第四講 功率因數(shù)校正

1、4.1 輸入功率因數(shù)定義輸入功率因數(shù)定義SPPFAC/SSIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)PFPF（P Powerower F Factoractor） ：交流側(cè)電壓與電流基波分量之間的相位角交流側(cè)電壓與電流基波分量之間的相位角11稱為稱為基波位移角基波位移角；基波功率因數(shù)基波功率因數(shù) cos1cos1稱為稱為基波位移因數(shù)基波位移因數(shù)DPFDPF；基波因數(shù)：基波因數(shù)：若交流輸入電壓為無(wú)畸變的正弦波，則只有輸入電流中的基波電流形成有若交

2、流輸入電壓為無(wú)畸變的正弦波，則只有輸入電流中的基波電流形成有功功率。這時(shí)功功率。這時(shí)，定義：交流電源輸入有功功率定義：交流電源輸入有功功率P PAC AC 與其視在功率與其視在功率S S 之比，即之比，即4.1 輸入功率因數(shù)定義（續(xù)輸入功率因數(shù)定義（續(xù)1）q交流輸入電流中除基波電流交流輸入電流中除基波電流Is1外通常還含有各外通常還含有各次諧波電流次諧波電流Isn（n2，3，4，） 。qTHD的的定義：除基波電流外的所有諧波電流總定義：除基波電流外的所有諧波電流總有效值與基波電流有效值之比值有效值與基波電流有效值之比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211S

3、nSnSSSSSShIIIIIIIIITHD輸入電流總畸變率輸入電流總畸變率THD THD ( (Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion) )4.1.1 諧波電流的危害及改善措施諧波電流的危害及改善措施 220V單相交流電網(wǎng)不控整流電容濾波的應(yīng)用極為廣泛，單相交流電網(wǎng)不控整流電容濾波的應(yīng)用極為廣泛，但存在以下主要缺點(diǎn)：但存在以下主要缺點(diǎn)： ( (1) ) 僅在交流電壓的瞬時(shí)值大于電容電壓時(shí)才有輸入電僅在交流電壓的瞬時(shí)值大于電容電壓時(shí)才有輸入電流，電流波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。流，電流波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。 ( (2) ) 直流輸出電

4、壓只與交流輸入電壓有關(guān)而不能調(diào)控。直流輸出電壓只與交流輸入電壓有關(guān)而不能調(diào)控。 (3) (3) 為了得到輸出可控的直流電壓，可采用相控整流。為了得到輸出可控的直流電壓，可采用相控整流。但脈動(dòng)很大，且最低次諧波頻率為但脈動(dòng)很大，且最低次諧波頻率為2 2次諧波，需要很大的濾次諧波，需要很大的濾波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓。波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓。 (4) (4) 在相控直流電壓較低時(shí)電源功率因數(shù)低。在相控直流電壓較低時(shí)電源功率因數(shù)低。 圖圖5.35 AC/AC整流電路整流電路4.1.1 諧波電流的危害及改善措施（續(xù)諧波電流的危害及改善措施（續(xù)1）流過(guò)線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變；

5、流過(guò)線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變；可能危害通訊線路；可能危害通訊線路；會(huì)使線路和配電變壓器過(guò)熱，損壞電器設(shè)備；會(huì)使線路和配電變壓器過(guò)熱，損壞電器設(shè)備；會(huì)引起電網(wǎng)會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振；諧振；高次諧波電流流過(guò)電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波電壓可能使電容器過(guò)流、高次諧波電流流過(guò)電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波電壓可能使電容器過(guò)流、過(guò)熱而爆炸；過(guò)熱而爆炸；在三相四線制電路中，中線流過(guò)三相的三次諧波電流在三相四線制電路中，中線流過(guò)三相的三次諧波電流(3倍的倍的3次次諧波電流諧波電流)，使中線過(guò)流而損壞；，使中線過(guò)流而損壞；還使整流負(fù)載交流輸入端功率因數(shù)下降，其結(jié)果是發(fā)電、配電還使整流負(fù)載交流輸入端功率因數(shù)下降，其結(jié)果是

