【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 部都需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)化為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于一些非線形元件的存在，導(dǎo)致輸入電流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴(yán)重畸變，包含大量諧波。而諧波的存在，不但降低了輸入電路的功率因數(shù)，而且對(duì)公共電 力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，造成嚴(yán)重的電路故障。正因?yàn)槿绱嗽S多國(guó)家制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以限制諧波電流的含量。例如 IEC 5552﹑ IEC 6100032﹑ EN 605552﹑ GB/T 45491993 等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了允許用電電氣設(shè)備產(chǎn)生的最大諧波電流。由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)消除諧波電流和提高功率因數(shù)有非常重要的意義。 另外， 功率半導(dǎo)體制造技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制理論的不斷進(jìn)步，帶來(lái)了電力電子技術(shù)在器件應(yīng)用上和能量變換應(yīng)用上的日趨成熟，從而也引發(fā)了電源系統(tǒng)的歷史性革命，使得 高頻開(kāi)關(guān)電源取代傳統(tǒng)線形電源成 為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì) ，尤其是大型通訊基站、發(fā)電廠、變電所等應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)大容量的直流電源系統(tǒng)的功率密度和系統(tǒng)的可靠性也提出了越來(lái)越高的要求。 我國(guó)通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了通信電源的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源在通信系統(tǒng)中處于核心地位，并已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。傳統(tǒng)的可控硅相控穩(wěn)壓電源不僅體積龐大，重量 笨重， 而且輸出紋波大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，效率低，已不能滿(mǎn)足通信高頻開(kāi)關(guān)電源以其效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)已逐漸取代可控硅相控穩(wěn)壓電源。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化，因而需要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓 撲結(jié)構(gòu)，這就對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù) 提出了更高的要求。 分析可知， 輸入電流波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，含有大量的諧波，雖然三相不可控整流電路的相移因子 cosφ1近似為 1，但畸變因子 υ很低，使得總的功率因數(shù) PF=υcosφ1很低，一般為 —。而晶閘管相控整流電路的相移因子 cosφ1比不可控整流時(shí)低，輸入電流畸變程度更大，功率因數(shù) PF 值比不可控整流電路更低。因此，整流電路尤其是三相整流電路的功率因數(shù)的提高對(duì)治理電網(wǎng)的諧波提高供電電能質(zhì)量具有重要的意義。 2 1 功率因數(shù)在電源變換系統(tǒng)中的意義 功率因數(shù) 在電源變換系統(tǒng)中的意義 伺服電源系統(tǒng)之典型結(jié)構(gòu)框圖 圖 1 伺服電源系統(tǒng) 的 典型結(jié)構(gòu)框圖 伺服電源系統(tǒng)主要由整流器， PFC 變換器， DCDC 轉(zhuǎn)換器，輸出系統(tǒng)，數(shù)字控制器和光學(xué)耦合器等器件組成，其中，在眾多的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器中，近年來(lái)出現(xiàn)的高頻整流器與傳統(tǒng)的不可控整流與相控整流相比，具有功率因數(shù)高，輸出電壓波紋小，電能可以雙向流動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，而成為研究的熱點(diǎn)。 低功率因數(shù)的幾種原因 情形一 有相移的正弦電流 情形二 無(wú)相移的非正弦電流 3 情形三 有相移的非正弦電流 圖 2 低功率因數(shù)波形圖 如圖 2 所示，產(chǎn)生的電流分別為：有相移的正弦電流，無(wú)相移的非正弦電流，有相移的非正弦電流。 