高功率因数整流器的拓扑结构及控制策略

东北重型机械学院学报

JournalofNortheastHeavyMachineryInstituteVol.21　No.4

Dec.1997

高功率因数整流器的拓扑结构及控制策略

张纯江1)2)　王　炎2)　邬伟扬1)　刘彦民1)

1)燕山大学　　2)哈尔滨工业大学

　　摘　要　电能经过变换,特别是整流后,产生谐波及无功功率,造成功率因数低,使电网电压电流波形发生畸变.高功率因数整流器的提出,可较好地解决这一问题.本文主要综述了高功率因数整流器的拓扑结构、工作方式、优缺点和控制策略.对存在的问题和今后的发展提出了建议.

关键词　功率因数　整流器　谐波分类号　TM464

0　引言

采用晶闸管相控整流或二极管加电容滤波的整流方式,在能够达到我们要求的同时也产生了我们所不需要的副作用,功率因数低,对电网产生许多高次谐波使电压电流波形发生畸变等[1].随着这种传统整流器的大量使用,这一问题已成为世界关注的热点.目前的IEC555标准严格限制这类负载对电网产生的谐波.因此,解决整流过程中存在的上述问题具有普遍意义.

解决整流电路功率因数低和谐波污染问题的基本思路有两条:1)配置补偿装置以补偿其谐波和无功功率;2)对整流电路本身进行改进,使其不产生谐波并且功率因数为1,或者根据需要能对其功率因数进行控制,即高功率因数整流器.

1　高功率因数整流器拓扑结构

高功率因数整流技术自1979年T.Kataota和K.Mizumachi提出后[2]得到了迅速发展,它采用PWM控制技术对自关断器件进行控制,从而实现输入电流为正弦波和功率因数为1,甚至可根据需要在360°范围内可调.目前,这种高功率因数整流器的拓扑结构及控制种类繁多,但各有其特点.

1.1　二极管整流加Boost斩波器拓扑结构

1986年提出二极管整流加Boost斩波器的高功率因数整流器拓扑结构[3]见图1.

图1　二极管整流加Boost斩波器拓扑结构

1997年9月1日收到

国家自然科学基金资助项目

324东北重型机械学院学报1997年

通过对VT进行PWM控制,可实现高功率因数.这种整流电路具有结构简单、可靠、易控制的优点,但它也有以下不足:

1)要求VT的开关频率较高,这增加了开关损耗降低了效率;2)二极管VDd串联在功率通路上,造成损耗;3)电感Ld在直流通道上易饱和,故其体积较大;4)零区“失真”限制了功率因数的进一步提高;5)不能实现能量双向流动.这种拓扑结构一般适合于小容量整流装置.1.2　混合桥拓扑结构

混合桥拓扑结构之一的半控开关整流电路见图2[4].

(a)电路原理图

图2　桥式半控拓扑结构

它的显著特点是:

1)主功率通道上没有二极管;2)电感位于交流侧;

3)任何时刻主功率通道上只有两个器件的导通压降;

4)VT1和VT2的栅极驱动有公共的参考地.这种拓扑结构的不足在于,由于是半控开关,所得到的桥臂端部电压ubn是一个单极性PWM波形如图2b所示,这将导致在输入电压过零后,输入电流is缓慢上升,所以,这种拓扑结构也存在零区“失真”问题,如图2c所示,这将限制其功率因数的进一步提高,另外,它也不能实现能量双向流动.

混合桥拓扑结构的另一种形式是半桥整流电路[5],见图3.这种结构可以克服零区“失真”,通过对VT1,VT2进行SPWM控制,在b,n两点得到一个具有正负Ud󰃗2电平的双极性SPWM电压.向量分析图如图4所示,其中,Ubn1是端部电压ubn的基波分量.由此图可得输入功率表达式:

P=USIScosΥ=USUbn1sin∆󰃗XS

图4　向量分析图

图3　半桥式高功率因数整流电路

(1)

第4期张纯江　等　高功率因数整流器的拓扑结构及控制策略325

式中,US,Ubn1,IS分别代表各电量的有效值,XS为电感LS对应的电抗.当cosΥ=1时,Υ=0,相应的电压向量如图4a所示,此时,Ubn1和US满足以下关系:

(2)Ubu1=US󰃗cos∆　　图5为ubn1和uS的电压波形曲线.由图可知,0～Π区

间要求ubn1在0～∆范围内提供负电压才能实现单位功率因数.而在图1a结构中,ubn1只能提供正电压,导致iS的零区“失真”.

1.3　三相电压型双向高功率因数整流电路

三相电压型双向高功率因数整流电路的拓扑结构[6]见图6.通过对VT1～VT6按PWM控制可实现功率因数在360°范围内可调,且输入电流为正弦波,图7是电路一相的向量图.图7b,c表明,它即可工作在功率因数为1的整流状态,又可工作在功率因数为-1的逆变状态,实现用一套变流装置完成整流和逆变.这是一种比较好的拓扑结构,图8为仿真波形.

图5　ubn1和us波形

图6　三相电压型整流电路

图7　电路向量图

图8　输入电压和输入电流的仿真波形

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以上各种整流电路拓扑结构都属于电压源升压型,其输出直流电压只能大于交流电源电压峰值.

