（电力电子与电力传动专业论文）三相高功率因数整流器研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er e q u i r e m e n to ft h ep o w e rs u p p l i e rw i t hh i g he f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n d e n v i r o n m e n t a l “g r e e n ”，t h ea 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 i q u eh a sb e c o m ea r e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s e s p e c i a l l yt h et h r e e p h a s eh i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e r a t t r a c t sm o r ea n dm o r ei n t e r e s t s t h ep a p e ri s o r g a n i z e da sf o l l o w s f i r s t ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h e t h r e e - p h a s eh i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e ri si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n to f t h e p o w e rf a c t o r , m a i nt o p o l o g i e sa n dc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h es u i t a b l e t o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yi ss e l e c t e df o r t h ei n v e s t i g a t i o n n e x t ，t h ep r i n c i p l eo f t h et h r e e p h a s es i xs w i t c h e sb o o s tp f cc o n v e r t e ri sa n a l y z e d ，a n di t sm a t h e m a t i c a l m o d e la n dd - qm o d e la r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r a l s ot h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo f t h ec o n t r o lc i r c u i ta l ep r e s e n t e d t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d ，a p r o t o t y p eo ft h et h r e e p h a s eh i 曲p o w e rf a c t o rr e c t i f i e rw i t h3 k wo u t p u tp o w e ri s b u i l ti nt h el a b o r a t o r ) t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ec o n s i s t e n tw i t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：t h et h r e e - p h a s eh i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e r ；, p o w e rf a c t o r r e v i s e ；t h et h r e e - p h a s es i xs w i t c h e sb o o s tp f ce o n v e r t e r ；, s a b e rs i m u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪 论 随羲经济持续深入发展，如何和谐发展，如何有效保护环境是人们莺点思考 的问题。咐以：电力系统这个环境中，血对日益严重的电网污染，如何改进 缸网质 量和保护自然l 经硅得越来越重要，而电力系统谐波是和电能质量密切栩关的概 念。 