第四讲-PFC技术课件

4.0 输入功率因数定义输入功率因数定义q交流输入电流中除基波电流交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各外通常还含有各次谐波电流次谐波电流Isn（n2，3，4，）。qTHD的的定义：除基波电流外的所有谐波电流总定义：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有效值与基波电流有效值之比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD THD(Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion)4.0 输入功率因数定义（续输入功率因数定义（续1）SPPFAC/SSIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/(SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS输入功率因数输入功率因数PFPF（P Powerower F Factoractor）：交流侧电压与电流基波分量之间的相位角交流侧电压与电流基波分量之间的相位角11称为称为基波位移角基波位移角；基波功率因数基波功率因数 cos1cos1称为称为基波位移因数基波位移因数DPFDPF；基波因数：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。这时功功率。这时，定义：交流电源输入有功功率定义：交流电源输入有功功率P PAC AC 与其视在功率与其视在功率S S 之比，即之比，即4.1含有源功率因数校正环节含有源功率因数校正环节(PFC)的单相高频整流的单相高频整流4.1.1 4.1.1 谐波电流的危害及改善措施谐波电流的危害及改善措施4.1.2 4.1.2 含升压含升压(Boost)(Boost)型功率因数校正器的高频整流型功率因数校正器的高频整流4.1.3 4.1.3 带反激式功率因数校正器的高频整流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，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：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。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。直流输出电压只与交流输入电压有关而不能调控。(3)(3)为了得到输出可控的直流电压，可采用相控整流。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但脉动很大，且最低次谐波频率为2 2次谐波，需要很大的滤次谐波，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压。波器才能得到平稳的直流电压。(4)(4)在相控直流电压较低时电源功率因数低。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；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；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；会使线路和配电变压器过热，损坏电器设备；会引起电网会引起电网LC谐振；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、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；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倍的倍的3次次谐波电流谐波电流)，使中线过流而损坏；，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。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：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限制电网谐波电流相应的国际标准已经颁布实施国际标准已经颁布实施，如，如IEC-555-2，EN60555-2等，表等，表5.7给出了某一标准要求的谐波给出了某一标准要求的谐波电流限制值。电流限制值。表表5.7 AC-DC变流电路对输入端谐波电流的限制值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不控整流能使基波电流与交流电源电压基本同相，cos1=1，但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因数不高。