不变，可作功率图，如图o 1 所示。可见， 要将功率因数由c o s 声提高到c o s 妒，需将无功功率q 减小到q 。而随着q 减小到q ， 视在功率也由s 减小到，从而在电网电压不变时，电流也减小，使设备容量、损耗 减小。可见无功补偿技术就是功率因数补偿技术。无功补偿技术主要有；同步调相机、 并联电容器、静止无功补偿装置。 p s 图o - 1 无功功率补偿原理 0 1 3 2 谐波补偿技术 一谐波的危害 在电力电子设备广泛应用之前，人们对谐波作了一些研究并有了一些认识，但由 于当时谐波污染并不严重而未引起重视。7 0 年代以来，电力电子技术飞速发展， 电力电子装置日益普及，大量电力电子装置投入电网，在满足不同的用电要求的同时， 也向电网注入了大量的谐波，谐波危害日益严重。由于谐波引起的各种故障和事故不 断发生，谐波的严重性才引起人们的关注。谐波的危害主要有以下几个方面： 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 在电网设备中产生附加的谐波损耗，使功率因数降低从而降低电网和设备的 效率。 2 影响电气设备的正常工作，如使电机、变压器发生机械震动、噪声、过压、 局部过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短。 3 对三相四线制电网，大量的三次谐波在中性线中叠加，发生中线过热甚至发 生火灾。 4 引起电网局部谐振，使谐波放大，则上述危害更剧。 5 导致继电器保护和自动装置误动作，电气测量仪表计量不准确。 6 对邻近通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，严重导致信息丢 失，系统紊乱。 由于谐波对用电设备和电网本身都会造成危害，许多国家和学术机构都制定颁布 了限制谐波的标准和规定，较有影响的有i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 、1 e c 5 5 5 2 。我国也于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别颁布了s d l 2 6 - 8 4 和g 别刀4 5 4 9 9 3 。 二谐波补偿技术 为了解决谐波污染问题，基本思想有两种：一是加装谐波补偿装置。二是对谐波 源进行改造，使之不产生谐波。前面一种就是谐波补偿技术，包括l c 无源滤波器和 有源滤波器两种。 0 1 3 3 功率因数校正技术 谐波补偿技术可以将电网中的谐波减小到可以接受的程度，从而使用电设备的网 侧功率因数得以提高，但与早期的无功补偿技术一样，是一种被动的解决问题的方式， 只能对功率因数起到改善的作用，而无法实现校正，即功率因数的全补偿，也就是无 法达到单位功率因数。这两种补偿技术都是对电网中已有的各种低功率因数的用电设 备产生的谐波和无功功率专门投入资金设备进行谐波清污。 治理电网环境，要想从根本上解决谐波污染和无功功率问题，必须从源头治起， 即在用电设备投入电网以前就对其进行改造，使之不产生谐波和无功功率，相当于一 个纯电阻负载，这才是治本的方法，这无疑是一种更加积极有效的做法。严格地说， 这才是真正意义上的功率因数校正技术，而前面的两种补偿技术只是功率因数改善技 术。 由功率因数校正的思想可知，在进行功率因数校正之前，必须先弄清楚电网中的 谐波源。电网中的谐波源有发电机、变压器、工业电弧炉、荧光灯及各种电力电子装 置包括相控整流器和各种类型的开关电源。在电力电子装置大量应用之前，主要的谐 波源是发电机和变压器，二者的谐波发生都是电磁转换中的非线形引起的。对于发电 机可在设计的时候采取一些削弱谐波电动势的措施使之发出的电压中含有很少的谐 波。对于变压器可以采用合理的铁心结构和绕组连接方式，使铁心工作于线性区等手 5 三相高功率因数可逆整流器研究 段而减少其谐波。这些措施不属于功率因数校正范畴。 随着电力电子技术的发展，电力电子装置大量投入电阿，迅速取代发电机和变压 器，成为电网中主要的谐波源。日本电气学会于1 9 9 2 年所作的一次有关谐波源的调 查对这一结论作了佐证。