第四讲 PFC技术.ppt

登陆华中科技大学内部网ID 2004201 4 0输入功率因数定义 交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各次谐波电流Isn n 2 3 4 THD的定义 除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值 输入电流总畸变率THD TotalHarmonicDistortion 4 0输入功率因数定义 续1 输入功率因数PF PowerFactor 交流侧电压与电流基波分量之间的相位角 1称为基波位移角 基波功率因数cos 1称为基波位移因数DPF 基波因数 若交流输入电压为无畸变的正弦波 则只有输入电流中的基波电流形成有功功率 这时 定义 交流电源输入有功功率PAC与其视在功率S之比 即 4 1含有源功率因数校正环节 PFC 的单相高频整流 4 1 1谐波电流的危害及改善措施4 1 2含升压 Boost 型功率因数校正器的高频整流4 1 3带反激式功率因数校正器的高频整流 4 1 1谐波电流的危害及改善措施 220V单相交流电网不控整流电容滤波的应用极为广泛 但存在以下主要缺点 1 仅在交流电压的瞬时值大于电容电压时才有输入电流 电流波形严重畸变 呈脉冲状 2 直流输出电压只与交流输入电压有关而不能调控 3 为了得到输出可控的直流电压 可采用相控整流 但脉动很大 且最低次谐波频率为2次谐波 需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压 4 在相控直流电压较低时电源功率因数低 4 1 1谐波电流的危害及改善措施 续1 流过线路阻抗造成谐波电压降 使电网电压也发生畸变 可能危害通讯线路 会使线路和配电变压器过热 损坏电器设备 会引起电网LC谐振 高次谐波电流流过电网所产生的谐波电压可能使电容器过流 过热而爆炸 在三相四线制电路中 中线流过三相的三次谐波电流 3倍的3次谐波电流 使中线过流而损坏 还使整流负载交流输入端功率因数下降 其结果是发电 配电及变电设备的利用率降低 功耗加大 效率降低 谐波电流对电网有严重的危害作用 4 1 1谐波电流的危害及改善措施 续2 限制电网谐波电流相应的国际标准已经颁布实施 如IEC 555 2 EN60555 2等 表5 7给出了某一标准要求的谐波电流限制值 表5 7AC DC变流电路对输入端谐波电流的限制值 不控整流能使基波电流与交流电源电压基本同相 cos 1 1 但呈脉冲状的电流含有很大的谐波成份 因而交流电源的功率因数不高 图5 35AC DC整流电路 5 35 1 附加无源滤波器 优点 简单 成本低 可靠性高 电磁干扰EMI小 缺点 体积 重量大 难以得到高功率因数 一般提高到0 9左右 工作性能与频率 负载变化及输入电压变化有关 电感和电容间有大的充放电电流并可能引发电路L C谐振等 在图示的整流器和电容之间接入一个滤波电感 或者在交流侧并联接入LC滤波器 采用两类技术措施可减小电源电流中的谐波电流 提高功率因数 4 1 1谐波电流的危害及改善措施 续3 4 1 1谐波电流的危害及改善措施 续4 2 附加有源功率因数校正器或采用高频PWM整流 含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为有源功率因数校正 ActivePowerFactorCorrection APFC 优点 功率因数高 THD小 可在宽范围输入电压下工作 体积 重量轻 输出电压恒定 不足 单向的PWM整流 4 1 2含升压 Boost 型功率因数校正器的高频整流 主电路 1 单相桥式不控整流器2 Boost变换器控制电路 1 电压误差放大器VAR2 电流误差放大器CAR3 乘法器4 比较器C5 驱动器6 其它相关电路 4 1 2含升压 Boost 型功率因数校正器的高频整流 续1 含有一个BoostConverter 实现升压式DC DC的变换 控制电路由一个电压外环和一个电流内环构成 升压电感中的电流受到连续监控和调节 使之能跟随整流后正弦半波电压波形 电路特点 4 1 2含升压 Boost 型功率因数校正器的高频整流 续2 有源功率因数校正的控制思想思路 主要是控制已整流后的电流 使之在对滤波大电容充电之前 能与整流后的电压波形相同 从而避免电流脉冲的形成 达到改善功率因数的目的 Boost APFC原理电路 T导通时 二极管电流为零 iS iL iT T断开时 iS iL iD 具有高频纹波的输入电流iS经很小的LC滤波后即可得到正弦波电流 4 1 2含升压 Boost 型功率因数校正器的高频整流 续3 Boost型功率因数校正器 APFC 的主要优点 1 输入电流连续 电磁干扰EMI小 2 有输入电感L 可减少对输入滤波器的要求 并可防止电网对主电路高频瞬态冲击 3 开关器件T的电压不超过输出电压值 4 有许多集成控制电路芯片可供设计者选用 缺点 1 输入 输出间没有绝缘隔离 2 BoostAPFC适用于1kW 