电子论文-高功率因数可逆变流器中交流电感的参数设计.pdf

基金项目 天津市自然科学基金项目 0 6 Y F J M J C 0 1 8 0 0 定稿日期 2 0 0 6 0 5 2 6 作者简介 魏克新 1 9 5 4 男 天津人 教授 研究方向 为自动控制及电力电子变换等研究 1引言 传统的变流器大部分采用二极管整流加相控式 低频晶闸管变流电路 存在功率因数低 电流谐波含 量大等缺点 造成了电网的谐波污染 也使电能的生 产 传输和利用率降低 随着现代电力电子技术的 飞速发展 采用高功率因数 低谐波的高频开关模式 变流器已经逐渐代替了传统变流装置 三相高功率 因数可逆变流器主电路拓扑结构与传统变流器相比 具有体积和重量大大减小 动态响应速度显著提高 可实现能量双向流动 功率因数 P o w e rF a c t o r 简 称 P F 可控制为任意正或负值指令值等优点 1 2 系统的变换主要是能量的变换 电感作为储能 元件对整个系统的性能起到了至关重要的作用 本 文主要阐述电感在高功率因数可逆变流器中的作 用 从系统稳定性 电感与功率因数的关系以及负载 动态变化时电感的选择对系统的影响三方面进行了 分析 提出了电感的设计思想 最后给出的样机实验 结果验证了电感设计的正确性 2高功率因数可逆变流器交流侧电感 主要作用分析 图 1 示出高功率因数可逆变流器系统主电路拓 扑结构图 电感的储能作用是整个变流器升压的基 础 它保证了交 流侧电压 u p滞 后于市电 输入 电压 u s 使电路 处于整流状态 并使输入电流 的波形连续 u p 滞后于 u s时 即滞后角 为正值时 功率 P为正 表 示交流电源输出有功功率 变流器处于整流状态 反 之 当 u p超前 us时 为负值 P为负 表示交流电源 输入有功功率 变流器处于逆变状态 按照一定的次 序控制 6 个 I G B T开关管 即可改变 u p的大小和 高功率因数可逆变流器中交流电感的参数设计 魏克新 欧阳紫威 天津理工大学 天津3 0 0 1 9 1 摘要 高功率因数变流器可对输入电流进行实时控制 使系统具有高功率因数 低谐波含量 改变装置中的有功 和无功电流 因此可显著提高输电系统传输功率的能力 本文主要阐述该变流器的交流电感在系统中的核心作用 从系统稳定性 电感与功率因数的关系 以及负载动态变化时电感的选择对系统的影响 3 个方面进行了分析 并提 出了电感的设计思想 给出了分析结论 根据所设计的电感参数搭建了实验样机 利用 D S PT M S 3 2 0 F 2 8 1 2 对样机进 行控制 实验结果验证了电感设计的正确性 关键词 变流器 电感 功率因数 相位移因数 中图分类号 T M 4 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 1 0 0 X 2 0 0 7 0 1 0 0 1 7 0 3 P a r a me t r i c D e s i g no f A CI n d u c t o r i nH i g hP o w e r F a c t o r R e v e r s i b l e C o n v e r t e r WE I K e x i n O U Y A N GZ i w e i T i a n j i nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y T i a n j i n3 0 0 1 9 1 C h i n a A b s t r a c t A st h eh a r m o n i c sc r i t e r i o no f e l e c t r i c a l e q u i p m e n t b e i n gm o r es t r i c t e r h i g hp o w e rf a c t o rc o n v e r t e rh a s b e e nu s e dm o r e w i d e l y t h a nb e f o r e T h e i n p u t c u r r e n t o f t h e c o n v e r t e r i s c o n t r o l l e dr e a l t i m e l y w h i c hm a k e s t h e s y s t e mh a v e h i g hp o w e rf a c t o r l o wh a r m o n i cc o m p o n e n t sa n da l t e r sa c t i v ea n dr e a c t i v ec u r r e n to ft h ec o n v e r t e r A l lo ft h e s ew i l l i m p r o v e t h e p o w e r t r a n s m i s s i o nc a p a c i t y o f t h e s y s t e mo b v i o u s l y T h i s p a p e r m a i n l y e x p a t i a t e s t h e c e n t r a l e f f e c t o f i n d u c t o r i nh i g hp o w e r f a c t o r r e v e r s i b l e c o n v e r t e r A c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t h e s y s t e ms t a b i l i t y t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n d u c t o r a n dp o w e r f a c t o r a n dt h ee f f e c t o nt h es y s t e mu s i n gac e r t a i ni n d u c t o r i nt h ed y n a m i cp r o c e s s o f t h el o a d t h i s p a p e r p u