1、4.0 输入(shr)功率因数定义?交流(jioli)输入电流中除基波电流Is1外通常(tngchng)还含有各次谐波电流 Isn（n2，3，4，）。?THD的定义：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 22122212 由于hSnSnSSIIIII?1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD?输入电流总畸变率THD THD(Total Harmonic Distortion)第一页，共30页。4.0 输入(shr)功率因数定义（续1）SPPFAC/?SSIVS?11111cos/)(cos)/(cos)/(?SSSSSSSSACIIIVIVI
2、VPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS?输入(shr)功率因数PF（Power Factor）：交流侧电压与电流基波(j b)分量之间的相位角1称为基波位移角；基波功率因数 cos1称为基波位移因数DPF；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功功率。这时，定义：交流电源输入有功功率PAC 与其视在功率S 之比，即 第二页，共30页。4.1.1 谐波电流的危害谐波电流的危害(wihi)(wihi)及改善措施及改善措施?220V单相交流(jioli)电网不控整流电容滤波的应用极为广泛，但存在以下主要(zhyo)缺点：(
3、1)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。(2)直流输出电压只与交流输入电压有关而不能调控。(3)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2次谐波，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压。(4)在相控直流电压较低时电源功率因数低。图5.35AC/AC整流电路第三页，共30页。4.1.1 谐波电流(dinli)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(dinwng)电压也发生畸变；?可能危害通讯(tngxn)线路；?会使线路和配电变压器过热，损坏电器设备；?会引起电网LC谐振；?高次谐波电流流过电网所产生的
4、谐波电压可能使电容器过流、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(3倍的3次谐波电流)，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：第四页，共30页。4.1.1 谐波电流(dinli)的危害及改善措施（续2）限制电网(dinwng)谐波电流相应的国际标准(u j bio zhn)已经颁布实施，如IEC-555-2，EN60555-2等，表5.7给出了某一标准要求的谐波电流限制值。表5.7 AC-DC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
5、本同相，cos1=1，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因数不高。7 10 30 2 谐波电流(以基波为基数)7次 5次 3次 2次 谐波阶次 第五页，共30页。图5.35 AC/DC整流(zhngli)电路(1)附加(fji)无源滤波器 优点(yudin)：简单、可靠性高、电磁干扰EMI小。缺点：体积、重量大，难以得到高功率因数(一般提高到0.9左右)，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电流并可能引发电路L、C谐振等。在图示的整流器和电容之间接入一个滤波电感，或者在交流侧并联接入 LC滤波器。采用两类技术措施 可减小电源电流中的谐波电流，
6、提高功率因数 4.1.1 谐波电流的危害及改善措施（续 3）第六页，共30页。4.1.1 谐波(xi b)电流的危害及改善措施（续4）图5.36 含升压型(Boost)功 率因数校 正器环节的 高频整 流器(2)附加(fji)有源功率因数校正器或采用高频PWM整流(zhngli)含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为有源功率因数校正(Active Power Factor Correction)APFC。优点：?功率因数高，THD小；?可在宽范围输入电压 下工作；?体积、重量轻；?输出电压恒定。不足:?单向的PWM整流。第七页，共30页。4.1.2 含升压(shn y)(Boost)型功率因
7、数校正器的高频(o pn)整流 图 5.36 含升压 型(Boost)功率因数校正器环节 的高频整流器主电路(dinl)：1)单相桥式不控整流器 2)Boost 变换器?控制电路：1)电压误差放大器电压误差放大器VAR 2)电流误差放大器CAR 3)乘法器 4)比较器C 5)驱动器 6)其它相关电路 第八页，共30页。4.1.2 含升压(shn y)(Boost)型功率因数校正器的高频(o pn)整流（续1）?含有(hn yu)一个Boost Converter，实现升压式 DCDC的变换；?控制电路由一个电压外环和一个电流内环构成；?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 正弦