6、發(fā)電、配電及變電設(shè)備的利用率降低，功耗加大，效率降低。及變電設(shè)備的利用率降低，功耗加大，效率降低。 諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：4.1.1 諧波電流的危害及改善措施（續(xù)諧波電流的危害及改善措施（續(xù)2） 限制電網(wǎng)諧波電流相應(yīng)的限制電網(wǎng)諧波電流相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布實(shí)施國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布實(shí)施，如，如IEC-555-2，EN60555-2等，表等，表5.7給出了某一標(biāo)準(zhǔn)要求的諧波給出了某一標(biāo)準(zhǔn)要求的諧波電流限制值。電流限制值。 表表5.7 AC-DC變流電路對(duì)輸入端諧波電流的限制值變流電路對(duì)輸入端諧波電流的限制值 不控整流能使基波電流與交流電源電壓基本同相不控整流能

7、使基波電流與交流電源電壓基本同相，cos1=1，但但呈脈沖狀的電流含有很大的諧波成份，因而交流電源的功率呈脈沖狀的電流含有很大的諧波成份，因而交流電源的功率因數(shù)不高因數(shù)不高。710302諧波電流(以基波為基數(shù))7次5次3次2次諧波階次圖5.35 AC/DC整流電路(1)(1)附加無(wú)源濾波器附加無(wú)源濾波器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、可靠性高、電磁干擾簡(jiǎn)單、可靠性高、電磁干擾EMI小。小。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：體積、重量大，難以得到高功率因數(shù)體積、重量大，難以得到高功率因數(shù)( (一般提高到一般提高到0.9左右左右) )，工作，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，電感和電容間有大的充放電性能與頻率、負(fù)載變化及

8、輸入電壓變化有關(guān)，電感和電容間有大的充放電電流并可能引發(fā)電路電流并可能引發(fā)電路L、C諧振等。諧振等。 在圖示的整流器和電容之間在圖示的整流器和電容之間接入一個(gè)濾波電感，或者在交流接入一個(gè)濾波電感，或者在交流側(cè)并聯(lián)接入側(cè)并聯(lián)接入LCLC濾波器。濾波器。采用采用兩類技術(shù)措施兩類技術(shù)措施可減小電源電流中的諧波電流，提高功率因數(shù)可減小電源電流中的諧波電流，提高功率因數(shù)4.1.1 諧波電流的危害及改善措施（續(xù)諧波電流的危害及改善措施（續(xù)3）4.1.1 諧波電流的危害及改善措施（續(xù)諧波電流的危害及改善措施（續(xù)4）圖圖5.36 含含升升壓壓型型 (Boost)功功率率因因數(shù)數(shù)校校正正器器環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的高高頻頻

9、整整流流器器(2) 附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻PWM整流整流 含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流被簡(jiǎn)稱為含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流被簡(jiǎn)稱為有源功有源功率因數(shù)校正率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction)APFC。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)高，功率因數(shù)高，THD??；小；可在寬范圍輸入電壓可在寬范圍輸入電壓 下工作；下工作；體積、重量輕；體積、重量輕；輸出電壓恒定。輸出電壓恒定。不足不足:單向的單向的PWM整流。整流。4.1.2 含升壓含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流型功率因數(shù)校正器的高頻整流圖圖5.36 含含升升

10、壓壓型型 (Boost)功功率率因因數(shù)數(shù)校校正正器器環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的高高頻頻整整流流器器主電路：主電路：1)單相橋式不控整流器單相橋式不控整流器2)Boost變換器變換器控制電路控制電路：1)電壓誤差放大器電壓誤差放大器VAR2)電流誤差放大器電流誤差放大器CAR3)乘法器乘法器4)比較器比較器C5)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器6)其它相關(guān)電路其它相關(guān)電路 4.1.2 含升壓含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)（續(xù)1）含有一個(gè)含有一個(gè)Boost Converter，實(shí)，實(shí)現(xiàn)升壓式現(xiàn)升壓式 DCDC的變換；的變換；控制電路由一個(gè)電壓外環(huán)和一控制電路由一個(gè)電壓外環(huán)和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)