在被调查的1 8 6 家具有代表性的电力用户中，无谐波源的只 占6 ，最大谐波源为整流装置的用户占6 6 ，办公及家电的用户占2 3 ，而后者的 谐波均来自其中的整流装置，二者合为8 9 ，再加上交流电力调整装置中的1 ，最 大谐波源来自电力电子装置的占9 0 ，若排除6 的无谐波用户，则在所有谐波用户 中电力电子装置占9 6 ，这还只是1 9 9 2 年的情况，考虑到近年来计算机、通讯及i t 网络行业的迅速发展，而导致的开关电源市场进一步扩大，电力电子装置在谐波源用 户中的比例会更高，虽然我国情况与日本不同，但这一结论仍具有较大的参考价值。 考虑到电力电子装置中，前级通常是由二极管整流加电容滤波构成，后接各种功 率变换电路，如图0 - 24 示。其前级实际是一个峰值检波电路，整流二极管只在输入 电压大于电容电压时导通，导通时间短，使输入电流呈脉冲状，如图o - 2 6 示。可见， 输入电流中除基波电流外，含有大量的奇次谐波电流。虽然其相移因数c o s 仍为1 ， 但由于基波因数值过低，而使输入功率因数很低，通常只有0 6 5 左右。 口 图o 2n电力电子装置结构图 l 卅卜 斗 b b 输入电压电流波形 由以上弄清了谐波源及其谐波产生原理，便可找到功率因数校正的方法了。 功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n - - p f c ) 可分为有源功率因数校正( a c t i v e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a p f c ) ，高功率因数p w m 整流器两种。下面分别介绍。 一有源功率因数校正( 一用) 由前面的二极管电容整流电路的谐波产生原理分析知，谐波电流主要源于整流二 极管的断续工作使输入电流发生畸变，若在整流桥与电容之间串上一个b o o s t 电路如 图0 3 示。 r。d 图0 3b o o s t 有源功率因数校正电路 6 南京航空航天大学硕士学位论文 可见，只要开关q 导通，电感中就有电流流过，且电流增大，电感储能。当q 关断时，交流电源和电感储能一起通过二极管d 向电容和后级电路供电，这样只要 通过对q 的控制，就可以使得在任何时间，输入端都有电流流过，控制适当，可以 使输入电流成正弦，且与输入电压同相，这就是丘p 咒的基本原理。 a p 阳主电路除了采用b o o s t 变换器外，还可采用b u c k - b o o s t 、f l y b a c k 、s e p i c 、 c u k 变换器。但由于b o o s t 变换器具有电感电流连续，储能电感同时也作滤波器抑制 r f i 和e m l ，电流波形失真小，输出功率大，开关管共源极工作，驱动电路简单的优 点，应用最多。a p f c 按其工作方式又可分为电感电流连续( c c f ) 和电感电流断续 ( d c m ) 两种，分别如图0 _ 4a 、6 示。c c m 采用乘法器实现，d c m 采用电压跟随 器实现。 a ，c ( 瑚b 瑚 图0 - 4a p f c 的工作方式 可见d c m 方式电路简单，易实现，但存在两个缺点： 1 功率因数与u u o 有关，当u 变化时，功率因数也随之变化，同时输入电流 t h d 随u c z l o 的增大而增大。 2 由于电流断续，开关峰值电流大，损耗增加。 故d c m 只适用于小功率场合，在功率较大场合，通常用c c m 方式。 工作于c c m 方式下的b o o s t 型一尸同? 电路，按电流检测与控制的方法不同可分 为峰值电流控制技术a p f c 、平均电流控制技术a p 阳和电荷控制技术a p f c 三类。 1 峰值电流控制技术用酊 ( 1 ) 双基准开关控制技术( 船h ) a b b h 匾理框图6 电流及开关控制波形 图0 5b b h 控制原理 ， 三相高功率因数可逆整流器研究 b b h 控制原理图如图0 - 5 示，由电流控制器根据检测信号和给定信号设定电感电 流上、下限值，并控制开关通断以控制电感电流f ，。