雙開關(guān)三相四線PFC電路的研究

1、第22卷第2期電工電能新技術(shù)曹建安,裴云慶,王兆安,卓 放,董曉偉(西安交通大學(xué),陜西西安710049)摘要:提出了一種雙開關(guān)三相四線功率因數(shù)校正拓?fù)潆娐?該電路能夠提高電力電子裝置的功率因數(shù),減少裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,滿足或者接近相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn);降低三相PFC的復(fù)雜性,降低制造成本,達(dá)到實(shí)用化的要求。本文敘述了該電路拓?fù)涞墓ぷ髟砗涂刂品椒?最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證該電路的正確性。關(guān)鍵詞:雙開關(guān);三相四線;功率因數(shù)校正;諧波中圖分類號(hào):TM46;TN35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003 3076(2003)02 0034 041 引言電力電子裝置產(chǎn)生的大量諧波,對(duì)電網(wǎng)造成了極大的危害。國(guó)際

2、和國(guó)內(nèi)有關(guān)部門已經(jīng)對(duì)此類設(shè)備的輸入諧波電流作了相關(guān)規(guī)定,明確提出了諧波標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于單相電源的電力電子設(shè)備,抑制其產(chǎn)生諧波的功率因數(shù)校正PFC技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,而且已經(jīng)實(shí)用化。然而,三相電力電子裝置在電網(wǎng)中應(yīng)用得比較廣泛,其相應(yīng)的PFC技術(shù)還是國(guó)際上一個(gè)熱門的研究課題。目前比較成熟的三相有源PFC技術(shù)主要有:單開關(guān)三相PFC、六開關(guān)三相高頻整流器和多開關(guān)PFC電路。但是,這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在著以下制約因素:制造成本高、控制復(fù)雜、可靠性比較低、體積比較大等。在國(guó)際上,對(duì)三相PFC技術(shù)研究比較多的主要有雙開關(guān)三相PFC以及相關(guān)的諧波注入技術(shù)。本文提出了一種適用于三相四線的雙開關(guān)PFC拓?fù)潆娐?主要

3、是應(yīng)用在對(duì)諧波要求不嚴(yán)格而且有中性線的場(chǎng)合。該拓?fù)鋵V波電感放在了交流輸入側(cè),能夠采用較低的成本和簡(jiǎn)單的控制方案,提高整流裝置的功率因數(shù),降低輸入電流的諧波含量,滿足相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。13示。三相輸入電源為ua、ub、uc,D1D6為工頻三相整流橋,D7和D8為高頻隔直二極管,M1和M2為兩個(gè)開關(guān)管,La、Lb、Lc為三相的濾波電感,兩個(gè)輸出電容C1和C2串聯(lián),其中點(diǎn)和開關(guān)管的中點(diǎn)一起連接到輸入的中性線。由于中性線的存在,三相電源的正半周和負(fù)半周可以獨(dú)立工作,而且工作原理也完全相同,因此只研究正半周的工作過(guò)程即可。在對(duì)圖1的三相PFC電路進(jìn)行分析之前,先討論在一個(gè)開關(guān)的控制作用下,兩個(gè)電壓源并聯(lián)

4、的BOOST電路工作狀況。圖1 雙開關(guān)三相四線PFC電路Fig.1 3 phase4 wirePFCcircuitusingtwoswitches2 雙開關(guān)三相四線PFC電路的提出及其工作原理本文提出的雙開關(guān)三相四線PFC電路如圖1所收稿日期:2002 09 05基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50007007)2 1 兩個(gè)電壓源并聯(lián)的BOOST電路工作分析如圖2所示的兩個(gè)電壓源并聯(lián)的BOOST電路,其輸入電壓為u1和u2,且u1>u2,通過(guò)升壓電感L1、L2和二極管D1和D2并聯(lián),控制只有一個(gè)開關(guān)M。電感L1=L2=L,負(fù)載為RL,輸出電壓為uo。這作者簡(jiǎn)介:曹建安(1971 ),

5、男,陜西籍,博士,主攻開關(guān)電源和功率因數(shù)校正技術(shù)的研究;),第2期曹建安,等:雙開關(guān)三相四線PFC電路的研究(3)L2截止階段(d+d1)TS,TS35個(gè)電路的工作狀態(tài)可以分為三個(gè)階段描述:(1)M導(dǎo)通階段;(2)L2續(xù)流導(dǎo)通階段;(3)L2截止階段。在t=(d+d1)TS時(shí)刻,L2續(xù)流截止,L1繼續(xù)續(xù)流,直到開關(guān)周期TS結(jié)束。該階段的L1電流的續(xù)流時(shí)間為(1-d-d1)TS。對(duì)于電感L1和L2分別在(1)、(2)和(3)階段的工作狀態(tài),根據(jù)電感伏 秒積相等的原則,可求出該階段占空比d和電感續(xù)流階段d1分別為:圖2 兩個(gè)BOOST并聯(lián)電路Fig.2 Parallelcircuitwithtwo