11、構(gòu)成；個(gè)電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成；升壓電感中的電流受到連續(xù)監(jiān)升壓電感中的電流受到連續(xù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，使之能跟隨整流后控和調(diào)節(jié)，使之能跟隨整流后 正弦半波電壓波形。正弦半波電壓波形。 電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：4.1.2 含升壓含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)（續(xù)2）有源功率因數(shù)校正的控制思想有源功率因數(shù)校正的控制思想思路思路: : 主要是控制已整流后的電流，能與整流后的電壓波形相同，主要是控制已整流后的電流，能與整流后的電壓波形相同，從而避免電流脈沖的形成，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。從而避免電流脈沖的形成，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。 BoostAPFC原理電路原理電路 T導(dǎo)通

12、時(shí)導(dǎo)通時(shí)，二極管電流為，二極管電流為零，零，| iS |= iL= iT ；T斷開時(shí)斷開時(shí)， | iS |= iL=iD ，具有高頻紋波的輸入電流具有高頻紋波的輸入電流iS經(jīng)很經(jīng)很小的小的LC濾波后即可得到正濾波后即可得到正弦波電流。弦波電流。4.1.2 含升壓含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)（續(xù)3）Boost型功率因數(shù)校正器型功率因數(shù)校正器(APFC)的主要優(yōu)點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)(1) 輸入電流連續(xù)，電磁干擾輸入電流連續(xù)，電磁干擾EMI小。小。(2) 開關(guān)器件開關(guān)器件T的電壓不超過(guò)輸出電壓值。的電壓不超過(guò)輸出電壓值。(3)有許多集成控制電路芯片可供設(shè)計(jì)者選

13、用。有許多集成控制電路芯片可供設(shè)計(jì)者選用。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) (1) 輸入、輸出間沒(méi)有絕緣隔離輸入、輸出間沒(méi)有絕緣隔離 (2) Boost APFC適用于適用于1kW2kW以下以下的負(fù)載的負(fù)載4.1.3 帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流圖圖5.37 帶帶反反激激式式功功率率因因數(shù)數(shù)校校正正器器環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的高高頻頻整整流流器器T導(dǎo)通導(dǎo)通時(shí)時(shí), , Vdc加在變壓器原方繞組等效電感加在變壓器原方繞組等效電感L1兩端，兩端，i1從零上升到從零上升到ip，電感，電感儲(chǔ)能，二極管儲(chǔ)能，二極管D阻斷，阻斷，i i2 2=0=0。T截止截止時(shí)，時(shí)，i i1 1=0=0，電感，電感L2

14、釋放磁能，釋放磁能，D導(dǎo)電，導(dǎo)電，i i2 2向向C充電并向負(fù)載供電。充電并向負(fù)載供電。反激式電路反激式電路4.1.3 帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)（續(xù)2）工作模式為工作模式為不連續(xù)導(dǎo)電模式不連續(xù)導(dǎo)電模式DCM，雙，雙 半波正弦虛線為電流峰值半波正弦虛線為電流峰值iP的包絡(luò)線。的包絡(luò)線。I I1 1 為兩個(gè)近似的正弦半波，為兩個(gè)近似的正弦半波， is s為一個(gè)近似的正弦波。脈動(dòng)頻率很高，經(jīng)不為一個(gè)近似的正弦波。脈動(dòng)頻率很高，經(jīng)不大的大的L、C濾波器即可將濾為正弦電流。濾波器即可將濾為正弦電流。 4. 2 三相三相PFCq4.2.1 幾種典型的三相幾種典型

15、的三相PFCq4.2.2 三相高頻三相高頻PWM整流整流222bNaNcNiii22231 baaNiii4.2.1 幾種典型的三相幾種典型的三相PFC12脈波整流電路脈波整流電路2222bNaNaaNiiii3/322121baaNaNaNAiiiiii ttttItidA23sin23113sin13111sin111sin34原方原方A A相電流應(yīng)為相電流應(yīng)為：除基波外，僅含除基波外，僅含12K12K 1 1（K=1K=1，2 2，3 3）次電流諧波。最低次電流諧波為）次電流諧波。最低次電流諧波為1111次。而三相橋次。而三相橋6 6脈波整流電路交流電源中含有脈波整流電路交流電源中含有6