2　控制策略

为了实现高功率因数和输入电流为正弦波以及输出电压可调,众多学者提出了不同的控制方法,以实现不同性能的整流器和满足不同的应用场合.但归纳起来可分为直接电流控制和间接电流控制两大类.2.1　直接电流控制

比较有代表性的直接电流控制是滞环电流控制.A.W.Green和J.T.Boys在1989年提出基于滞环电流控制的PWM高功率因数整流器[7,8],其框图如图9所示.将直流给定Ed与直流侧电压Ud之差经PI调节器,再与交流电源电压同步信号相乘获得电流指令ir,电压调节环在调节直流电压的同时也调节直流侧的功率.负载加重时,直流侧Ud

图9　滞环电流控制框图随之降低,这时PI调节器控制电流指令ir增大.ir

同直接检测的实际电流iS经滞环比较后控制器件的开通与关断,则电源电流跟踪指令电流,从而实现输入电流为正弦波.在电路中,由同步信号保证指令电流与电源电压同相,从而实现单位功率因数.

这种方法的优点在于控制简单、易于硬件实现,且系统的动态性能优良;主要不足在

于:开关频率随负载及电源电压而变化,并且它需要较高的开关频率,这给滤波器设计带来了困难.另一个不足是对于三相整流电路需要较多的高质量电流传感器.2.2　间接电流控制

比较有代表性的间接电流控制方法是1988年J.W.DIXONB.T.OOI提出的相位幅值控制法[9].它是通过对桥臂端部电压ujn(j=a,b,c,它们是各桥臂中点相对于直流侧中点的电压,见图6)基波分量的相位和幅值控制间接实现功率因数可调和输入电流正弦,取消了滞环电流控制中用于电流检测的电流传感器和电流反馈环节,从而减少了元件量,降低了成本.对于图6所示的三相电压源型PWM变流器,根据功率因数角Υ为某一值的向量图7a,有下列关系:

同相分量

)ISUan1cos∆=US+(XSsinΥ-RScosΥ

(3)

　　正交分量

)ISUan1sin∆=(XScosΥ+RSsinΥ

(4)

由式(3),(4)可知,因为US,RS和XS都能够先从交流电路中测得,所以,只要控制每一相

端部电压得幅值Uan1和相角∆,即可得到运行在任何功率因数角Υ下所需的电流IS.端部电压可以通过对VT1～VT6进行SPWM控制得到,图10为间接控制(即相位幅值控制)的方框图.所需要的输入电流幅值IS基于直流电压Ud和电压Uref的误差式,这个信号和具有增益K1,K2和K3的比例放大器、乘法器、同相及正交波形发生器相结合产生调制信

第4期张纯江　等　高功率因数整流器的拓扑结构及控制策略327

号Vm,目的是使桥臂端部PWM脉冲电压中的基波分量满足要求.同相波发生器由跨接在A相电压变压器和滤波器组成,其输出为:

V

x

=2USsinΞt

正交波发生器由B相减去C相电压再乘以1󰃗3,其输出为:

V

y

=2UScosΞt

　　由上述可知,通过控制桥臂端部电压ujn1(Ubn1是PWM波ubn的基波分量)的幅值和相位可间接控制功率因数角,由于用SPWM对VT1～VT6进行控制可以使输入线电流为正弦波.

3　结束语正像许许多多新技术的发展一样,从技术的确立到真正的实用化,需要一个探索和完善过程.高功率

图10　间接电流控制系统框图

因数整流器技术近几年从拓扑结构到控制策略得到了迅速的发展,但直到目前,这种技术还不很完善,仍有许多工作要做:

1)开关器件的使用提高了成本,降低了可靠性.降低成本、提高可靠性是实用化的必由之路.

2)目前提出的电路拓扑结构大多为升压型,输出直流电压只能在输入电源峰值电压以上调节,这限制了它的应用.

3)功率器件在高电压、大电流、高频率下开关,一方面导致开关损耗非常大,另一方面产生了严重的电磁干扰,影响其它电子设备尤其是通讯设备的正常工作,因此,需要解决软开关下的拓扑结构和控制策略.

参考文献

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IndirectCurrentControlofaUnityPowerFactorSinusoidalCurrentBoostTypeThree2

～515.PhaseRectifier.IEEETrans.onInd.Elec.1988;35(4):508

TheTopologiesandtheControlStrategies

oftheHighPowerFactorRectifier

ZhangChunjiang

1)2)

211　WangYan　WuWeiyang　LiuYanmin

)

)

)

1)YanshanUniversity　2)HarbinInstituteofTechnology

Abstrac　InaAC󰃗DCconversioncircuitwithphasecontrolordioderectifying,thehar2monicsandthereactivepoweraregenerated.Sothepowerfactorislowandharmonics.Ahighpowerrectifiercanbedistortiononthevoltageandcurrentbecomesserioususedtoimprovethepowerfactorandreducethedistortion.somesuggestionsforthedevelopmentareproposed.Keyword　powerfactor,rectifier,harmonic

Inthispaper,itstopolo2

gies,operatingmodes,merits,drawbacksandcontrolstrategiesarereviewed,and