可见其平均值f 为与不控整流输 出的双半波电压同相的双半波正弦，由开关控制波形可知，b b h 控制方式的开关频 率不固定，这给输出滤波器的设计带来困难，设计时必须从最坏的情况出发，会增加 体积重量。 ( 2 ) 定频峰值电流控制技术( p c 材) p c m 原理图见图0 - 6 示，由电压环输出与二极管整流桥输出电压取样相乘得到开 关管电流基准，控制开关管的动作，当电流小于基准时，开关管导通，电流上升，达 到基准值时关断，电流下降，下次开关管的导通由定频时钟控制，由于当输入电压由 0 增大至峰值时，开关管占空比由最大减小至最小，会产生次谐波振荡，需在比较器 输入端加一斜波补偿信号。p c m 克服了b b h 开关频率不固定的缺点，但在电网电压 过零处输入电流失真大。 1 奉二 1 一 r 聃 _ 1霭 图0 - 6p c m 控制原理图0 7a c m 控制原理 2 平均电流控制技术o c 肼) a c m 原理图见图0 - 7 示，与陀 f 一样需要增加一个补偿次谐波振荡的斜波信号。 a c m 控制具有电流电压双闭环控制的优点，输入电流失真小，得到广泛应用。 3 电荷控制技术 图0 - 8 电荷控制原理框图 南京航空航天大学硕士学位论文 电荷控制技术原理图如图0 8 示。每个开关周期开始，由定频时钟开通功率管q ， 通过对开关电流检取积分，当积分电容c 上的电压巧达到k 时，q 关断，同时s 闭 合，c 迅速放电，这一状态直到下一个时钟脉冲到来。可见，q 的控制信号实际上是 一个开关周期内的总电荷，故称为电荷控制。又开关平均电流正比于开关电荷，故电 荷控制实质上是平均电流控制。在b u c k 变换器和b u c k - b o o s t 变换器中，开关电流就 是输入电流，故电荷控制技术是合适的。可见，电荷控制不仅可实现单位功率因数， 还可实现各种输出电压要求。 二高功率因数p w m 整流器 p w m 技术首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来。随着g t o 、肘0 断e 几 i g b t 等全控器件的不断进步，p w m 技术已十分成熟。目前s p w m 技术已在变流变 频调速、u p s 中获得广泛应用。将逆变电路的s p w m 技术移植于整流电路就形成了 p w m 整流电路，通过适当控制，就可以使输入电流为正弦波且与输入电压同相，达 到高功率因数目的，功率因数近似为l ，可称为单位功率因数整流器。 以单相为例，p w m 整流器的电路拓扑示于图0 9 口。按正弦信号与载波交截对4 桥臂施以p w m 控制，就在a 、丑端产生一正弦p w m 波，控制其幅值和相位，可控 制输入电流为正弦，且与电源电压同相，实现功率因数为1 。 蕞i 叫ai ： ( i 刊舡 口 图0 - 9 皿p w m 整流器主电路拓扑 b b p 聊盯整流器等效b o o s t 电路 对于图0 9 口整流电路也可从a p f c 的角度去解释其工作原理，当坼 0 时，、 d 4 、d 1 、厶和岛、d 1 、d 4 、上3 分别组成两个b o o s t 电路，包含的这组b o o s t 电路 如图o - 9 6 所示，当通时，经，d 4 向厶充电，截止时，昂和厶经d l ，d 4 向电 容和负载供电，当u o 类似。通过控制& n s 4 的通断，就可以使电感电流为正弦，并 与输入电压同相，实现单位功率因数。可见，p w m 整流器中含有b o o s t 变换器，故 称为b o o s t 型p w t d 整流器 9 三相高功率因数可逆整流器研究 o 2 三相p f c 研究现状 单相功率因数校正技术的研究比较多，在电路拓扑和控制方面都相当成熟，而三 相功率因数校正的研究则相对较晚较少。近年来随着p 同0 技术的研究的不断深入， 三相p 阳日益引起人们的重视。单相p f c 技术的成熟对三相朋c 的研究有很大的 借鉴意义，三相p f c 有单开关肼1 c 和多开关p f c 两类。 