710302谐波电流(以基波为基数)7次5次3次2次谐波阶次图5.35 AC/DC整流电路5.35(1)(1)附加无源滤波器附加无源滤波器 优点：优点：简单、成本低、可靠性高、电磁干扰简单、成本低、可靠性高、电磁干扰EMI小。小。缺点：缺点：体积、重量大，难以得到高功率因数体积、重量大，难以得到高功率因数(一般提高到一般提高到0.9左右左右)，工作，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电流并可能引发电路L、C谐振等。谐振等。在图示的整流器和电容之间在图示的整流器和电容之间接入一个滤波电感，或者在交流接入一个滤波电感，或者在交流侧侧并联接入并联接入LCLC滤波器。滤波器。采用采用两类技术措施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（续谐波电流的危害及改善措施（续4）图图5.36 含含升升压压型型(Boost)功功率率因因数数校校正正器器环环节节的的高高频频整整流流器器(2)附加有源功率因数校正器或采用高频附加有源功率因数校正器或采用高频PWM整流整流 含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为有源功有源功率因数校正率因数校正(Active Power Factor Correction)APFC。优点：优点：功率因数高，功率因数高，THD小；小；可在宽范围输入电压可在宽范围输入电压 下工作；下工作；体积、重量轻；体积、重量轻；输出电压恒定。输出电压恒定。不足不足:单向的单向的PWM整流。整流。4.1.2 含升压含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流型功率因数校正器的高频整流图图5.36 含含升升压压型型(Boost)功功率率因因数数校校正正器器环环节节的的高高频频整整流流器器主电路：主电路：1)单相桥式不控整流器单相桥式不控整流器2)Boost变换器变换器控制电路控制电路：1)电压误差放大器电压误差放大器VAR2)电流误差放大器电流误差放大器CAR3)乘法器乘法器4)比较器比较器C5)驱动器驱动器6)其它相关电路其它相关电路 4.1.2 含升压含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流型功率因数校正器的高频整流（续（续1）含有一个含有一个Boost Converter，实，实现升压式现升压式 DCDC的变换；的变换；控制电路由一个电压外环和一控制电路由一个电压外环和一个电流内环构成；个电流内环构成；升压电感中的电流受到连续监升压电感中的电流受到连续监控和调节，使之能跟随整流后控和调节，使之能跟随整流后 正弦半波电压波形。正弦半波电压波形。电路特点：电路特点：4.1.2 含升压含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流型功率因数校正器的高频整流（续（续2）有源功率因数校正的控制思想有源功率因数校正的控制思想思路思路: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。到改善功率因数的目的。BoostAPFC原理电路原理电路 T导通时导通时，二极管电流为，二极管电流为零，零，|iS|=iL=iT；T断开时断开时，|iS|=iL=iD，具有高频纹波的输入电流具有高频纹波的输入电流iS经经很小的很小的LC滤波后即可得到正滤波后即可得到正弦波电流。弦波电流。4.1.2 含升压含升压(Boost)型功率因数校正器的高频整流型功率因数校正器的高频整流（续（续3）Boost型功率因数校正器型功率因数校正器(APFC)的主要优点的主要优点(1)输入电流连续，电磁干扰输入电流连续，电磁干扰EMI小。小。(2)有输入电感有输入电感L，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电，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。网对主电路高频瞬态冲击。(3)开关器件开关器件T的电压不超过输出电压值。的电压不超过输出电压值。(4)(4)有许多集成控制电路芯片可供设计者选用。有许多集成控制电路芯片可供设计者选用。缺点缺点(1)输入、输出间没有绝缘隔离输入、输出间没有绝缘隔离(2)Boost APFC适用于适用于1kW2kW以下以下的负载的负载4.1.3 带反激式功率因数校正器的高频整流带反激式功率因数校正器的高频整流图图5.37 带反激式功率因数校正器环节的高频整流器带反激式功率因数校正器环节的高频整流器T导通导通时时,Vdc加在变压器原方绕组等效电感加在变压器原方绕组等效电感L1两端，两端，i1从零上升到从零上升到ip，电感，电感储能，二极管储能，二极管D阻断，阻断，i i2 2=0=0。