电力系统谐波的来源主要是电网中的电力电子设备，随着此类设备装置的广 泛应用，给公用电网造成严重污染，谐波和无功问题成为电器工程领域关注的焦 点问题。为了减轻电力污染的危害程度，许多国家纷纷制定了相应的标准，如国 际电工委员会的谐波标准i e e e 5 5 5 2 和i e c 一1 0 0 0 3 2 等，这些都有力地促进 了学术界和工程界对谐波抑制的研究。解决谐波污染的主要途径有两条：一是对 电网实施谐波补偿，二是对电力电子设备自身进行改进。前者包括对电力系统的 无源滤波和有源滤波( a p f ) ，后者包括对电力电子装黄的无源的和有源的功率 因数校正，相比而言，后者是积极的方法。 电力电子装置的有源功率因数校正( a p f c 或p f c ) 从上个世纪8 0 年代中 后期以来逐渐成为电力电子技术领域研究的热点。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 术发展同益重要的组成部分，并成为电力电子技术进一步发展的重要支撑。目| j ， 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 f c 技术的研究的不断深 入，三相p f c 日益引起人们的重视。单相p f c 技术的成熟对三相p f c 的研究有 很大的借鉴意义。 随着全世界范围谐波标准的强制执行，生产和制造低谐波污染的三相电力电 子装置将是必然的趋势。由于三相电路的复杂性和强耦合性，对三相高功率因数 整流器的研究还远未成熟，特别在控制策略方面，还有许多的工作值得去做，这 浙江大学硕士学位论文 正是本文选题的依据所在。 本章首先介绍了本文的研究背景，功率因数校正技术发展概述，然后从拓扑 结构和控制策略两个方面回顾了三相高功率因数整流器的研究现状和发展趋势， 最后，对本文的主要内容作了概括的介绍。 1 1 本文的研究背景 谐波和无功功率是关系电网质量的两个重要指标，两者的存在对电网或相关 设备产生严重的影响或危害。因此对谐波抑制和无功功率补偿的研究具有十分重 要的意义。 1 1 1 谐波的危害及补偿技术m 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。2 0 世纪7 0 年代以来，电力电子技 术匕速发展，电力电子装置h 益普及，大量电力电子装置投入电嗍，在满足小列 的用电要求的同时，也向电网注入了大量的谐波，谐波危害同益严重由于谐波 引起的各种故障和事故不断发牛，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： 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 谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸 变，影响电气设备的正常工作，如使电机、变压器发生机械震动、噪声和过压、 局部过热，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化，寿命缩短，以致损坏。 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 引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，加重了谐波的 危害，甚至引起严重事故。 j 导致继电器保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确，影响 计量精度。 浙江大学硕士学位论文 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。 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。 1 。1 。2 无功功率的危害及无功补偿 一、无功功率的影响 无功功率分为基波无功功率和谐波无功功率。在工业和生活用电负载中，阻 感负载占很大的比例，如异步电机，荧光灯，工业电弧炉，变压器等。阻感负载 必须吸收无功功率才能正常工作，这类无功功率称为基波无功功率。电力电子设 备等非线性装置也要消耗无功功率，这些装黄会产生大量的谐波电流，谐波源也 要消耗无功功率，称为谐波无功功率。大量的无功功率流入电网，会带来诸多不 利影响，丰耍表现存以下几个方而： 1 增加设备容量。 无功功率的增大，使总电流增大，以及视在功率的增大，从而使设备容量、 导线规格、相应的控制设备、测量仪表、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。 二、无功功率补偿 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： 浙江大学硕士学位论文 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。降低电网 线路损耗，节约电能，稳定电网电压，提高供电质量。 