0 2 1 单开关三相p f i e 单开关三相c 可分为电流型和电压型两种，电流型可看作是电压型的对偶形 式。以电压型为例，原理拓扑如图0 1 0 示，可见就是a p f c 在三相中的应用。其工 作原理类似单相a p f c ，当开关q 导通时，三相电感电流均增大，增大的速度与三相 电压瞬时值有关；当q 关断时，三相电压与电感储能一起向电容和负载供电，三相 电感电流下降，下降的速度不仅与输入电压瞬时值有关，还与直流侧电压和导通路径 有关，而且三相电感电流是断续的。故三相电流并不正比于三相电压，也就是说这种 方式得到的输入电流并不完全是正弦波，其中包含一定量的低次谐波，所以无法达到 单相a p f c 的效果。由于电感电流断续，故e m l 大。还有一个缺点是输出电压过高， 这给功率管的选取带来困难。但所需元件少，成本低，开关损耗小，故在小功率场合 有应用。 0 2 2 多开关三相聊 多开关三相p 粥有三相桥式p w m 整流器、三电平p w m 整流器、串联双b o o s t 三相p f c 等方案。 1 - _ _ z王2王2王 叶 且 一 l蹦 出f r - 一 z上、zi，q l 2 1 ) 2 图0 1 0电压型三相单开关p f c图0 11串联双b o o s t 三相p f c 一串联双b o o s t 三相p f c 图0 1 1 所示为串联双b o o s t 三相p 您。原理拓扑。基本原理是在3 6 0 。范围内选 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 择一个6 0 。区域，如在( 2 ，5n 6 ) 内，u a 巩 u o ，令闭合，则电路相当于两 个单相b o o s tp f c 相串联，便可利用单相4 p 阳技术使爿、c 两相电流正比于一、c 相电压成正弦，则b 相电流也必然正比于口相电压且成正弦，依次类推至其他6 0 。 区域。 上述电路的优点是，通过3 个双向开关，将三相高功率因数整流电路转换成两个 b o o s t 电路的串联，从而将三相p f c 转化为单相p f c 来研究。缺点是需要一个三相 解码电路选择工作区，输出电压高，开关数目多。 二三相桥式p w m 整流器 图0 - 1 2 所示为三相桥式p w m 整流器原理拓扑，其工作原理与上节中介绍的单相 全桥p w m 整流器一样，也可看作是一种b o o s t 型整流器。这种电路的优点是输入电 流连续，t h d 和e m i 小，功率因数高，可实现功率的双向流动，输出电压高，适于 中大功率场合。 图0 - 1 2 三相桥式p w m 整流器 三三电平p w m 整流器 图0 一1 3 所示为三电平p w m 整流器原理拓扑。电路每个桥臂由两个双向开关串联 而成，双向开关结构为一全控器件与一功率二极管反并而成，两开关中点通过钳位二 极管与直流侧电容的中点d 相连，以一相为例，经过上下桥臂4 个开关的动作，可 以在一点得到相对于o 的三种电平；1 2 u d 、0 和1 2 砺。同样的丑、c 点也可得到三 种电平。则经过两相电压相减，线电压u a o 可得到、1 2 l 讯o 共5 种电平。由 于本电路工作时，交流输入端可得到三种电平，故称三电平整流器。上面第二种三相 全桥p w m 整流器的交流输入端工作时，相对于直流输出电容中点d 只有两个电平 1 2 ，因此其线电压只有三个电平阮和0 。可见，同样的开关频率下，三电平 p w m 整流电路的输入电流谐波要小。三电平电路还有一个优点是开关器件承受的电 压仅为直流侧电压的一半，适合于大功率场合。 近年来，还出现了五电平、七电平整流电路，当然电平数越高，使用的开关器件 数量就多，结构复杂，控制也复杂。 三相高功率因数可逆整流器研究 图0 - 1 3 三电平p w m 整流器 除了以上三种三相p f c 电路外，还有两种可提高功率因数的方法，一种是多重 化，一种是低频三相a p f c ，原理图分别如图0 1 4a 、b 示。 口 图0 - 1 4a 多重化原理图 ij i】i上 蹦t 蹦ji s 。