16、K6K 1 1次諧波電流，最低次次諧波電流，最低次諧波電流為諧波電流為5 5次。次。三相單開關(guān)三相單開關(guān)PFC優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.引入引入boost變換器變換器 (Lb, Qb, Db)后，功率因數(shù)提高。后，功率因數(shù)提高。2. 控制簡(jiǎn)單，成本較低，采用較小的濾波器就可濾除控制簡(jiǎn)單，成本較低，采用較小的濾波器就可濾除高次諧波。高次諧波。缺點(diǎn)缺點(diǎn): 電壓、電流應(yīng)力大；電壓、電流應(yīng)力大；5次諧波大。次諧波大。要提高功率因數(shù)，須提高直流電壓。要提高功率因數(shù)，須提高直流電壓。三個(gè)單相三個(gè)單相PFC組成三相組成三相PFC優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.可利用單相比較成熟的可利用單相比較成熟的PFC技術(shù)，由三個(gè)單相技術(shù)，由三個(gè)

17、單相PFC同時(shí)供電，控制簡(jiǎn)單。同時(shí)供電，控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)缺點(diǎn): 元器件較多，成本高。元器件較多，成本高。三相六開關(guān)三相六開關(guān)PFC電路電路q 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)將交流電源輸入電流控將交流電源輸入電流控 制為畸變很小的正弦化制為畸變很小的正弦化電流，且功率因數(shù)可接近于電流，且功率因數(shù)可接近于1。(2)體積、重量可以大大地減少。體積、重量可以大大地減少。(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度顯著提高。動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度顯著提高。q 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：開關(guān)管數(shù)量多，控制較為復(fù)雜。開關(guān)管數(shù)量多，控制較為復(fù)雜。圖圖 5.40 三三相相PWM整整流流器器PWM開關(guān)模式整流器被稱為開關(guān)模式整流器被稱為PWM整流器。整流器。 按是否按是否具有

18、能量回饋功能分為：具有能量回饋功能分為：1、無(wú)能量回饋功能的、無(wú)能量回饋功能的PWM整流器整流器(PFC-Power Factor Correction)：例如，上節(jié)介紹的單相：例如，上節(jié)介紹的單相PWM整整流器。流器。2、具有能量回饋功能的開關(guān)模式整流器、具有能量回饋功能的開關(guān)模式整流器(Reversible SMR)：如本節(jié)將要介紹有能量回饋功能的三相：如本節(jié)將要介紹有能量回饋功能的三相PWM整流器。整流器。4.2.2 三相高頻三相高頻PWM整流整流20圖圖5.38 單相半橋單相半橋PWM整流器整流器圖圖5.39 單相全橋單相全橋PWM整流器整流器圖圖5.40 三三相相PWM整整流流器器除

19、要有輸入電感，除要有輸入電感，PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)和逆變器一樣。整流器的主電路結(jié)構(gòu)和逆變器一樣。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整流器輸出直流電壓不變，開關(guān)管按正弦規(guī)律作脈寬調(diào)制，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整流器輸出直流電壓不變，開關(guān)管按正弦規(guī)律作脈寬調(diào)制，交流側(cè)的電壓是和逆變器輸出電壓類似的交流側(cè)的電壓是和逆變器輸出電壓類似的SPWM電壓波。電壓波。由于電感的濾波作用，交流電源流入的電流中諧波電流不大，變換器交流由于電感的濾波作用，交流電源流入的電流中諧波電流不大，變換器交流側(cè)電壓可以看作是可控正弦交流電壓源，它與電網(wǎng)的正弦電壓共同作用于輸側(cè)電壓可以看作是可控正弦交流電壓源，它與電網(wǎng)的正弦電壓共同作用于輸入電感入電感L，

20、產(chǎn)生正弦輸入電流，這種高頻，產(chǎn)生正弦輸入電流，這種高頻PWMPWM整流是升壓變換。整流是升壓變換。適當(dāng)控制整流器交流端的電壓的幅值和相位，就可以獲得所需大小和相位適當(dāng)控制整流器交流端的電壓的幅值和相位，就可以獲得所需大小和相位的輸入電流，并使直流電壓保持為給定值。的輸入電流，并使直流電壓保持為給定值。 214.2.2.1 能量可回饋型的能量可回饋型的PWMPWM整流器主要特點(diǎn)整流器主要特點(diǎn)通常交流電感通常交流電感L上壓降不大，因此這種變換器直流輸出電壓總是大上壓降不大，因此這種變換器直流輸出電壓總是大于交流電源電壓峰值，因此這種高頻于交流電源電壓峰值，因此這種高頻PWM整流是升壓變換。整流是升