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。 1 1 3 功率因数与谐波的关系以及谐波标准 传统的功率因数定义是在假设电压和电流都为标准正弦波情况下得到的，但 是随着电力电子设备装置的广泛应用，传统的定义已经不能满足实际的需要。 1 电雎和电流总谐波畸变率( t h d ) 电压和电流总谐波畸变率的定义是一致的，它以电压( 电流) 的总谐波的有 效值除以基波有效值，电压和电流的t h d 表示如下： t h d ( u f t h d i j ) = 式中：u l ( i j ) 和u 。( i 。) 分别为电压( 电流) 基波和n 次谐波的有效值。 2 功率因数的定义 在公共电网中，电网电压的波形畸变很小，通常假设电网电压为标准的正弦 波，此时功率因数的定义为： ， p f _ 粤c o s g = d f c o s 瞑( i 一2 ) 式中，q 是电压基波与电流基波的夹角，c o s 舅称为位移因数，d f 为电流畸变因 数： d f - 量： ， ( 1 3 ) 可见，功率因数是由畸变因数和位移因数共同决定的。 3 功率因数p f 和t h d 的关系 综合式( 1 一1 ) 、( 1 - - 2 ) 、和( 1 3 ) 可得p f 与t h d 、c o s o , 的关系： 4 匿u 厣一 浙江大学硕士学位论文 p f = 1 二亨c o s 8 i ( 1 4 ) l + ( t h d ) 2 4 谐波标准 制定谐波标准是治理谐波标准污染的重要措施之一，一些国家和国际学术机 构相继制定了相关标准。其中，有的标准是针对公共电网接点电压的谐波，有的 是针对用电设备的电流谐波，有的是针对用户系统的电流谐波。 关于限制用户对电网污染的中国标准是g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 “电能质量公用电网 谐波”，它规定了电网标称电压为o 3 8 6 1 0 3 5 6 6 1 1 0 k v 公用电网中的电压总畸 变率和公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量。限制用电设备对电网 污染的德国标准是v d e 0 8 7 1 ，欧洲标准是e n 0 6 5 5 5 2 。国际上广泛被接受的原 欧洲标准i e c 5 5 5 2 ，1 9 9 5 年改为i e c l 0 0 0 3 2 标准( 如表1 1 所示) ，它适用于 每相输入电流小于1 6 a 的用电设备，对于每相输入电流在1 6 a - 7 5 a 之间的用电 设备，适用标准为 e c 】0 0 0 - 3 - 4 。 表l 一1 1 e c l 0 0 0 3 2 标准( 对相电流小于1 6 a 的用电设备) 谐波次数 35791 11 3 3 9246弘4 0 ( n ) 奇次偶次 允许最大 2 3 01 1 4o 7 70 4 0o 3 32 2 5 n1 0 80 4 3o 3 01 8 4 n 谐波电流 ( a ) 1 2 功率因数校正技术发展概述 防止电网的谐波污染有两种方法：一是采用无源滤波或有源滤波电路来旁路 或补偿谐波，是被动的、治表的方法：另一种方法是改造电子设备本身，使其不 产生谐波和无功，是主动的、治本的方法，这就是功率因数校正( p f c ) 。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i f 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。 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 浙江大学硕士学位论文 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网，迅速取代发电机和 变压器，成为电网中主要的谐波源。只本电气学会于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 0 6 ，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黄占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k 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。 + l 功率变 一1 i 爪 一 v 一 图l - - l a 电力电予装簧结构图b 输入电压电流波形 考虑到电力电子装置中，i i 级通常是由二级管整流加电容滤波构成，后接各 种功率变换电路，如图1 1a 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，导通时日j 短，使输入电流呈脉冲状，如图1 1b 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 o , 仍为l ，但由于电流畸变因数值d f 值过低，而使输入功率因数很低，通 6 浙江大学硕士学位论文 常只有0 6 5 左右。 