t s f o r w a r dt h ei d e ao f t h ep a r a m e t r i cd e s i g no f i n d u c t o r U s i n gt h eP S I Ms o f t w a r et od ot h es i m u l a t i o n t h er e s u l t g e t s m a n y d i f f e r e n tw a v e f o r m sw i t hr e s p e c t i v et oi t sd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dc a r r i e so u tac o n c l u s i o n A tl a s t a c c o r d i n gt ot h e p a r a m e t e r o f i n d u c t o r g e t t i n gf r o mt h es i m u l a t i o n D S PT M S 3 2 0 F2 8 1 2i s u s e dt oc o n t r o l e x p e r i m e n t a l p r o t o t y p e a n dt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f t h i s s c h e m e K e y w o r d s c o n v e r t e r i n d u c t o r p o w e r f a c t o r p h a s e d i s p l a c e m e n t f a c t o r F o u n d a t i o nP r o j e c t S u p p o r t e db y N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o no f T i a n j i nC i t y N o 0 6 Y F J M J C 0 1 8 0 0 图 1 可逆变流器系统拓扑结构图 第4 1卷第1期 2 0 0 7年1月 电力电子技术 P o w e r E l e c t r o n i c s V o l 4 1 N o 1 J a n u a r y 2 0 0 7 1 7 第4 1卷第1期 2 0 0 7年1月 电力电子技术 P o w e r E l e c t r o n i c s V o l 4 1 N o 1 J a n u a r y 2 0 0 7 当 0 时即实现了相移因数 c o s 1 的变流器 通过对系统控制原理的分析 归纳出交流侧电 感的作用有 隔离电源电压与可逆变流器交流输 入端电压 限制了短路电流 抑制输入电流中的 高次谐波电流并使电流连续 从而实现变流器交流 侧电流正弦化 调整输入电流的相位 使可逆变 流器以单位功率因数或任意功率因数运行 承上 启下完成能量存储和传递 从电能到磁能再到电能 的转换以及控制能量的双向流动 使系统获得一 定的阻尼特性 从而有利于控制系统的稳定运行 平衡变流器电路中各点电压 抑制变压器漏抗在 换相过程中引起的电网波形畸变 3电感L的设计 电感 L 的设计受多种因数的制约 包括 u s 功 率因数 谐波含量 输出功率 P o等 它们之间的影 响都是相辅相成的 系统参数和指标为 u s 4 5 V 直 流给定 Ud c 1 3 0 V 开关频率 fs 2 0 k H z 输出功率 Po 8 4 5 0 W 功率因数 0 9 8 3 1 L对系统稳定性的影响 变流器在系统控制时存在不稳定区 因此在控 制中要保证控制量 与控制量相移因数角 之间 保持单调关系 否则系统会崩溃 3 当 1 时 4 是系统稳定的临界条件 当 0 4 时 系统处于 整流稳定状态 当 4 时 系统进入不稳定状态 由 t a n u L us L I us可知 uL us时 系统处于稳定 反之 系统不稳定 很明显 L的选择也会影响系统 的稳定性 当 L u s I 3 us 2 c o s P时 系统处于稳 定 代入参数计算得 L 2 2 9 m H 3 2 L与 的关系 功率因数 I 1c o s I c o s 不仅与输入电流波 形畸变因数 有关 而且也与 c o s 有关 3 2 1 L与c o s 的关系 在整流过程中 L的存在使输入电流滞后输入 电压 L的连续能量是从交流侧通过整流供给 而这 种可逆变流器也能通过逆变从直流侧向 L提供连 续的能量 因此完全可以通过控制使输入电流和输 入电压同相 达到 c o s 1 忽略变流器内部损耗 三 相可逆变流器输入有功功率 3 u sI c o s P 等于直流侧 输出功率 c o s P L 3 u suL 很明显 L 与 c o s 有关 3 2 2 L与 的关系 谐波电压将引起谐波电流并使 4 为 i L 1 n 1 i L n 2 1 1 n 1 U L n 2 n L 2 1 式中i L 1 i L n 2 流过 L 的基波电流和 n 次谐波电流 由上式可知 L的取值与谐波抑制能力成正比 较大的 L有助于提高畸变因数 但考虑到 L的体 积 重量和成本 L不能取得太大 故在实际系统设 计中 L要尽可能小 当实际电流跟踪参考电流时 若实际电流的超调量较大 系统控制将无法在一个 周期内使其跟踪参考电流 因此会导致电流波形发 生畸变 在一个开关周期内交流侧电流的最大超调 量要尽可能小 一般小于交流侧最大电流的 1 0 对系统建立数学模型 其电压方程为 2 L d i a d t u a 2 S a Sb Sc 3 Ud c 2 式中S a Sb Sc 开关函数 S a 1 表示 A相桥臂的上桥开通 下桥关断 Sa 0 表示 A相桥臂的上桥关断 下桥开通 考虑到实际电流波形与参考电流波形的对称 性 则在一个开关周期内最大超调量 i a m a x 2 Ud c 3 2 u s 2 L f s 根据这一条件有 ia m a x 2 Ud c 3 2 u s 2 L f s 0 1 2 P 32 us c o s 则 L 32 2 Ud c 3 2 u s usc o s 0 4 f