開關電源15、有源功率因數(shù)校正

有源功率因數(shù)校正開關電源輸入整流電路對電網(wǎng)的影響開關電源一般由公共電網(wǎng)經(jīng)過二極管整流獲得直流電壓。整流電路對于電網(wǎng)來說是非線性負載，負載電流中含有大量的諧波和無功成份，使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化。二極管整流電路電能質(zhì)量的一些基本概念

基波：頻率為工頻（我國為50Hz）的電氣量（電壓、電流）。諧波：頻率為非工頻的電氣量，其頻率通常是工頻的整數(shù)倍。(如250Hz電流稱5次諧波電流)。

整流電路電流波形及其頻譜300kW中頻爐（電源與爐體）中頻爐滿載時電源電壓（上波形）和電流（下波形）

電壓頻譜

電流頻譜

正弦電路的無功功率和功率因數(shù)

在正弦電路，線性負載的情況下，電路中的電壓和電流都是正弦的，電路的無功功率定義為：

電路的有功功率定義為：

定義有功功率和視在功率的比為功率因數(shù)PF： 非正弦電路的無功功率和功率因數(shù)

電壓為正弦，電流為非正弦情況下，功率因數(shù)定義為：其中：，即基波電流有效值和總電流有效值之比，THD稱為電流諧波總畸變率，其定義為：THD＝稱基波因數(shù)。稱為基波功率因數(shù)。 同理可定義電壓諧波總畸變率。

三相電壓對稱：ua,ub,uc同幅、同頻、相位各差120o三相電壓不對稱：不滿足以上三條件中的任何一個三相電壓非正弦（畸變）：ua,ub,uc的波形不是正弦畸變=非正弦=含諧波四種情況：對稱無畸變對稱有畸變不對稱無畸變不對稱有畸變

三相電壓不對稱和非正弦（畸變）諧波和無功功率的危害諧波危害：諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率。諧波影響各種電氣設備的正常工作。比如諧波不僅使電機產(chǎn)生附加損耗,還使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓,使變壓器、電容器等設備過熱、絕緣老化等危害。諧波引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，損壞設備。導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表計量不準確。諧波對控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使通訊質(zhì)量下降或根本無法正常工作。無功功率的危害：增加設備容量 根據(jù)公式： 無功功率的增加，會導致在有功功率不變的情況下，視在功率的增加和電流增大，從而使得電氣設備容量和導線容量的增加。設備和線路的損耗增加 無功功率的增加，使得總電流增大，因而使設備和線路的損耗增加，線路電阻為R,則線路損耗為：

其中：這部分損耗就是無功功率引起的。使線路和設備的壓降增大。無功功率的增加，使得線路的總電流增大，線路的(傳輸)壓降也將隨之增大，嚴重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，甚至可能導致電網(wǎng)崩潰。 由于電力電子裝置產(chǎn)生大量的諧波和無功功率，嚴重影響了電力電子技術的發(fā)展與應用，因此，消除諧波污染并提高功率因數(shù),已成為現(xiàn)代電力電子技術中的一個重大課題。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問題的基本手段有兩條：裝設補償裝置，以補償其諧波和無功功率，各種類型的電力電子諧波源都可以用這個辦法補償。對電力電子裝置本身進行改進，使其不產(chǎn)生諧波，且具有較高的功率因數(shù)（高功率因數(shù)變流器），功率因數(shù)甚至可以控制為1（單位功率因數(shù)變流器）。無功功率的危害：加裝補償裝置：無源電力濾波器和有源電力濾波器。無源濾波器缺點：與系統(tǒng)阻抗諧振。多支路。

對電力電子裝置本身進行改進－－高功率因數(shù)變流器：通常使用有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正電路（ActivePowerFactorCorrection）。

單相有源功率因數(shù)校正電路

下圖是單相Boost功率因數(shù)校正電路原理圖。在整流橋和濾波電容之間增加了由直流電感、二極管和開關器件組成的Boost電路。通過對開關的控制，可使交流電流的為正弦波，并且和電壓同相位，功率因數(shù)接近為1。

是交流電壓經(jīng)過全波整流后的電壓；是交流電流經(jīng)全波整流后的電流。

下圖所示是三相Boost功率因數(shù)校正電路，是單相Boost功率校正電路在三相的延伸。將單相功率因數(shù)校正電路的電感L從整流橋直流側(cè)移到了交流側(cè)各相。當開關V閉合時，直流側(cè)整流橋被短路，三相電感均處于儲能狀態(tài)，各相電流絕對值增大，當開關V斷開時，二極管導通，各相電感中儲存的能量連同交流電源一同向直流測電源和負載供電，各相的電流絕對值減小。三相有源功率因數(shù)校正電路三相功率因數(shù)校正電路由于此電路中只有一個開關，要控制三相電流均為正弦波且和電壓同相位比較困難。 三相功率因數(shù)校正電路技術遠不如單相有源功率因數(shù)校正技術成熟。