jll 一 j 二 、2 t ， b b 低频三相一c 原理图 多重化的工作原理是把几个整流桥串联或并联，控制各桥导通角之间的相位差， 通过变压器合成抵消输入电流中的某些谐波达到功率因数提高的目的。 低频三相a p f c 电路将a p f c 电路中的电感移至三相输入端，并在三相交流输入 端通过三个双向开关接至直流输出电容的中点d ，若没有电感和三个双向开关，则 半周内交流电源只在f n l 6 ，5 n 6 之间可能有电流，加上输入电感，则有电流区间可 向后扩展到【5 耳6 ，】，但前面【0 ，6 区间仍无电流，引入三个双向开关，使之在 r o ，6 区间闭合，则把有电流区间扩展到这一区间。可见开关，岛，每周只需 动作两次即可，其工作频率为电网频率的2 倍。这种方法使输入电流连续，可有效减 小谐波，提高功率因数。 由上多重化和低频三相a p f c 的工作原理分析可知，这两种方法只能改善功率因 数，但效果不理想，不能起到功率因数因数校正的作用。 另外近年来又出现了一种新颖的高功率因数变频器矩阵式变频电路，原理拓 1 2 南京航空航天太学硕士学位论文 扑如图o 1 5 示。矩阵式变频电路是一种直接变频电路，中间没有直流环节，所用开 关为全控器件，控制方式为斩控。主电路由9 个双向开关接成矩阵式，a 、b 、c 为交 流输入端，队n 矿为变频后的交流输出端，能量可双向流动。经过对9 个开关的 适当控制，可实现输入电流正弦，单位功率因数。 输入 口bc ， 厂却 氮伍氪 ， v 啊i 召i 嵋百 ，| 面一丽面 输出 口主电路拓扑矗开关单元 图o 1 5 矩阵式变频电路 矩阵式变频器性能上有许多优点，但主电路结构复杂，所需器件多，控制非常复 杂，目前尚未进入实用阶段。 0 2 3 国内三相p f c 研究现状 国际上三相p f c 研究较早，目前已处于实用阶段。国内研究稍晚，目前以实验 研究为主。国内的三相p f c 研究的文献最早出现于9 0 年代中期。随后三相p f c 技 术的研究迅速引起关注，各种有关p f c 技术的研究论文频频出现，取得了不少成果， 到目前为止，三相p f c 技术的研究在国内方兴未艾，主要的研究工作和成果概括起 来有4 点： 1 仿真分析 根据三相高频p w m 整流电路的特点，建立了功率电路的简化电路模型，并进行 系统仿真障1 1 。通过仿真对系统的工作原理和各参数与性能之间的关系做了有价值的 分析研究。 2 建模分析 对高频p w m 整流器建立起一整套系统模型刚脚l 。在此基础上应用控制理论，设 计出校正器，实现对系统的闭环控制，并研究其动静态性能，以及各参数与系统性能 之问的关系。 3 控制方法研究 对高频p w m 整流器，其控制策略对系统性能具有至关重要的作用。总的说来， 控制策略可分为直接电流控制和问接电流控制。其中，对前者的研究工作做的较多。 文献 6 k 9 1 对直接电流控制，从不同的角度去做了研究。分析不同的参数如输入电感、 三相高功率因数可逆整流器研究 开关频率、电流调节器放大倍数、输出电压等与系统的输入电流和功率因数之间的关 系，并结合仿真和实验予以验证。在此基础上又引入电压前馈环节，以改进电流的跟 踪性能。 4 控制电路改进研究 在对现有控制策略研究分析的基础上，利用一些专用集成芯片，对控制电路达到 某种程度上的改造，使电路结构大大简化，控制简单译】。 5 三相软开关p w m 整流器研究 图0 - 1 6a 为软开关三相p w m 变流器的电路结构。图中左边为a c d c 变流 器，右边为z v s 电路，交流器的各开关元件上都并联有缓冲电容c 。由于变流器的 载波频率远高于电网频率，因此可以认为在一个载波周期内变流器的输入电流是恒定 的，从而用恒电流源i 。来表示输入电流，所以图0 1 6a 可以用等效电路图0 - 1 6b 来 表示。图中t 。、d 。、c r 分别表示变流器的功率开关、续流二极管和缓冲电容。变流 器在c r 的电压v 。为零期间，三相桥的功率开关进行动作切换。该动作原理见【4 】。 剁i i 一一，j c l ， 。