sP 3 代入系统参数 得 L 0 4 2 m H L 的取值对 有直接影响 为了使 m i n有 5 L 3 Ud c 2 m i n1 u s 2 Ud c 2 1 m i n 2 2 P 4 代入系统参数 得 L 1 6 4 m H 3 3负载动态变化时电感的选择对系统的影响 当负载增大时 负载电流会突变 电容 C放电 输出电压逐渐减小 同时电流逐渐增大 电感压降 u L 也发生变化 此时不满足 1 的要求 当电流继续 增大 系统控制开始调节时 可满足 1 的要求 3 从稳定性方面分析 可求得 P 3 u s 2 L 因此当 L 确定时 负载的变化是有一定范围的 在满足高功 率因数的条件下 当 L 较大时 负载增大的范围亦会 变小 当 L 较小时 负载减小的范围亦会变小 经分析 由于要满足高功率因数 L必须满足 0 4 2 m H L 1 6 4 m H 因此选取中间状态 L 1 m H 时 负载变化范围为最大 此时 0 4 2 4 P P 1 6 4 P 4实验结果 为了验证电感参数选取的正确性 按设计了一 个 8 4 5 k W 实验样机 主电路参数为 u s 4 5 V L 1 m H C 4 7 0 0 F R 2 高功率因数可逆变流器的 主 要 性 能 指 标 0 9 8 Ud c 1 3 0 V 采 用 D S P T M S F 2 8 1 2 作为实验样机的主控制器 图 2 示出实 验样机在 L 1 m H R 2 时 即满载情况下交流侧电 1 8 上接第1 6页 C r 2 2 n F 对照图 3 可知 Lm 1 1 7 H 取 L r 3 1 9 H 电感磁芯采用 R M 1 2 4实验结果 图 4 示出 Ui n 3 0 0 V I o 1 0 A时的实验波形 电路 的主要参数与设计过程所取参数相同 图 4 实验波形 实验中 V S 1 V S4采用I R F P 2 2 N 5 0 V D1和 V D2 采用 S T T H 3 0 0 3 C W 取 C o 8 8 0 F 由图 4 a 可知 初 级开关管实现了 Z V S 由图 4 b 可知 次级二极管实 现了 Z C S 关断时基本没有寄生振荡现象 电路工作 频率范围较窄 为 1 3 8 1 9 0 k H z 由图 4 c 可知 C r的 电压应力最高为 3 8 0 V 图 5 示出实验样机效率曲 线 由图可见 在全输入范围内 整机效率都比较高 图 5 效率曲线图 5结论 在介绍 L L C谐振全桥 D C D C变流器工作原理 的基础上 提出了一种优化设计方法 该方法综合 考虑了电路的转换效率和频率工作范围 最后通过 实验对该设计方法进行了验证 参考文献 1 张军明 中功率 D C D C变流器模块标准化若干关键问题 的研究 D 浙江杭州 浙江大学 博士学位论文 2 0 0 4 2 汪军 陈辉明 基于 L L C谐振负载的高频感应加热电 源 J 电力电子技术 2 0 0 5 3 9 6 7 8 8 0 3 Y a n gB o F r e dCL e e A l p h aJ Z h a n g e t a l L L CR e s o n a n t C o n v e r t e rf o rF r o n t E n dD C D CC o n v e r s i o n A I nP r o c I E E EA P E C 0 2 C 2 0 0 2 1 1 0 8 1 1 1 2 4 L uB i n g L i uWe n d u o L i a n gY a n e t a l O p t i m a l D e s i g n M e t h o d o l o g yf o r L L CR e s o n a n t C o n v e r t e r A I nP r o c I E E E A P E C 0 6 C 2 0 0 6 5 3 3 5 3 7 5 G uY i l e i L uZ h e n g y u H a n g G u o s o n g e t a l T h r e e L e v e l L L CS e r i e s R e s o n a n t D C D CC o n v e r t e r J I E E ET r a n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s 2 0 0 5 2 0 7 8 1 7 8 9 压和电流的波形 利用功率因数表 测得功率因数 0 9 9 由实验结果 可见 电流跟踪电 压达到同相位 谐 波含量较小 实现了高功率因数的要求 5结论 电感参数设计要综合考虑多方面的因素 本文 从系统稳定性 谐波含量以及功率因数等方面去分 析 结合系统参数得出电感参数的大致范围 通过对 负载动态变化的分析确定了电感的取值 样机实验 进一步证明了设计方法的合理性 值得注意 本文 是在开关频率固定的条件下设计电感参数的取值 如果开关频率不固定 电感的设计则十分困难 但设 计时仍可从所提出的几个方面去考虑 所不同的是 在系统指标不变的情况下开关频率发生改变 所需 要的电感也要发生改变 这就需要结合控制方法对 系统作进一步的研究 参考文献 1 BRL i n TYY a n g T h r e e p h a s eA C D C C o n v e r t e r w i t h H i g hP o w e r F a c t o r J I E EP r o c E l e c t r P o w e r A p p l 2 0 0 5 1 5 2 3 7 5 7 7 6 4 2 WuR u s o n g A n a l y s i s o f aP WMA Ct oD CV o l t a g eS o u r c e C o n v e r t e ru n d e rt h e p r e d i c t e d C u r r e n tw i t h a F i x e d S w i t c h i n g F r e q u e n c y J I E E ET r a n s o nI A 1 9 9 1 4 7 5 6 7 6 4 3 Q uK e q i n g C h e nG u o c