功率因數(shù) PF 的完全定義 PF 表示為有功功率 Pa 與視在功率 Ps 之比： PF = Pa / Ps。 （ 1） 有功功率 Pa：實(shí)際消耗電能。 （ 2） 無(wú)功功率 Pr：未作功電能。 （ 3） 視在功率 Ps： 有功功率 Pa 與 無(wú)功功率 Pr 的矢量和。 即可知， PF = Pa / Ps= Pa / (Pr+ Pa)。 提高功率因數(shù)的意義 諧波電流的危害 諧波電流可能會(huì)引發(fā)器件的誤動(dòng)作 ， 干擾相鄰的電子電氣設(shè)備 ， 導(dǎo)致變壓器和電機(jī)等相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象 。 實(shí)際成本的加大 （ 1） 雖然，電力公司只依據(jù)有功功率收費(fèi)，但是低功率因數(shù)往往會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)費(fèi)用增大發(fā)電廠、電力傳輸和電力分配設(shè)備的容量更大。 （ 2） 電力傳輸，分配的損耗加大。 （ 3） 過(guò)熱，諧波電流沖擊導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短 （ 4） 用戶(hù)端的設(shè)備，器件容量更大 能量損耗增大 （ 1） 幾乎所有元器件皆消耗能量更大的等效電流與峰值電流 （ 2） 不做功器件也消耗能量無(wú)功能量返送至電網(wǎng) 4 （ 3） 電 力傳輸與電力分配 改善功率因數(shù) 功率因數(shù)校正的目標(biāo) 合格的功率因數(shù)校正器具備以下特征： （ 1） 能調(diào)節(jié)輸入電流，并使相位和波形與輸入電壓保持一致，即：減小電流各諧波分量，改善 THD，減小無(wú)功功率的往返，降低器件額定電流的標(biāo)準(zhǔn) （ 2） 可調(diào)節(jié)輸出電壓 （ 3） 符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，法規(guī) （ 4） 降低運(yùn)行成本 （ 5） 系統(tǒng)損耗低 （ 6） 視在功率的利用率高 PFC 的實(shí)現(xiàn) （ 1） 無(wú)源 PFC： 主要由無(wú)源元件組成 ，分為 電感續(xù)流型 ， 電容倍壓型 。 （ 2） 有源 PFC：分為 模擬有源 PFC， 數(shù)字有 源 PFC 由于，無(wú)源 PFC 存在適用于功率應(yīng)用，通用性不高，體積大，重量大， PF 改善性能有限等缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)，選擇有源 PFC 電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 有源 PFC 之功能框圖 圖 3 有源 PFC 結(jié)構(gòu)圖 PFC 所用關(guān)鍵元件有：功率開(kāi)關(guān)管，電容，電感，二極管。 選擇合適的 PFC 拓?fù)潆娐? 三 相單開(kāi)關(guān)型有源 PFC 電路是在二極管整流電路后接六種基本電力電子變換電全橋整流 PF 調(diào)節(jié)方式 負(fù)載 PFC 控制器 Vac Lac PWM Vdc 交流 輸入 5 路中的任一種（如 Boost、 Buck 電路等）而構(gòu)成，由于升壓型 Boost 電路具有獨(dú)特 的優(yōu)點(diǎn)，采用升壓型 PFC 電路是一種總的趨勢(shì)，也是研究的重點(diǎn)，其它的電路應(yīng)用較少。單開(kāi)關(guān)型電路只采用一個(gè)有源開(kāi)關(guān)管，在電感電流連續(xù)模式（ CCM）下要通過(guò)對(duì)一個(gè)開(kāi)關(guān)的控制使三相電流均為 正弦波且和電壓同相位是很困難的，因此該電路只能在 DCM 模式下才能實(shí)現(xiàn) PFC。 已知 三相 Boost 型 PFC 主電路拓?fù)?， 工作原理是通過(guò)有源開(kāi)關(guān) S 的通斷，對(duì)每相的激磁電感 L 以及電容 C 進(jìn)行充放電，控制輸入電流。對(duì)開(kāi)關(guān) S 進(jìn)行 PWM 控制，即可使每一相的輸入電流波形近似為正弦波。由于輸入電流變化的斜率正比于對(duì)應(yīng)時(shí)刻的輸入電壓，因此輸入電流自動(dòng)跟 蹤輸入電壓，控制上采用開(kāi)環(huán)即可實(shí)現(xiàn) PFC。 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較 如下表所示： 表 1 PFC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較 電路類(lèi)型 輸出電壓屬性 有無(wú)失真 電感電流屬性 降壓型 正極性 有 不連續(xù)型 升壓型 正極性 無(wú) 連續(xù)型 混合型 負(fù)極性 有 不連續(xù)型 2 電路結(jié)構(gòu)及其控制原理的相 量 分析 主電路結(jié)構(gòu) 高頻整流器的基本工作原理是 :通過(guò)控制整流橋臂上各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電路的輸入電流近似為正弦，并且使其與愉入電壓同相位。 