_ 一甲 j i ，2 j = _ _ _ 拥 乜 【j 弱 源 一器器哥 啪 _ 1 图0 1 6a 软开关三相p w m 变流器的电路结构 图o 1 6b 软开关三相p w m 变流器的等效电路 软开关三相p w m 交流器是硬开关三相p w m 交流器的发展，可以提高系统的可 靠性和效率，降低电磁干扰。 以上三相p f c 技术研究均针对直接电流控制方法进行，最近也有少数对间接电 流控制方法的三相p f c 进行研究【1 2 】【1 4 1 ，这种方案主要的特点是控制电路简单。 总之，三相用技术是近几年内刚兴起的一个电力电子领域的研究热点。国内 目前的研究特点是集中于控制方法的实验研究，分析各参数与系统性能之间的关系， 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 并找出改善电流跟踪性能，提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要手段，对于 系统建模研究较少。文献【1 1 指出：三相高功率因数整流的研究正处于发展中，今后的 方向是新的拓扑结构研究和新的控制策略研究。 o 3 本课题研究的目的和意义 本课题研究三相高功率因数可逆整流电路，主要目的是为了提高中大功率电能变 换装置的功率因数和实现功率的双向流动。 传统的中大功率电能变换装置为了减小对电网的污染，常采用多脉冲整流装置， 而多脉冲整流装置体积重量大，只能有限提高功率因数。采用全控器件构成的三相 p w m 整流器，输出电压调节响应快，输入功率因数可以接近l ，近年来得到迅速的 发展。国际上目前已出现了采用三相p w m 整流技术的大功率u p s 和变频器。该领域 目前的研究方向主要是完善其理论体系，进一步提高性能，如提高在三相电网不对称 情况下电路的工作性能。国内在三相p w m 技术研究方面也做了不少工作，如西安交 通大学，华中理工大学等单位均研制了实验样机。但总体发展与国外先进水平差距较 大。本课题旨在对该领域进行跟踪研究。为将该技术应用于大功率池叉飞机，地面 电源和起动发电双功能系统储备技术，具有一定的理论意义和重要的工程应用价 值。 1 5 三相高功率园数可逆整流器研究 第一章三相高功率可逆整流电路分析 由绪论中的介绍，我们知道功率因数校正技术的发展由最初的无功补偿，到后来 的谐波补偿，最后到功率因数校正，手段也由无源技术发展到有源技术，方式由开始 的被动补偿到后来的主动改造，p b q c 技术的研究和应用日益成熟。考虑到适应三相 电网的要求，而且三相整流电路中的谐波污染的危害性更大，三相p 同0 的研究日益 引起人们的重视。在绪论中介绍的各种三相p f c 电路中，电压型三相桥式p w m 整 流器具有输入电流连续，谐波和e m i 小，近似单位功率因数，并且可实现功率的双 向流动，动态响应快，是一种性能良好的功率因数校正电路。本章分析三相高功率因 数整流电路的工作原理。 1 1 三相可逆整流概念 传统的电力电子装置的前级通常是由整流二极管组成桥式整流，将交流电整成直 流，再由电容滤波供给后级电路，三相与单相情况类似。为简单起见，以单相为例， 对可逆整流概念加以说明。图1 1 所示，为单相全桥不控整流电路。由于整流管的单 向导电性，电流只能从交流侧流向直流侧，故只能实现功率从交流侧向直流侧传输， 而无法实现功率的反向流动。由于直流侧电容的存在，交流侧输入电流不连续，发生 严重畸变，因而功率因数很低，对于传统的相控整流电路也与此情况一样。 寸j f ： j = i - 夸j 夸j 图1 1单相全桥不控整流电路图1 - 2 单相全桥可逆整流电路 图l - 2 所示，为单相全桥可逆整流电路原理图，此电路来源于s p w m 逆变电路， 对比不控整流电路知，在每个整流二极管上并联一个全控器件就变成了可逆整流电 路。可见由于每个桥臂都可通过控制其全控器件的通断而实现桥臂上电流的双向流 动，从而使得功率不仅可以从交流侧流向直流侧，也可以从直流侧反向流回到交流电 源，从而实现了功率的双向流动，并使输入电流连续。可见，只有实现桥臂电流可逆， 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 或者说，功率的双向流动，功率因数校正才能成为可能。