T截止截止时，时，i i1 1=0=0，电感，电感L2释放磁能，释放磁能，D导电，导电，i i2 2向向C充电并向负载供电。充电并向负载供电。反激式电路反激式电路4.1.3 带反激式功率因数校正器的高频整流带反激式功率因数校正器的高频整流（续（续2）工作模式为工作模式为不连续导电模式不连续导电模式DCM，双，双 半波正弦虚线为电流峰值半波正弦虚线为电流峰值iP的包络线。的包络线。I I1 1 为两个近似的正弦半波，为两个近似的正弦半波，is s为一个近似的正弦波。脉动频率很高，经不为一个近似的正弦波。脉动频率很高，经不大的大的L、C滤波器即可将滤为正弦电流。滤波器即可将滤为正弦电流。4.2 三相三相PFCq4.2.1 几种典型的三相几种典型的三相PFCq4.2.2 三相高频三相高频PWM整流整流222bNaNcNiii22231 baaNiii4.2.1 几种典型的三相几种典型的三相PFC12脉波整流电路脉波整流电路2222bNaNaaNiiii3/322121baaNaNaNAiiiiii ttttItidA23sin23113sin13111sin111sin34原方原方A A相电流应为相电流应为：除基波外，仅含除基波外，仅含12K12K 1 1（K=1K=1，2 2，3 3）次电流谐波。最低次电流谐波为）次电流谐波。最低次电流谐波为1111次。而三相桥次。而三相桥6 6脉波整流电路交流电源中含有脉波整流电路交流电源中含有6K6K 1 1次谐波电流，最低次次谐波电流，最低次谐波电流为谐波电流为5 5次。次。三相单开关三相单开关PFC优点：优点：1.引入引入boost变换器变换器(Lb,Qb,Db)后，功率因数提高。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控制简单，成本较低，采用较小的滤波器就可滤除高次谐波。高次谐波。缺点缺点:电压、电流应力大；只能工作于电压、电流应力大；只能工作于DCM模式，模式，5次谐波大。次谐波大。要提高功率因数，须提高直流电压。要提高功率因数，须提高直流电压。三个单相三个单相PFC组成三相组成三相PFC优点：优点：1.可利用单相比较成熟的可利用单相比较成熟的PFC技术，由三个单相技术，由三个单相PFC同时供电，控制简单。同时供电，控制简单。缺点缺点:元器件较多，成本高。元器件较多，成本高。三相六开关三相六开关PFC电路电路q 优点：优点：(1)将交流电源输入电流控将交流电源输入电流控 制为畸变很小的正弦化制为畸变很小的正弦化电流，且功率因数可接近于电流，且功率因数可接近于1。(2)体积、重量可以大大地减少。体积、重量可以大大地减少。(3)动态响应速度显著提高。动态响应速度显著提高。q 缺点：缺点：开关管数量多，控制较为复杂。开关管数量多，控制较为复杂。图图 5.40 三三相相PWM整整流流器器PWM开关模式整流器被称为开关模式整流器被称为PWM整流器。整流器。按是否按是否具有能量回馈功能分为：具有能量回馈功能分为：1、无能量回馈功能的、无能量回馈功能的PWM整流器整流器(PFC-Power Factor Correction)：例如，上节介绍的单相：例如，上节介绍的单相PWM整整流器。流器。2、具有能量回馈功能的开关模式整流器、具有能量回馈功能的开关模式整流器(Reversible SMR)：如本节将要介绍有能量回馈功能的三相：如本节将要介绍有能量回馈功能的三相PWM整流器。整流器。4.2.2 三相高频三相高频PWM整流整流21图图5.38 单相半桥单相半桥PWM整流器整流器图图5.39 单相全桥单相全桥PWM整流器整流器图图5.40 三相三相PWM整流器整流器除要有输入电感，除要有输入电感，PWM整流器的主电路结构和逆变器一样。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，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交流侧的电压是和逆变器输出电压类似的SPWM电压波。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入电感L，产生正弦输入电流。，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。的输入电流，并使直流电压保持为给定值。224.2.2.1 能量可回馈型的能量可回馈型的PWMPWM整流器主要特点整流器主要特点 通常交流电感通常交流电感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，因此这种高频于交流电源电压峰值，因此这种高频PWM整流是升压变换。整流是升压变换。高频高频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。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。流器控制也有很多相近的地方。