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i - e _ ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p f c ) 口- j 分为有源功率因数校i e ( a e 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( a p f c ) 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1 2 所示，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a p f c 的基本原理。 图l 一2b o o s t 有源功率因数校正电路 a p f c 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 l 和e m i ，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。 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 ，m o s f e t ， i g b t 等全控器件的不断进步，p w m 技术己十分成熟。目前s p w m 技术己在变流 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i f 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。 浙江大学硕士学位论文 m 图l 一3ap w m 整流器主电路拓扑bp 删整流器等效b o o s t 电路 以单相为例，p w m 整流器的电路拓扑示于图1 3a 。按正弦信号与载波交截 对4 桥臂旌以p w m 控制，就在a b 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j 下弦，且与电源电压同相，实现功率因数为l 。 对于图1 3 整流电路也可从a p f c 的角度去解释其工作原理，当u i o 时，s 2 ， d 4 ，d l l s 和s 3 d l ，d 4 ，l s ，分别组成两个b o o s t 电路，包含s 2 的这组b o o s t 电路如图。 图l - 3 b 所示，当s 2 导通时，经s 2 、d 4 向l s 充电；当s 2 截止时，e 。和l ；经d l ， d 4 向电容和负载供电，当u ， o 类似。通过控制s ，、s 。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 m 整流器。 1 3 三相高功率因数整流器拓扑结构的研究现状【刁嘲嗍网嘲 单相p f c 装置适用于低功率场合，并且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，而二相功率因数校正的研究则相对较晚 较少。而在电网中比例最大的是三相整流设备，因而对三相p f c 的研究有着非 常重要的意义。单相p f c 技术的成熟对三相p f c 的研究有很大的借鉴意义。 三相p f c 的拓扑结构有b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、f l y b a c k 、s e p i c 和c u k 等，其中b o o s t 、b u c k b o o s t 电路因具有升压功能，可以保证输入电压在很宽的 范围变化时输入电流的连续，故这两种拓扑特别适合p f c 电路。从使用有源功 率管的数量来看，三相p f c 可分为两类，一类是单丌关结构，一类是多开关结 构。 8 浙江大学硕士学位论文 1 3 1三相单开关p f c 拓扑结构 一、三相单开关b o o s t 型p f c 电路 图1 4 为三相单开关b o o s t 型p f c 电路，为了实现三相之间的解藕，三个 电感放在交流侧，并工作于电流断续模式( d c m ) ，其特点是电流控制简单，各 相输入电流峰值与各相输入电压成正比，电流自动跟踪输入电压，实现功率因数 校正。该电路的缺点是输入、输出电流纹波较大，对滤波电流要求较高，输出电 压过高，这给功率管的选取带来了一定的困难，该电路一般应用于输出功率小于 1 0 k w 以及对电流t h d 要求不严格的场合。 i l - 。一 n 一 r 、i 个个个 图1 4 三相单开关b o o s t 型p 盹 图1 5 三相单开关b u c k 型p f c 二、三相单开关b u c k 犁p f c 电路 图1 5 为三相单开关b u c k 型p f c 电路，要求恒流输出，输出电压较低，工 作于d c m 。图1 5 的工作原理为：使输入滤波电容电压足够小，电容电压呈高 频脉冲，电容电压峰值正比于输入电网电流，则电感中的输入平均电流近似正比 于电容平均电压，整流器相当于一个阻性负载。 