6、BOOSTd=uo-u1uo(1)(2)(1)M導(dǎo)通階段0,dTS設(shè)在t=0時(shí)刻,開關(guān)管M導(dǎo)通。電壓源u1和u2各自通過(guò)電感L1和L2短路到地,其等效電路如圖3(a)所示,設(shè)開關(guān)周期為TS,控制占空比為d。L1和L2的電流波形分別如圖4(a)和4(b)的0,dTS區(qū)間所示,電感L1和L2的電流在該區(qū)間都開始線性增加。u2d1=u-u do2設(shè) i1!TS為L(zhǎng)1在一個(gè)TS期間的平均電流, i2!TS為L(zhǎng)2一個(gè)TS期間的平均電流。則L2的平均電流 i2!TS為:i2!TS=u21(d+d1) dTS 2L2(3)將式(1)的d1代入式(2),且令:Re(d)=,化簡(jiǎn)可得:d(t) TSu2uoi2

7、!TS=R(d) u-ueo2(a)M導(dǎo)通0,dTS(b)M斷開dTS,d1TS等效電路等效電路圖3 一個(gè)開關(guān)周期的等效電路Fig.3 Equivalentcircuitinaswitchperiod(4)設(shè)該變換器的器件都是理想器件,沒有功率損耗。在穩(wěn)態(tài)情況下,一個(gè)開關(guān)周期的輸入平均功率總是和輸出功率相等。則有:uoi1!TS u1+ i2!TS u2=RL(5)式中,等號(hào)左邊為該電路的輸入功率,由兩部分組成,一部分是電源u1提供的功率,另一部分是由u2提供的輸入功率。其中,u2的輸入平均電流由式(3)可得。將式(3)代入式(4),可得u1的輸出電流 i1!TS為:u2uouoi1!TS=-

8、 u2u1RLRe(d)uo-u2圖4 L1和L2的電流波形Fig.4 CurrentwaveformsofL1andL2(6)2 2 雙開關(guān)三相四線PFC原理分析對(duì)于本文提出的圖1的電路,設(shè)輸出電壓為uo,輸出負(fù)載為R1。設(shè)三相電源a、b、c的輸入電壓為ua、ub、uc,有效值為Urms,周期為T(頻率為f=1 T),角頻率為 ,三相輸入電流為ia、ib、ic,設(shè)輸出功率為Po,則輸入電壓可以表示為式(7)。a=b=2 Urms sin( t)2 Urms sin( t-2 3)rms t+(7)(2)L2續(xù)流導(dǎo)通階段dTS,(d+d1)TS在t=dTS時(shí)刻,M關(guān)斷,u1、u2和L1、L2共

9、同向負(fù)載提供能量,其等效電路如圖3(b)L1和L2的電流開始下降,設(shè)其持續(xù)時(shí)間為d1TL1的電流如圖4(a)dTS,(d+d1)TS區(qū)間所示,S,d+d1TS36 電工電能新技術(shù)將式(8)和(9)代入上式,可得Ip:P2P2IP=0 999 U#Urmsrms第22卷如圖5所示的三相電壓ua、ub、uc波形,實(shí)線為a相電壓波形,點(diǎn)劃線為b相電壓波形,虛線為c相電壓波形。將每一相電壓的正半周分為6個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間為 6的寬度,并以每一相的正向過(guò)零點(diǎn)為起始點(diǎn),將每個(gè)區(qū)間的變量下標(biāo)分別用16個(gè)數(shù)字表示。圖5所示的波形是以a相電壓的正向過(guò)零點(diǎn) t=0為起始時(shí)刻。對(duì)于三相電壓完全對(duì)稱,a(11)a相在0

10、, 6的電壓和電流波形與c相在6, 3區(qū)間的波形完全對(duì)稱,那么,c相在 6, 3區(qū)間輸出的功率P1應(yīng)該和a相在0, 6區(qū)間輸出的功率相等。因?yàn)閍相的電流工作在斷續(xù)狀態(tài),一個(gè)開關(guān)周期的電流平均值代表該a相在工頻周期的瞬時(shí)值。設(shè)a相在該區(qū)間一個(gè)開關(guān)周期的平均電流為 ia1!TS,則該階段的輸出功率為:P1=u6aia1!TSd t(12)a相在0, 6區(qū)間的電壓小于c相電壓,開關(guān)管的占空比受c相電壓控制。令式(5)和式(6)中圖5 三相輸入電壓波形Fig.5 3 phaseinputvoltagewaveformu1=uc,u2=ua,且輸出電壓為uo 2。于是求出c相在該階段的占空比dc5和a相