23244.2.2.2 交流交流/直流双向直流双向PWM变换器工作原理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，电流为 ia、ib、ic，如果交流电源电压为：，如果交流电源电压为：式中式中Vs为交流电源相电压有效值。则理想的交流为交流电源相电压有效值。则理想的交流-直流变换直流变换应该是：应该是：tVtvSSasin2)()120sin(2)(tVtvSSb)120sin(2)(tVtvSSc)sin(2)(tItiSa)120sin(2)(tItiSb)120sin(2)(tItiSc式中式中Is是交流电源流入双向变换器的电流有效值，是交流电源流入双向变换器的电流有效值，是是 滞后滞后 的的功率因数角。功率因数角。25)-sin(2)(tVtViia)-120-sin(2)(tVtViib)-120sin(2)(tVtViic理想的三相桥变换器交流侧相电压为理想的三相桥变换器交流侧相电压为26XI jVVSiSqSiidXIVFHOHOFVVcosdiiqXIFEVVsinsin/)cos(/)(SiSidSqIXVVXVVIcossinSiiqdIXVXVI复数功率的定义是：电压矢量复数功率的定义是：电压矢量 与电流共轭矢量与电流共轭矢量 的乘积：的乘积：因此因此 得到交流电网输入到变换器的有功功率得到交流电网输入到变换器的有功功率P和无功功率和无功功率Q：SV*SIqdSjIIIqdSjIII*qSdSqdSSSIVjIVjIIVIVjQPS33)(33*XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33XVVVIVIVQiSSSSqScos3sin3327当电压当电压Vi数值较大数值较大，以致，以致 VicosVs时，则时，则Iq为负，为负，Q为负，即交为负，即交流电源向流电源向AC/DC变换器变换器输出容性输出容性(超前超前)无功电流、无功功率无功电流、无功功率。当电压当电压Vi较小较小，VicosVs时，时，Iq为正，为正，Q为正，即交流电源向为正，即交流电源向AC/DC变换器输出感性变换器输出感性(滞后滞后)无功电流、无功功率。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。iVSViVSV28F两个交流电源之间的有功电流、有功功率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总是从相位超前的电源流向相位滞后的电源；源流向相位滞后的电源；F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电流和感性无功功率Q。F若负载阻抗一定，输出直流电压若负载阻抗一定，输出直流电压VoVo的大小取决于输入的有功功率的大小取决于输入的有功功率P与负载消耗，增大与负载消耗，增大P，Vo升高，反之，升高，反之，Vo降低，调节有功功率降低，调节有功功率P也就调节控制了也就调节控制了Vo。F综上，变换器就是一个理想的综上，变换器就是一个理想的 AC-DC双向功率变换器。双向功率变换器。29结论：结论：三相电压型高频三相电压型高频PWM整流器整流器中中6个开关器件个开关器件T1T6进行类似于进行类似于第第4章三相章三相SPWM逆变器的通、断控制。逆变器的通、断控制。令令T1T6 SPWM控制的调制参考波频率控制的调制参考波频率fr等于交流电源等于交流电源Vsa、Vsb、Vsc 的频率的频率f fs，Via、Vib、Vic中的谐波频率则由中的谐波频率则由T1T6 SPWM控制的高频载波频率控制的高频载波频率f fC 决定，决定，Via、Vib、Vic中的高次谐波频率很中的高次谐波频率很高。高。304.2.3 三相电压型高频三相电压型高频PWM整流控制系统整流控制系统 1 1、电容器、电容器C上的直流电压必须恒定，因此采用上的直流电压必须恒定，因此采用电压闭环控制电压闭环控制。由由PI型电压误差调节器型电压误差调节器VR的输出作为的输出作为有功电流指令值有功电流指令值，再根，再根据所要求的功率因数角，据所要求的功率因数角，得到得到无功电流指令值无功电流指令值 进而进而得到双向变换得到双向变换器交流侧基波电压指令值，根据三相器交流侧基波电压指令值，根据三相SPWM调制原理，调制原理，形成形成6个开个开关器件的通断信号，得到所需的交流电压关器件的通断信号，得到所需的交流电压 。2 2、当、当整流负载或直流电压指令值改变时整流负载或直流电压指令值改变时，则有功电流指令值，则有功电流指令值改变，从而改变交流电源送入变换器的有功电流、有功功率。改变，从而改变交流电源送入变换器的有功电流、有功功率。3 3、在、在交流电源电压和直流负载任意变化时交流电源电压和直流负载任意变化时，这种电压闭环控，这种电压闭环控制可使直流输出电压维持恒定，制可使直流输出电压维持恒定，同时同时 相位角相位角也保持为指令值也保持为指令值。iV31