b o o s t 型与b u c k 型三相单开关p f c 是刘偶的两种拓扑结构，它们有共同的 特点，所以b u c k 型结构优点与b o o s t 型结构类似。缺点是电容电压峰值较大， 开关器件的工作条件较差，输入电流的t h d 受负载影响，对性能指标要求较高 的场合无法使用。 三、三相单开关d c m 整流器 9 浙江大学硕士学位论文 如图1 6 所示，特点：输入电流平均值强烈依赖于升压比m ，只有当m 较大 时，输入电流才接近正弦，即电流畸变率t h d 较小，功率因数接近干l 。其优点： 电路结构简单，控制可采用恒频恒宽方式，成本较低。缺点：输入电流工作在d c m 方式下，开关电流应力大，e m i 大：为得到较高的功率因数，抑制输入电流的畸 变，需增大m ，m 过高，使得输出电压太高，又增加r 开关器件的电压应力，增 加了整机的成本，降低了整机工作可靠性。 r r n 刊 罩i lij 划蹦引榫 p 门i f辄i uel ； 图1 6 三相单开关d 删整流器 图l 一7 三相六开关b u c k 型p f c 1 3 2 - - 相多开关p f g 拓扑结构 一、三相六开关b u c k 型p f c 电路 图1 7 所示为三相b u c k 型p f c 电路，该拓扑的优点是可以低压输出，且 适合空间矢量调制( s v m ) 技术，缺点是输入电流不连续，需加输入滤波器， 而输入滤波器的加入会引起输入电流的相移，且相移随负载的变化而变化，文献 提出通过输出电流前馈方式使相移因子不随负载而变化，补偿效果良好。 二、三相六丌关b o o s t 型p f c 电路 三相六开关b o o s t 型p f c 电路如图1 8 所示，工作于连续电流模式( c c m ) ， 表面上看有六个主动开关，但这些开关只需是单向的，可直接用现成商品化的三 相逆变模块，主电路的形式最简，复杂之处在于驱动电路和控制技术。该电路的 优点是：输入电流连续可控，电流控制精度高，滤波容易，是目i j 性能好，又不 太复杂的拓扑，特别适合于大功率场合。三相六开关b o o s t 型p f c 拓扑是最有 发展前景的三相p f c 拓扑。 浙江大学硕士学位论文 图1 8 三相六开关b o o s t 型p f c图1 9 三相四开关型p f c 三、三相四开关型p f c 电路 图l 一9 为三相四开关型p f c 电路，该结构主要的应用领域为逆变器，其单 独作为整流器应用很少有文献报道，但是该拓扑可以简化整流器结构，降低整流 器成本，因而有一定的应用前景。其缺点是输出直流电压是六开关结构的两倍， i 薯 h 、i b0 k 图1 1 0三相b u c k 整流器 图1 一1 1 - - - - 相维也纳型整流器 这是限制它在整流器应用上的主要原因之一。另外，该结构的输出电容将承受不 平衡的输出功率，导致电容电压的低频脉动。 四、三相b u c k 整流器 三相b u c k 整流器如图l 一1 0 所示，优点：1 低开关损耗，特别在低电压情 况下：2 输入电流能用开环控制，并且电压环能有更宽的带宽。其不足：1 相 对b o o s t 整流器有更多的导通损耗，因为系统有更多的半导体器件，并且输入电 流断续；2 需要很多有源器件，因此它的结构和控制复杂程度大大增加。 五、三相维也纳型整流器 一 _ 0 卯曲 一 一 一 一 瓤 浙江大学硕士学位论文 三相维也纳型整流器如图1 1 1 所示，优点：1 有源器件的减少使用使系 统的结构和控制复杂程度大大降低：2 开关承受的电压应力较低。不足：1 存 在电容电压中点平衡问题；2 控制策略相对比较复杂。 1 4 三相高功率因数整流器的控制策略及其实现方式圈嘲 功率因数校正的基本原理是让整流器的输入电流跟踪输入正弦电压。实现这 一目标，可用无源电路( 不用可控的主动开关) ，也可用有源电路( 用可控的主动 开关) 。有一种无源方式为：“将单相桥式整流固有的二次谐波电流正、反相交替 注入交流输入端，来抵消电流中所含的大部分谐波分量”，称为二次谐波注入抵 消原理。无源方式最简单，但电流谐波仍较大，且要求电抗性负载。大量电路采 用有源方式，用可控的主动开关使输入电流成为正弦状。 按输入电流是否连续，控制策略可分为电流断续模式( d c m ) 和电流连续模式 ( c c m ) 。对于三相单开关p f c 电路，为了消除三相输入电流耦合，一般采用d c m 方式，而对于三相多开关p w m 整流器，一般采用c c m 模式。 1 4 1d c m 控制模式 d c m 拧制方式又称电压跟踪方法，它是一种简单实用的拧制方式，适用于 单相或三相单开关电路。它的特点：( 1 ) 输入电流自动跟踪输入电压，保持较小 的电流畸变率；( 2 ) 功率开关管能实现零电流开通( z c s ) 且不承受二极管的反向 恢复电流；( 3 ) 输入输出电流纹波大，对滤波电路要求较高；( 4 ) 峰值电流高于 平均电流，器件承受应力大。( 5 ) 一般应用于功率小于1 0 k w 的场合。 