PWM整流電路

把逆變電路及其PWM控制技術用于整流電路，就構成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1（單位功率因數(shù)變流器），PWM整流電路的另一個重要特點是能量可以雙向流動。PWM整流電路實質(zhì)上是一個受控電流源。對

V1－V4進行PWM控制，在AB端可得到正弦調(diào)制的PWM電壓波形。在es一定的情況下，電流is的幅值和相位受控于AB端電壓的基波分量。單相PWM整流電路三相PWM整流電路的數(shù)字控制方法－無差拍控制

每一個控制周期的開始時刻，采樣PWM整流電路的電流

ick，并且根據(jù)下一控制周期開始時刻的電流指令值

ick*

，由差值

ick*-ick計算出IGBT開關時間，使

ick在下一控制周期開始時刻等于ick*

。這種無差拍控制方法具有開關頻率固定、動態(tài)響應快的特點（在一個開關周期內(nèi)PWM整流電路的電流跟蹤上電流指令值）。e1,e2,

e3

為電源三相電壓，ic1,ic2,ic3

為PWM整流器的三相電流，

R、L

分別為濾波電感的繞組電阻和電感值，Ud

為直流電容電壓。

PWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型為描述三個橋臂IGBT的開關狀態(tài)，引入開關函數(shù)d1*,d2*,d3*,定義如下：A相橋臂上管開通，d1*=1，此時。反之下管開通，d1*=0,

此時。B相橋臂上管開通，d2*=1，此時。反之下管開通，d2*=0,此時。

C相橋臂上管開通，d3*=1,此時。反之下管開通，d3*=0,

此時

。

PWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型方程改寫為以上三個方程相加，并考慮到e1+e2+e3=0，可得

由開關函數(shù)表述的直流電壓方程

PWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型定義三個橋臂IGBT上管的開關信號占空比為d1,d2,d3

k=1,2,3其中

tk

為橋臂IGBT上管開通時間，TS

為IGBT開關周期。在一個開關周期TS

內(nèi)，占空比d1,d2,d3實際上是開關函數(shù)

d1*,d2*,d3*

的平均值。當IGBT開關頻率比較高時，可用平均值含義的

d1,d2,d3代替d1*,d2*,d3*。

PWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型由該模型可知，狀態(tài)變量ic1,ic2,ic3和

Ud的變化可由開關占空比d1,d2,d3控制，將該模型離散化，令k=1,2,3

PWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型ick*為下一周期起始時刻電流指令值，ick為當前周期PWM整流器電流，由電流霍爾測量電路獲得。解得

d1,d2,d3為k=1,2,3該式含義為：當IGBT開關時間等于

tk

時，在一個周期之內(nèi)PWM整流器使其輸出電流ick

等于電流指令值

ick*,從而達到無差拍控制的目的。在求得tk

之后，很容易由DSP內(nèi)部的PWM發(fā)生器產(chǎn)生相應的開關脈沖信號，驅(qū)動IGBT。

k=1,2,3

PWM控整流器直流電壓控制直流電壓指令值

Ud*

與實際值Ud

之差經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電源電流

is中的大小。當

is

中加大時，Ud

增大。反之Ud

減小。電壓突增、電阻突減時波形仿真結(jié)果:采用Simulink/powerlib仿真

1.

空間矢量：1983年Holtz提出。三個任意數(shù)x、y、z組成的空間矢量為

—空間矢量逆時針轉(zhuǎn)120o。

例如：x=1，y=0，z=0，

x=0，y=1，z=0，

x=0，y=0，z=1，

x=2，y=1，z=0，

x=1，y=1，z=1，S=0零矢量

x=0，y=0，z=0,S=0零矢量三相PWM整流電路在非理想電源電壓下的控制

隨t增加，以ω旋轉(zhuǎn)。在a-b-c坐標系的坐標為（ua,ub,uc)定義另一個坐標系d-q坐標系，以ω旋轉(zhuǎn)。在d-q坐標系中為靜止的一個矢量,其在d-q坐標系中坐標為（ud,uq）。

2.坐標變換

3.

非理想電源電壓下的電源電壓基波提取－電流指令相位獲得由于平均值意義的da、db、dc代替da*、db*、dc*，4、非理想電源電壓下的無差拍控制將上式離散化(k=a,b,c)式中5、仿真結(jié)果采用Simulink/powerlib仿真。仿真參數(shù)：開關頻率fc=8.5KHz，主電抗器電感L=3mH，直流電容C=1000μF,負載電阻R=60Ω。6、實驗結(jié)果郭文杰，“用于三相電壓型PWM整流器的級聯(lián)式非線性PI控制器”中國電機工程學報。YouXiaojie，LiYongdong“Predictivecurrentcontrolofthree-phasePWMrectifierundertheconditionofnon-idealsourcevoltage”IEEEPEDS’03,Singapore雙PWM變頻器

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