11、電流的續(xù)流時(shí)間da1分別為:dc5=uo-2uc2ua和da1= dc5uouo-2ua相電源在0, 6區(qū)間內(nèi)的輸出功率和c相電源在 6, 3區(qū)間輸出功率相等。在三相電源一個(gè)0,2 波形周期的6個(gè) 3區(qū)間的輸出功率也都相等。中性線將輸出電壓解耦成獨(dú)立的正半周和負(fù)半周,而且正、負(fù)半周在每個(gè) 3區(qū)間的輸出功率也相等。2所以,如果設(shè)該整流器的輸出功率為Po=uo RL,則三相電源在區(qū)間 6, 2的輸出能量為TPo 6,其中c相電源在 6, 3區(qū)間輸出的平均功率為P1,a相電源在 6, 2區(qū)間輸出的平均功率為P2。那么,該區(qū)間正半周如圖5所示陰影部分輸出能量為:P+P=P1216212o于是可得式(8

12、)P1+2P2=Po(8)如果采用輸入電流跟蹤輸入電壓的控制方案,并且以每一相的電流作為反饋信號(hào)。a相電壓在正半周的 6,5 6區(qū)間最高,根據(jù)上文2.1所述的工作原理可知,此階段a相電流完全可控成正弦波。設(shè)a相在25區(qū)間一個(gè)開關(guān)周期的平均電流為 ia25!TS,則有:ia25!TS=Ipsin( t)(9)式中Ip為輸入電流的峰值。由于三相電源對(duì)稱,三相輸入電流峰值相等,都為Ip。該階段的輸出功率為:P2= 于是,根據(jù)式(4)可以求出a相在0, 6區(qū)間任意時(shí)刻一個(gè)開關(guān)周期的平均電流 ia1!TS為:ia1!TS=式中Rea1=c5uauoRea1uo-2ua(13),為a相在該階段的等效電阻。

13、d TS將式(7)中a相的電壓表達(dá)式和上式a相的平均電流代入式(12),可求出a相在該階段輸出的功率P1。在式(8)中,輸出功率Po是已知的,P1已經(jīng)知道,P2就可以獲得,再根據(jù)式(11),Ip就可以解出,即:IP=PoP1-Urms22(14)在a相5 6, 區(qū)間,其控制原理和工作過(guò)程與0, 6區(qū)間相似,只是用b相電壓代替c相電壓。由于三相是對(duì)稱的,a相在5 6, 區(qū)間輸出的功率也應(yīng)該為P1,由式(12)可知,a相在5 6, 區(qū)間的電流 ia6!TS為:ia6!TS=其中,Rea6(d)=b2uauoRea6(d)uo-2ua(15)uo-2ub,且db2=uod(t) TS2ua ia25

14、!TSd t /(10)同理,三相電壓在負(fù)半周的工作原理和上述正第2期曹建安,等:雙開關(guān)三相四線PFC電路的研究37相電壓在正半周的一樣。仍以a相電流為例,a相的輸入電流可以表示為:if 0 t<6Ip sin( t)if t< 66if t< ia6!TS6-ia( t- )if t<2 ia1!TSia( t-2 )if 2 t(16)流波形基準(zhǔn),或者說(shuō),電流波形基準(zhǔn)已經(jīng)含有一定的諧波。這樣,無(wú)論怎么控制,輸入電流肯定含有諧波,但是,這種控制方案比較簡(jiǎn)單,并且,該諧波含量能夠接近IEC的有關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)。ia( t)=3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在輸入相電壓有效值為80VAC、輸出

15、電壓為220VDC、輸出電流為6A的情況下,對(duì)該電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到如圖6的輸入電流波形。圖7 a相電流頻譜Fig.7 A phasecurrentfrequencyspectrum4 結(jié)論從以上分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文提出的雙開關(guān)三相四線PFC拓?fù)渲麟娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只使用兩個(gè)開關(guān)管;控制簡(jiǎn)單?？刂品桨负蛦蜗郟FC原理基本一致,均采用平均電流控制,并使輸入電流連續(xù),開關(guān)管承受的電流應(yīng)力較小;能夠?qū)斎腚娏鬟M(jìn)行功率因數(shù)校正,抑制輸入電流諧波,使電力電子裝置的THD接近或者滿足IEC相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。所以,該拓?fù)涫且环N可以在一定場(chǎng)合使用,并能夠接近相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn)、而且具有較低的成本和簡(jiǎn)圖6 a相電