1 4 2 c c m 控制模式 c c m 控制方式的特点为：输入电流纹波和输出电流纹波小，t h d 和e m i 小，滤波容易，开关器件导通损耗小，适用于中大功率应用场合。在c c m 模式 下按是否检测输入电流又可划分为间接电流控制和直接电流控制两类控制方式。 一、间接电流控制 h j 接电流控制就是按照图1 一1 2 所示原理和向量关系，控制三相p w m 整流 浙江大学硕士学位论文 桥的交流输入端电压，以达到对输入电流的控制。这种控制方法没有引入交流电 流反馈信号，而是通过对整流桥的交流输入端电压u a 的控制间接控制输入电流， 故称间接电流控制。又因为其直接控制量为u a ，所以又称为相位和幅值控制， 原理框图如图l 一1 3 所示。 间接电流控制引入了一个电压环，由电压环得到一个与整流电路输出功率相 匹配的输入电流幅值给定。再经过两个乘法器换成输入电流的有功分量i p 和无 功分量i q ，分别经r 和w l 环节后转换成电压信号再与电源电压相减后，便得到 给定的电压调制j 下弦信号最后与三角波交载后，产生p w m 信号，控制主电路工 作。 从间接电流控制的工作原理可见，采用间接电流控制方式，控制电路简单， 但由于没有引入电流环，使得输入电流的响应缓慢。另外，在给定信号的运算过 程中用到电路参数r 、l ，由于运算值与实际值有误差，会影响控制效果。 k l l si r 门” 0 j “ 巧 国6 酬 图1 一1 2蜘接电流控制原理图图l 1 3 b j 接电流控制原理框图 二、直接电流控制 与间接电流控制相反，在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电 流进行直接控制，称为直接宅流控制。直流控制具有优良的动态和稳念性能，且 自身具有限流保护能力。直接电流控制中有不同的电流跟踪方法，可分为以下几 种控制方式： 1 滞环电流比较控制 图1 1 4 所示是滞环电流比较法控制的控制电路框图。以a 相为例，基本工 作原理是电压调节器输出与和电源电压同相的正弦信号相乘得到a 相参考电流 信号i a * ，l a * 再与检测过来的a 槽电流l a 比较，经过滞环对各开关器件进行控制， 从而使实际电流跟踪上指令电流l a * ，跟踪误差由滞环环宽决定，且误差是固定 尘 浙江大学硕士学位论文 的。滞环控制中没有外加的调制信号，电流反馈控制与调制信号集于一体，可以 获得很宽的电流频带宽度。其特点是硬件实现容易、电流动态晌应速度快，电流 跟踪误差小。缺点是开关频率不固定，滤波器设计困难，且开关频率随负载变化 而变化。 圈l 一1 4 滞环电流比较控制 图1 一1 5 三角波电流比较控制 2 三角波电流比较控制 图i 1 5 为三角波电流比较法控制原理结构图。同样包括电流环和电压环， 电流指令由电压环p 1 输出和个与电源电压同相的正弦信号相乘得到。指令电 流与反馈电流比较经电流调节器后与一三角波交截产生功率桥的控制信号，控制 桥臂的开关，使电流跟踪上指令信号。 三角波电流比较法控制具有开关频率固定的优点，另外，由于上下桥臂的开 关函数互补，对于系统建模提供了极大的方便，从而使系统性能分析包括输入电 流谐波分析，输出电压谐波分析，输入误差电流分析等也很方便，而且这与逆变 器中的s p w m 控制极为相似，亦可借用逆变器中的理论对系统进行分析和评估， 其电路结构也比定时瞬时电流比较结构简单，故迅速成为三相p f c 技术的主要 控制方法。 3 定时瞬时值比较控制 定时瞬时值比较控制方法的原理如图l 一1 6 所示。与滞环电流比较法一样也 包括电流电压双闭环，指令电流的生成方法也相同，不同的是由时钟信号定时将 检测过来的电流与指令电流做比较，产生上下功率桥臂的驱动信号控制功率管的 开关，使输入电流呈锯齿状跟踪上指令信号。 定时瞬时值比较控制克服了滞环电流比较控制开关频率变化的缺点，使开关 1 4 浙江大学硕士学位论文 - 同 i _ - j a 相同步 图l 1 6 定时瞬时值比较控制 频率固定，但其电流跟踪误差受电网电压的影响，且控制电路比滞环控制复杂。 4 峰值电流控制 峰值电流控制和d c - d c 变换器中的峰值电流控制原理相同，只是电流环的 给定信号不再足直流而是按正弦规律变化。该控制方法的缺点是：峰值电流控制 下电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足t h d 很小的要求，电流峰值对噪 声敏感，占空比大于o 5 时系统产生谐波振荡，需要在比较器输入端加斜坡补偿。 5 平均电流控制 平均电流控制，又称三角载波控制，在峰值电流控制的基础上，在乘法器输 出与比较器之问增加了p l 电流控制器，控制器控制输入电流平均值，使其与电 流程控信号波形相同。由于电流环有较高的带宽，跟踪误差小，瞬态特性较好。 平均电流控制的特点是：t h d 和e m i 小，对噪声不敏感，开关频率固定，适用 于大功率应用场合，是目前p f c 中应用最多的一种控制方式，本文所设计电路 就是采用这种控制方式。 