21、壓變換。高頻高頻PWM整流器的主電路都是能量可雙向流動(dòng)的電力變換器，既整流器的主電路都是能量可雙向流動(dòng)的電力變換器，既可運(yùn)行在整流狀態(tài)，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，作整流器只是它們的功能可運(yùn)行在整流狀態(tài)，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，作整流器只是它們的功能之一。之一。主電路結(jié)構(gòu)還可以用于無(wú)功補(bǔ)償器，有源電力濾波器，風(fēng)力、太陽(yáng)主電路結(jié)構(gòu)還可以用于無(wú)功補(bǔ)償器，有源電力濾波器，風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，有源電子負(fù)載等應(yīng)用領(lǐng)域，其控制方式和整能發(fā)電，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，有源電子負(fù)載等應(yīng)用領(lǐng)域，其控制方式和整流器控制也有很多相近的地方。流器控制也有很多相近的地方。圖圖5.39 單相全橋單相全橋PWM整流器整流器234.2

22、.2.2 交流交流/直流雙向直流雙向PWM變換器工作原理變換器工作原理三相橋式變換器交流輸入端電壓為三相橋式變換器交流輸入端電壓為Via(t)、Vib(t) 、Vic (t) 。tVtvSSasin2)()120sin(2)(tVtvSSb)120sin(2)(tVtvSSc)sin(2)(tItiSa)120sin(2)(tItiSb)120sin(2)(tItiSc式中式中Is是交流電源流入雙向變換器的電流有效值，是交流電源流入雙向變換器的電流有效值，是是 滯后滯后 的的功率因數(shù)角。功率因數(shù)角。 24交流輸入電流為：交流輸入電流為：三相交流電壓輸入為：三相交流電壓輸入為：)-sin(2)(

23、tVtViia)-120-sin(2)(tVtViib)-120sin(2)(tVtViic理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓為理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓為25XI jVVSiSqSiidXIVFHOHOFVVcosdiiqXIFEVVsinsin/ )cos(/ )(SiSidSqIXVVXVVIcossinSiiqdIXVXVI得到交流電網(wǎng)輸入到變換器的有功功率得到交流電網(wǎng)輸入到變換器的有功功率P和無(wú)功功率和無(wú)功功率Q：XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33XVVVIVIVQiSSSSqScos3sin3326當(dāng)電壓當(dāng)電壓Vi數(shù)值較大數(shù)值較大，以致，以致 Vico

24、sVs時(shí)，則時(shí)，則Iq為負(fù)，為負(fù)，Q為負(fù)，即變?yōu)樨?fù)，即變換器向電網(wǎng)換器向電網(wǎng)輸出輸出 無(wú)功電流無(wú)功電流。當(dāng)電壓當(dāng)電壓Vi較小較小， VicosVs時(shí)，時(shí)，Iq為正，為正，Q為正，即變換器從電網(wǎng)為正，即變換器從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流。吸收無(wú)功電流。當(dāng)變換器交流輸入端電壓Vi相位滯后于VS時(shí)，即滯后角為正 值時(shí)，有功電流為正值，P為正，表示交流電源向變換器輸出有功 功率，變換器工作于整流狀態(tài)。當(dāng)變換器交流輸入端電壓Vi的相位超前VS時(shí)，那時(shí)滯后角為負(fù)值，P為負(fù)，表示交流電源從變換器輸入有功功率，變換器工作于逆變狀態(tài)。27XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33XVVVIVIVQiSSSSqScos3sin33F兩個(gè)交流電源之間的有功電流、有功功率兩個(gè)交流電源之間的有功電流、有功功率P總是從相位超前的總是從相位超前的電源流向相位滯后的電源；電源流向相位滯后的電源；F電壓數(shù)值高的電源才有可能向電壓低的電源輸出滯后的感性電壓數(shù)值高的電源才有可能向電壓低的電源輸出滯后的感性無(wú)功電流和感性無(wú)功功率無(wú)功電流和感性無(wú)功功率Q。F綜上，變換器就是一個(gè)理想的綜上，變換器就是一個(gè)理想的