三相的情况相类似，只是将 单相全桥改为三相全桥而已。 1 2 高功率因数的实现方法 将功率因数的表达式，重写如下： ， p f = 号c o s 庐l = a c o s # 1 i 可知，功率因数包含两个要素，一是输入电流的畸变率_ ，可称为基波因数；一 是输入电流基波相移角面，可称第二项e o s , 为相移因数。要想提高功率因数，不仅 需要提高相移因数c o s # ，即减小基波相移角氟，还需要提高基波因数2 ，即减小输 入电流中的谐波电流含量。当输入电流中不含谐波，且与输入电压同相时，有_ = 1 ， c o s # = l 。则输入功率因数为1 ，达到单位功率因数。这就是功率因数校正要达到的目 的。因此，p f c 的基本原理就是通过对电流的适当控制，使之不含谐波，并与电源 电压同相。 1 3 三相电压型高功率因数p w m 整流电路工作原理 l _ 3 1 电路系统结构 三相高功率因数p w m 整流电路的结构框图如图1 3 示。整流电路由主电路、控 制电路和驱动电路三大块构成。主电路完成电能的a c d c 变换，是整流电路的核心 部分；控制电路对主电路进行适当的控制，以实现直流输出电压的稳定和输入电流的 正弦化，并达到单位输入功率因数，是整流器满足规定性能指标的关键部分；驱动电 e a e b 如 图1 3 三相p w m 整流电路结构框图图l _ 4 三相p w m 整流电路主电路拓扑 1 7 三相高功率因数可逆整流器研究 路实现主电路和控制电路之间的信号连接，并满足主电路和控制电路之间所需要的电 气隔离，以使整个系统稳定可靠地工作。 作为整流电路功率变换部分的主电路由三相可逆整流桥构成，可实现功率的双向 流动，为三相输入高功率因数的实现提供条件。 控制电路由参考电流发生电路、输入电流检测电路、输出电压检测电路和p w m 波发生电路四个部分组成。从系统结构框图可见，为了实现输出电压稳定和输入高功 率因数，引入了两个反馈量输出电压和输入电流，实行电压电流双闭环控制，双 闭环控制使得系统工作稳定，响应速度快。 1 3 2 功率电路 一功率电路结构 三相p w m 整流电路有电压型和电流型两种，两者的结构型式为对偶关系，工作 原理相似。电压型电路可达到输入电流连续，e m i 小，谐波小，功率因数高、损耗小、 效率高等优点，实际应用中通常为电压型结构。这里主电路结构采用电压型可逆整流 桥，原理拓扑如图1 4 示。6 个桥臂均为全控器件反并功率二极管结构，在直流输出 端并联一电解电容使输出电压平直。交流侧通过三个输入电感接于三相电源，输入电 感既起提高输出电压的作用，同时也作为输入滤波器用，以滤除开关频率附近的高次 谐波电流。 二功率电路工作原理 三相p w m 整流电路的工作原理与绪论中介绍的单相p w m 整流电路相类似，但 又有三相的特点，因此它的原理分析可利用单相的方法。三相p w m 整流电路与三相 s p w m 逆变电路结构和控制方式一样，因而逆变器的工作原理对三相p w m 整流电路 有指导意义。由逆变器原理知，对三相桥施以s p w m 控制，会在交流端产生一个正 弦p w m 波，其基波频率与调制波相同且同相。可见在三相桥的交流输入端到电源中 点可看作一个基波幅值和相位可调节的交流电源。以a 相为例可作等效电路如图l - 5 a 示。相应电流电压基波向量图如图1 5b 示。其中如为等效回路电阻。 口 图1 5a a 相基波等效电路b 口相基波向量图 l b 南京航空航天大学硕士学位论文 可见当调节u a 的基波相位和幅值，使u a 基波滞后电源电压f 角时，输入电流与 电源电压同相，并经过对控制电路和相关参数的适当设计可使输入电流谐波很小， t h d 很小，可实现e o s $ = l ，接近1 ，从而输入功率因数p f = - u c o s # * 1 ，近似单位功 率因数整流。 三功率电路建模分析 由主电路拓扑可作其等效电路模型如图1 - 6 示，其中，三为输入电感值，毗为电 感电阻，蜀& 为桥臂等效理想开关，皿为开关等效电阻。 d p 葑 j 雠s e $ 4 # 图1 - 6功率电路模型 对十一相电路，足义升关函数如f ： 咒= ：韦喜嚣碧：i 喜蓑盎 当s 。