高頻整流器主電路結(jié)構(gòu) 高頻整流器主電路結(jié)構(gòu)如圖 4 所示 。 6 圖 4 高頻整流器主電路 由圖 4 可以看出，其主電路結(jié)構(gòu)與逆變器的主電路結(jié)構(gòu)是相同的。本文僅就整流方面進(jìn)行分析研究。從整流橋的左側(cè)向右看 a， b兩端應(yīng)等效為一交流源 uab。 主電路原理等效 電路 高頻整流器主電路結(jié)構(gòu)的等效原理圖如圖 5 所示 。 圖 5 等效原理圖 高頻整流器主電路結(jié)構(gòu)的等效原理 向量 圖如圖 6 所示 。 7 圖 6 相量關(guān)系圖 根據(jù)圖 5 中所示的各相 量 之間的關(guān)系可以得出，能夠滿(mǎn)足該直角三角關(guān)系即為整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為 1 的必要條件，設(shè)整流橋直流翰出電壓為 Uo，調(diào)制信號(hào)的調(diào)制比為 m， 則由相 量 圖可得 : uabm * cosa = uam (1) uabm = m * Uo (2) 由式 ( 1) ,(2)得 : m * cosa = uam / Uo (3) 式 ( 3) 即 為整流橋穩(wěn)態(tài)抽出時(shí)功率因數(shù)為 1 的充分必要條件。在此式中，共有四個(gè)變 量 ，因此，若想在穩(wěn)定輸出的 前提下使功率因數(shù)等于 1,就必須協(xié)調(diào)控制 m 和cosa。 為分析方便，首先假設(shè)電路中各元器件均為理想器件， 輸 入交流像為理想電源，輸入電流與抽入電壓同相。 設(shè)負(fù)載為 R，直流翰出電壓和電流分別為 Uo， Io,則根據(jù)輸人翰出功率平衡的原則，電路的輸人功率 Pi 應(yīng)該與輸出功率 Po 相等，即 Pi=Po。 又因?yàn)?: Pi = ui * ilm / 2 (4) Po = U o * I o (5) 所以 ， ilm =2 Po / usm (6) 令 k= tga，它與輸出電壓的平方成正比，而與負(fù)載和翰人電壓均值的平方分別成反比。圖 6 所示的相量圖可用圖 7 表示。 圖 7 m 和 a 關(guān)系 相量圖〔圖中各相量單位為 usm.) 8 主電路向量分析 由相 量 圖可以看出，當(dāng)輸入電壓穩(wěn)定且負(fù)載恒定時(shí) .如果輸出電壓發(fā)生波動(dòng)。 k將隨之變化，從而導(dǎo)致相量 uabm的矢端在直線 AC 方向上移動(dòng)。設(shè) uabm的矢端已移動(dòng)到 B 點(diǎn)，因此，如果將 k 中的 Uo 強(qiáng)制為規(guī)定值 .即 k 取為對(duì)應(yīng)一定輸出功率的固定值 .相 量 uabm 的矢端從 B 點(diǎn)強(qiáng)行拉到 C 點(diǎn)，從而滿(mǎn)足了功率因數(shù)等于 1 時(shí)調(diào)制信號(hào)的相移條件。在此 基 礎(chǔ)上，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制比 m就可以使抽出電壓 達(dá)到穩(wěn)定值。 設(shè)額定輸出時(shí)的調(diào)制比為 me，實(shí)際檢測(cè)電壓和電流為 Uce,Ice ,額定輸出電壓和電流為 Uce , Ice 則 : Uabm = m * Uoc = me * Uoe (7) 從上式可知，當(dāng) k 值固定后 ，調(diào)制比 m與實(shí)際輸出電壓 Uoc 成反比。 根據(jù)前面的分析結(jié)果可以看出，在高頻整流器的相量三角形中，只要使其兩邊固定，則第三邊也將被迫為定長(zhǎng)。因此，如果高頗整流器的輸入電壓為一定值時(shí)，只要使 k 的值固定，那么在功率因數(shù)等于 1的前提下。 a,b 兩端的電壓就等于固定值，式 (1)一式 (7)就是實(shí)現(xiàn) m 和 cosa的方程式。 為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)及波形校正，輸入電感 Li(a,b,c)必須選得足夠大，確保在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流保持不變；校正電容 Ci(a,b,c)必須選得足夠小，并保證校正電容工作在電壓不連續(xù)工作方式下 (DVM)，且 根據(jù)負(fù)荷和電源的變化來(lái)控制開(kāi)關(guān)頻率。在每一開(kāi)關(guān)周期，校正電容電壓的充電速度與線電流成正比，盡管電容放電時(shí)并不是線性的，但同電感輸入 PFC 比較，電容放電速度比電感去磁速度快、時(shí)間短，這使得三相電源電流更依賴(lài)電容電壓峰值。以 A 相分析為例，在基本假設(shè)條件下，由于開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波頻率，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流 ia恒定不變。在開(kāi)關(guān) S關(guān)斷期間，校正電容 Cia在 ia 的作用下線性充電，電容 Cia 儲(chǔ)能。充電結(jié)束時(shí)，校正電容 Cia 上電壓峰值與電源電壓瞬時(shí)值成正比。一