16、流波形Fig.6 A phasecurrentwaveform單可靠的控制方案,是一種可以達(dá)到實(shí)用化的三相PFC電路。參考文獻(xiàn)(References):1 趙良炳(ZHAOLiang bing).三相(有源)功率因數(shù)校正技術(shù)(Threephase(active)powerfactorcorrectiontechnolo gies)A.中國(guó)電源學(xué)會(huì)第12屆學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議文集(CPSSC12)C.江蘇揚(yáng)州(JiangsuYangzhou),1997.2 于相旭(YUXiang xu).三相功率因數(shù)校正器的建模與仿真(Themodelingandsimulationofthreephasepowerf

17、ac torcorrectionrectifier)D.重慶:重慶大學(xué)(Chongqing:ChongqingUniv.),2000.3 YungtaekJang,MilanMJovanovic.Anovel,robust,harmonicinjectionmethodforsingle switch,three phase,discon tinuousconductionmodeboostrectifiersA.IEEEPESC 97RecordC.St.louis.Mo,June22 27,1997.469 475.(下轉(zhuǎn)第75頁(yè),cont.onp.75)上圖中的2CH為來(lái)自a相經(jīng)變壓器隔

18、離降壓的電壓波形。該波形作為電流的給定基準(zhǔn)波形,經(jīng)測(cè)試,該波形含有3 5%的諧波分量。下面的波形為該相的輸入電流波形。由于在交流輸入側(cè)沒有加低通濾波器,圖中的電流有高頻分量部分。從圖中可見,在該相正半周的0, 6和5 6, 區(qū)間,其電流波形比理想的正弦波形小,在 6,5 6區(qū)間,該相電流得到了較好的控制。進(jìn)而,對(duì)該相電流進(jìn)行頻譜分析,得到如圖7所示的頻譜圖。由圖中可見,諧波含量主要分布在3、5、7和9次上。圖7的總的電流諧波含量THD為:THD=14 17%由于這種控制方案是采用電網(wǎng)電壓波形作為電第2期繆波濤,等:基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)與變頻器的通訊及控制(TheWorldofInverters),

19、2002,1:23 25.75 4 苑傳友,高艷霞,朱平平(YUANChuan you,GAOYanxia,ZHUPing ping).計(jì)算機(jī)與多臺(tái)變頻器的通訊及控制軟件設(shè)計(jì)(Thesoftwaredesignaboutinverterscommunicationandcontrolwithhostcomputer)J.變頻器世界5 雷斌(LEIBin).VisualC+6.0網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)(VisualC+6.0networkprogramming)M.北京:人民郵電出版社(Beijing:Posts&TelecomPress),2000.Communicationandcontrol

20、betweencomputerandinverterbasedontheEthernetMIAOBo tao,SUNXu dong,ZHANGYang,LIFa hai(Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:DSPsarewidelyappliedascontrollersofhigh performanceinverters.ThispaperdesignsanewmethodbasedontheEthernet,whichcanrealizethecommunicationb

21、etweeninvertersandcomputersundertheTCP IPprotocol.ItgreatlyimprovestheefficiencyofdevelopingtheDSPprograms,andcanmonitortheinvertersinreal time.Ithasadvan tagesoflowcostandsimpleoperation.Bothofthesoftwareandhardwarecanbeeasilyextended.Keywords:Ethernet;inverter;DSP;communication(上接第37頁(yè),cont.fromp.3

22、7)Researchofanoveltwo switches3 phasePFCcircuitCAOJian an,PEIYun qing,WANGZhao an,ZHUOFang,DONGXiao wei(Dept.ofElectricalEngineering,Xi anJiaotongUniversity,Xi an710049,China)Abstract:Oneofthe3 phase4 wirePFCtopologywithdualswitchesisdevelopedanditcan(1)improvethepowerfac torofthepowerelectronicsdev

23、icesanddecreasetheharmonicpollutiontopowernetsoastoapproachortomeetsomeharmonicstandard;(2)simplifythedevicesandreducetheircost.Thepaperintroducestheprincipleandcontrollingmethodaboutthistopologyandpresentstheresultsofitssimulation.Keywords:dualswitches;3 phase4 wire;PFC;harmonics;simulation(上接第63頁(yè),cont.fromp.63)andcommunicationapplications.Self DrivenSynchronousRectification(SDSR)isanattractivemeanstoprovidehighef ficiencyandcircuitrysimplificationintheselowpowerconverters.Butintraditionalself drivenapproaches,itisneces sarytoaddcomplexlogicalco