6 其他控制策略 除了以上几种控制策略外，还有一些其他控制策略，比如将智能控制运用于 p f c ，将现代控制理论应用于p f c ，另外如模糊控制、神经网络控制等也有探索 性应用：这些控制方式还处在研究探索阶段，相对还没有成熟，在这里就不再详 细介绍了。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 5 发展趋势展望 综上所述，对于三相高功率因数整流器拓扑发展来看，对于1 0 k w 以下的 小功率场合，三相单开关及其软化后的拓扑具有较强的竞争力。三相单开关电路 控制简单、成本低廉，在对性能指标要求不是很高的小功率场合是很有发展前景 的。但是三相单开关p f c 电路的输入电流中含有低次谐波，尽管采用谐波注入 方法可以适当降低t h d ，但整机的性能指标( 如t h d 、器件应力、e m i 等) 不 如三相六开关结构电路。对于 0 k w 2 0 k w 的中功率应用场合，选用三相六开 关b o o m 型电压型拓扑，采用适当的控制策略，系统可以获得优良的性能指标。 该电路拓扑具有能量双向流动的特性，对需要能量回馈的场合这是很有意义的。 对于大功率和特大功率装置应用场合，采用电流型p w m 整流、三电平整流器、 组合相移技术以及组合相移技术和p w m 技术的结合是今后发展的趋势。 而从控制策略来看，三相高功率因数整流器控制策略的主流是c c m 控制模 式下的直接电流控制方法。如何提高控制系统的稳定性和可靠性、简化控制方法、 降低控制成本、改善动态响应速度、减少开关损耗等是三相高功率因数整流器控 制策略发展的目标。如何将传统的电流控制策略加以改进、综合其优点，结合空 | b j 矢量调制技术，走数字化控制策略是三相高功率因数整流器控制策略发展的方 向之一。 1 6 论文的主要工作 本文主要是研究三相六开关b o o s t 型p f c 电路，分析了其工作原理和控制 系统原理。在原理分折的基础上，设计了一个功率为3 k w 的三相高功率因数整流 装罨。并进行了仿真和实验，取得相关电压电流波形，分析验证了原理分析结果。 6 浙江大学硕士学位论文第二章三相高功率因数整流嚣电路分析 第二章- - 1 1 | 高功率因数整流器电路分析 由绪论中的介绍，我们对功率因数校正技术的发展概况、意义有了一定的了 解。功率因数校正技术的发展，已经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。因此，三相高功率因数整流器研究 有着很现实的意义。在绪论中介绍的八种三相p f c 电路中，三相六开关b o o s t 型p f c 电路具有输入电流连续可控，电流控制精度高，滤波容易，近似单位功 率因数，是目前性能好，又不太复杂的拓扑，特别适合于大功率场合，是一种性 能良好的功率因数校证电路。本章分析三相高功率因数整流电路的工作原理、建 模及控制系统原理。 2 1 三相六开关b o o s t 型p f c 电路的工作原理 图2 1 三相六开关b o o s t 型p f c 电路原理图 图2 一l 所示就是三相六开关b o o s t 型p f c 电路原理图，图中点0 为电网中 点，o7 为输出端假想中点。假定三相电路完全对称，各相输入电感工作在非饱 和状态且电感相等，即 乙= 厶= t( 式2 1 ) 假定电网各相电压均为正弦波，即 o o 浙江大学硕士学位论文 第二章三相高功率因数整流器电路分析 ( 式2 2 ) 根据原理图分柝，我们可以看出，该电路工作在整流状态下( 即直流电流 l 0 ) 共有三种工作模式“1 ： 1 工作模式i ：如图2 2 ( a ) 所示，电路中所有处于通态的三个器件都是 二极管( 而所有可控器件均处于断态) ，故这种模式也称为3 d o t 模式。当电路 以此模式工作时，电网通过d 1 、d 5 、i ) 6 向负载输送能量，电路输出电流i d 可 表示为 ( a ) 3 d0 t 模式 l 0 lo ( b ) 2 d 1 t 模式 ( c ) i d 2 t 模式( d ) 2 t i d 模式 图2 - - 2 三相六开关b o o s t 型p f c 电路整流状态工作模式 k = i 。+ o = i 。+ f 。 1 d = 0 i l ：f 熹亳l ：ii 。 上式表明，当 厶时，其多余部分将对电容c 充电，使c 储存起足够的能 量；由图2 - - 2 ( a ) 可见，此时蚝。 0 ，乇 o ，鼯自 o ， = ，= - u 0 ，= 0 。 幼一，拓一， 耐 耐 硝 渤 蛳 蜥 脚 脚 ：鼍 厂，j1l 浙江大学硕士学位论文第二章三相商功率因数整流器电路分析 在这个工作模式中，通过s p w m 的控制，各相电压和电流应无相差，尽管 各相电流包含谐波，但如果载波频率f c 足够高，这些高次谐波可以减到很小， 因而，网侧功率因数将接近1 。 2 工作模式i j ：如图2 2 ( b ) 所示，电路中两个二极管( d 2 和d 3 ) 和 一个可控器件t 1 处于导通状态，因而也可称为2 d 1 t 模式。当电路以此模式工 作时，电网通过d 2 和d 3 向负载输送电能；但由于。 