= 1 时，电路回路方程为： 哮砌一+ b j 口e a - - 叫。 当s 。= 0 时，电路回路方程为： 哮+ 与枷驴巳飞 将式( 1 1 ) 、式( i - 2 ) 合写可得相回路方稃： ( 卜2 ) 1 9 三相高功率因数可逆整流器研究 l 等删。一s d 飞， 其中，r = r 。+ r 。为回路等效电阻。 同样地可写出b 、c 两相回路方程： 三粤+ r i b ：一s b u a - $ l n o a t l + r p e c - s c u d 叫w o 又三相电压电流对称，由式( 1 3 ) ( 1 - 5 ) 可得： 。；一- 牛( s o + s b + s d 另外，经同样地分析还可以写出电流方程： c 警观埚驴鲁 由式( 1 - 3 ) ( 1 - 7 ) 构成三相p w m 整流电路模型，写成矩阵式为： z 窖= a x + b e 其中，x ：o，) 7 0i b e = ( e oe 6e 。0 ) 7 a = 一ro o 一( s a - - ；( s 。+ s 。+ s 。) ) 0 一丑。一( s e 一昙( 咒+ 以+ s 。) ) oo 一胄一( 咒一三( s 。+ s 。+ 只” s 4 s n s c 一瓦1 ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 丑= 姗( t t 百1 z = a l a g ( l l lc 1 ( 1 9 由上式可知，三相输入电流和直流输出电压均与三相开关函数s k l l 关。其中，每 相输入电流除了与本相桥臂的开关函数有关，还与其他两相桥臂的开关函数有关，是 一个三相互相耦合的电路系统。当电路工作于定频条件下时，可实现三相电流的解耦 南京航空航天大学硕士学位论文 控制。下面通过对各种开关函数的推导加以证明。 h 图1 7 载波交截原理 求出该周期内的占空比为： 以= 等= 当2 a s 畦( 1 - 1 0 ) 假设整流器工作理想，即其交流输入端电压实际值与调制波相一致，有： 嘭= 也饥) 一卜+ 哮) ( 1 - 1 1 ) 当开关频率足够高时，认为f m 恒定，d 0 = e j 其中，e 为电流给定信号， 为实际值，于是： 巧= 一( r + 毒以一。) = 一( r + 毒一一毒艺 c t m ， 将式( 1 - 1 2 ) 代入式( 1 - 1 0 ) 有： 以= 一斟。一 哇 一纠+ 圭 m 当开关频率足够高时，认为开关函数的s 。可由占空比“代替，于是： 驴一去”( n 扛一扣+ 三 m 4 ) 其中，肝、b 、c ， j ：为三相输入给定电流，以为载波幅值。于是： 三相高功率因数可逆整流器研究 s n + s h + s c = i 3 系数矩阵a 可以简化为： a = 一丑oo 昙一s 。 o一丑。 三一只 oo r 昙一只 s n s b s c i 1 ( 0 1 5 ) 可见，各相输入电流只与该相的开关函数有关，即实现三相输入电流的解耦控制。 1 3 3 控制电路原理分析 前面已经指出，由逆变器原理，对p w m z 相桥施以s p w m 控制，会在交流输入 侧产生与之成比例的正弦p w m 波。由主电路工作原理分析可以画出一相等效电路如 图1 8 所示。 p 可列出电压方程： l , l 。= e 。一0 口+ r o i o ) n 图1 - 8p w m 整流相等效电路 ( 1 1 6 ) 其中，e a 、分别为相电源电压和电流，为整流桥交流输入端对三相电源中 点0 的电压，l 。为输入电感，r 。为一相等效回路电阻。 在一个开关周期内，对式( 1 - 1 6 ) 取平均值，得： 畦= r ) 一( 吮) + u 知r ) ) ( 1 1 7 ) 其中，下标爿r 表示平均值，上标k 表示第k 个开关周期。 南京航空航天大学硕士学位论文 当开关频率足够高时，“。的周期平均值可用该周期内某一点的瞬时值代替，且 电流呈线性变化，则式( 1 - 1 7 ) 为： ”：= e ：一手：j ( l 鲁+ r 。i o )