2kW以下的负载 4 1 3带反激式功率因数校正器的高频整流 T导通时 Vdc加在变压器原方绕组等效电感L1两端 i1从零上升到ip 电感储能 二极管D阻断 i2 0 T截止时 i1 0 电感L2释放磁能 D导电 i2向C充电并向负载供电 反激式电路 4 1 3带反激式功率因数校正器的高频整流 续2 工作模式为不连续导电模式DCM 双半波正弦虚线为电流峰值iP的包络线 I1为两个近似的正弦半波 is为一个近似的正弦波 脉动频率很高 经不大的L C滤波器即可将滤为正弦电流 4 2三相PFC 4 2 1几种典型的三相PFC4 2 2三相高频PWM整流 4 2 1几种典型的三相PFC 12脉波整流电路 原方A相电流应为 除基波外 仅含12K 1 K 1 2 3 次电流谐波 最低次电流谐波为11次 而三相桥6脉波整流电路交流电源中含有6K 1次谐波电流 最低次谐波电流为5次 三相单开关PFC 优点 1 引入boost变换器 Lb Qb Db 后 功率因数提高 2 控制简单 成本较低 采用较小的滤波器就可滤除高次谐波 缺点 电压 电流应力大 只能工作于DCM模式 5次谐波大 要提高功率因数 须提高直流电压 三个单相PFC组成三相PFC 优点 1 可利用单相比较成熟的PFC技术 由三个单相PFC同时供电 控制简单 缺点 元器件较多 成本高 三相六开关PFC电路 优点 1 将交流电源输入电流控制为畸变很小的正弦化电流 且功率因数可接近于1 2 体积 重量可以大大地减少 3 动态响应速度显著提高 缺点 开关管数量多 控制较为复杂 PWM开关模式整流器被称为PWM整流器 按是否具有能量回馈功能分为 1 无能量回馈功能的PWM整流器 PFC PowerFactorCorrection 例如 上节介绍的单相PWM整流器 2 具有能量回馈功能的开关模式整流器 ReversibleSMR 如本节将要介绍有能量回馈功能的三相PWM整流器 4 2 2三相高频PWM整流 22 除要有输入电感 PWM整流器的主电路结构和逆变器一样 稳态工作时 整流器输出直流电压不变 开关管按正弦规律作脉宽调制 交流侧的电压是和逆变器输出电压类似的SPWM电压波 由于电感的滤波作用 交流电源流入的电流中谐波电流不大 变换器交流侧电压可以看作是可控正弦交流电压源 它与电网的正弦电压共同作用于输入电感L 产生正弦输入电流 适当控制整流器交流端的电压的幅值和相位 就可以获得所需大小和相位的输入电流 并使直流电压保持为给定值 23 4 2 2 1能量可回馈型的PWM整流器主要特点 通常交流电感L上压降不大 因此这种变换器直流输出电压总是大于交流电源电压峰值 因此这种高频PWM整流是升压变换 高频PWM整流器的主电路都是能量可双向流动的电力变换器 既可运行在整流状态 也可运行在逆变状态 作整流器只是它们的功能之一 主电路结构还可以用于无功补偿器 有源电力滤波器 风力 太阳能发电 电力储能系统 有源电子负载等应用领域 其控制方式和整流器控制也有很多相近的地方 24 25 4 2 2 2交流 直流双向PWM变换器工作原理 三相桥式变换器交流输入端交流相电压为Via t Vib t Vic t 电流为ia ib ic 如果交流电源电压为 式中Vs为交流电源相电压有效值 则理想的交流 直流变换应该是 式中Is是交流电源流入双向变换器的电流有效值 是滞后的功率因数角 26 理想的三相桥变换器交流侧相电压为 27 复数功率的定义是 电压矢量与电流共轭矢量的乘积 因此得到交流电网输入到变换器的有功功率P和无功功率Q 28 当电压Vi数值较大 以致Vicos Vs时 则Iq为负 Q为负 即交流电源向AC DC变换器输出容性 超前 无功电流 无功功率 当电压Vi较小 Vicos Vs时 Iq为正 Q为正 即交流电源向AC DC变换器输出感性 滞后 无功电流 无功功率 当变换器交流输入端电压相位滞后于时 即滞后角 为正值时 有功电流为正值 P为正 表示交流电源向变换器输出有功功率 变换器工作于整流状态 当变换器交流输入端电压的相位超前时 那时滞后角 为负值 P为负 表示交流电源从变换器输入有功功率 变换器工作于逆变状态 29 两个交流电源之间的有功电流 有功功率P总是从相位超前的电源流向相位滞后的电源 电压数值高的电源才有可能向电压低的电源输出滞后的感性无功电流和感性无功功率Q 若负载阻抗一定 输出直流电压Vo的大小取决于输入的有功功率P与负载消耗 增大P Vo升高 反之 Vo降低 调节有功功率P也就调节控制了Vo 综上 变换器就是一个理想的AC DC双向功率变换器 30 结论 三相电压型高频PWM整流器中6个开关器件T1 T6进行类似于第4章三相SPWM逆变器的通 断控制 令T1 T6SPWM控制的调制参考波频率fr等于交流电源Vsa Vsb Vsc的频率fs Via Vib Vic中的谐波频率则由T1 T6SPWM控制的高频载波频率fC决定 Via Vib Vic中的高次谐波频率很高 31 4 2 3三相电压型高频PWM整流控制系统 1 电容器C上的直流电压必须恒定 因此采用电压闭环控