0 ) ，由d 2 和t l 使电源“暂时处于短路状态，并沿l b ，d 3 ，t 1 和l a 流过内部环流。由图可见，“= 0 ，= u o ，u c n = 一u o ，= t 。c o + i o 。 3 工作模式i i i ：如图2 2 ( c ) 所示，该模式中d 2 、t 4 、t 6 处于导通状 态，因而称为1 d 2 t 模式，在该模式中，各相经输入电感短路，整流桥与负载脱 落，= 0 ，负载电流由原先储存在c 中的能量释放出来维持，形成两个电流环 路：l a 、t 4 、d 2 、l 。构成一个环路，l b 、t 6 、d 2 、l 。构成一个环路，此时 = = = 0 ，肋 0 ，i o 0 ， 0 ，毫 0 ，u c o 0 ， o 。 4 工作馍式i v ：如图22 ( d ) 所示，该模式有t 1 、t 3 、d 5 处丁导通状 态，各相经输入电感短路，也属于2 t i d 模式，不过此时环流是通过电路中三个 上臂器件流过，= 0 ，= = = o 。 2 2 三相六开关b o o s t 型p f c 电路的建模分析m 1 2 2 1 三相六开关b o o s t 型p f c 电路的一般数学模型 建立数学模型是分析和设计三相pfc 电路的基础。下面所述的三相六开关 b o o s t 型p f c 电路的一般数学模型是根据该电路拓扑结构，在三相静止坐标系( a ， b ，c ) 中，利用电路基本定律( 基尔霍夫电压、电流定律) ，主要从状态空间平 均法和开关函数法的角度出发对该拓扑所建立的一般数学描述。 由主电路拓扑可作其等效电路模型如图2 3 所示，考虑电感内阻，l 为输 入电感值，r 1 表示电感内阻，s 卜s 6 表示桥臂等效理想开关，r s 为开关等效电 阻，其余假设仍同2 1 节。 1 9 浙江大学硕士学位论文 第二章三相商功率因数整流嚣电路分析 n 。l + ilu d - r 1上桥臂导通，下桥臂关断 s i ：i( i _ a ，b ，c ) ( 式2 4 )= ( 1 _ a ，b ，c ) t 瓦2 一) i l o上桥臂关断，下桥臂导通 由图2 - - 3 ，采用基尔霍夫电压定律得到a 相回路方程为： l + 踯d + 眠i e a u a n u 。 当s i 导通，s 2 关断时，s a = l ，u “= u 。；当s 2 导通，s 1 关断时，s a = 0 ， u o 2 0 ，由此，司改与( 式2 - - 5 ) 得剑 彳目f 乜跆凹跆刀槿： 喙枷= 一( u s o + u u o ) 其中，r = r i + r s ，为回路等效电阻。 同理，可得到b 相、c 相回路方程： 哮枷= 一( 以s 栅m ) l + r i c ：e c 一 最枷n ( 式2 6 ) ( 式2 7 ) 因为三相电流电压的对称性，由( 式2 6 ) 一( 式2 8 ) ，可得： ：一孥( 最+ s + ) ( 式2 9 ) ) 由图，直流侧电流可表示为 2 0 浙江大学硕士学位论文第二章三相高功率因数整流器电路分析 = i o s 。+ i b s b + i t s c ( 式2 1 0 ) 另外经同样的分析，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得到 电流回路方程： c 等啦胍沪鼍 由( 式2 - - 6 ) ( x d ：2 1 1 ) ，引入状态变量x ，x = i s 嵇，虬r ，三相 六开关b o o s t 型p f c 电路的一般数学模型写成矩阵式为： z x = a x + b e 式中 a = 一月o o 屯一吾( 毛+ + s a ) o一曰。 一( 一三( + 黾+ ) ) j o o r - - ( s o - ( 毛+ + ) ) ， 。： 百 l ( 式2 1 3 ) z = d i a g ( 1 ，l ，l ，c 1 ( 式2 - - 1 4 ) b = 纰( 书 c 式z 州， e = e a ，e b ，巳，0 1 1 ( 式2 - - 1 6 ) ，由上式可以看出，三相六开关b o o s t 型p f c 电路一般数学模型式为一个相互 耦合的电路系统。三相输入电流和直流侧输出电压均与开关函数s 相关。其中， 每相输入电流除了与本相开关函数相关，还与其他两相的开关函数有关。从而当 电路工作于定频条件时，可以实现三相电流的解耦控制。 采用开关函数描述的一般数学模型对三相六开关b o o s t 型p f c 电路的开关过 程进行了精确的描述，比较适合波形仿真。然而，该模型由于包括了其开关过程 的高频分量，因而很难用于指导控制器设计。为此，当电路开关频率远高于电网 基波频率时，可以忽略采用开关函数描述的一般数学模型中的高频分量，即只考 虑其中的低频分量，从而获得采用占空比描述的低频数学模型，这种模型非常适 浙江大学硕士学位论文 第二章三相高功率因数整流嚣电路分析 合控制系统分析，并可直接用于控制器的设计。 为消除采用开关函数描述的一般数学模型中的高频分量，在开关函数模型中 引入傅立叶变换，任一周期函数的傅立