8、半波电压波形。电路特点：第九页，共30页。4.1.2 含升压(shn y)(Boost)型功率因数(n l yn sh)校正器的高频整流（续2）有源功率因数校正(jiozhng)的控制思想 思路:主要是控制已整流后的电流，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。BoostAPFC原理电路 T导通时，二极管电流为 零，|iS|=iL=iT；?T断开时，|iS|=iL=iD，?具有高频纹波的输入电流iS经很小的LC滤波后即可得到正 弦波电流。第十页，共30页。4.1.2 含升压(shn y)(Boost)型功率因数校正器的高频(o pn)整流（续3）Boost型功
9、率因数(n l yn sh)校正器(APFC)的主要优点 (1)输入电流连续，电磁干扰EMI小。(2)开关器件T的电压不超过输出电压值。(3)有许多集成控制电路芯片可供设计者选用。缺点 (1)输入、输出间没有绝缘隔离 (2)Boost APFC适用于1kW2kW以下的负载 第十一页，共30页。4.1.3 带反激式功率因数校正器的高频带反激式功率因数校正器的高频(o pn)(o pn)整流整流 图5.37带反激式功率 因数校正器环节 的高 频 整流器?T导通时,Vdc加在变压器原方绕组等效(dn xio)电感L1两端(lin dun)，i1从零上升到ip，电感储能，二极管D阻断，i2=0。?T截
10、止时，i1=0，电感L2释放磁能，D导电，i2向C充电并向负载供电。?反激式电路 第十二页，共30页。4.1.3 带反激式功率因数(n l yn sh)校正器的高频整流（续2）?工作(gngzu)模式为不连续(linx)导电模式DCM，双 半波正弦虚线为电流峰值iP的包络线。?I1 为两个近似的正弦半波，is为一个近似的正弦波。脉动频率很高，经不大的L、C滤波器即可将滤为正弦电流。第十三页，共30页。4.2 三相三相(sn xin)(sn xin)PFC?4.2.1 几种(j zhn)典型的三相PFC?4.2.2 三相(sn xin)高频PWM 整流 第十四页，共30页。图5.29 两组三相桥
11、并联(bnglin)组成的12 相整流(zhngli)电路?222bNaNcNiii?22231 baaNiii?4.2.1 几种(j zhn)典型的三相PFC 12脉波整流电路?2222bNaNaaNiiii?第十五页，共30页。?3/322121baaNaNaNAiiiiii?ttttItidA?23sin23113sin13111sin111sin34原方A A相电流应为：除基波(j b)外，仅含12K?1（K=1，2，3）次电流(dinli)谐波。最低次电流(dinli)谐波为11次。而三相(sn xin)桥6脉波整流电路交流电源中含有6K?1次谐波电流，最低次谐波电流为5次。第十六页
12、，共30页。三相三相(sn xin)(sn xin)单开关单开关PFC 优点(yudin)：1.引入boost变换器(Lb,Qb,Db)后，功率因数(n l yn sh)提高。2.控制简单，成本较低，采用较小的滤波器就可滤除 高次谐波。缺点:电压、电流应力大；5次谐波大。要提高功率因数，须提高直流电压。第十七页，共30页。三个单相(dn xin)PFC组成(z chn)三相PFC 优点(yudin)：1.可利用单相比较成熟的 PFC技术，由三个单相PFC同时供电，控制简单。缺点:元器件较多，成本高。第十八页，共30页。三相三相(sn xin)(sn xin)六开关六开关PFC电路电路(dinl
13、)(dinl)?优点(yudin)：(1)将交流电源输入电流控 制为畸变很小的正弦化电流，且功率因数可接近于 1。(2)体积、重量可以大大地减少。(3)动态响应速度显著提高。?缺点：开关管数量多，控制较为复杂。图5.40三相PWM整流 器第十九页，共30页。?PWM 开关模式(msh)整流器被称为PWM整流器。按是否(sh fu)具有(jyu)能量回馈功能分为：1、无能量回馈功能的 PWM整流器(PFC-Power Factor Correction)：例如，上节介绍的单相PWM 整流器。2、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P
14、WM整流器。4.2.2 三相高频PWM整流 20 第二十页，共30页。图5.38单相半桥PWM整流器图 5.39单相全桥PW M整流器图5.40三相PWM 整流器?除要有输入(shr)电感，PWM整流器的主电路结构(jigu)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(zhngxin)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SPWM 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L，产生正弦输入电流，这种高频PWM整流是升压变换。?适当控制整流器交流端的电压的幅
15、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。21 4.2.2.1 能量可回馈型的PWM整流器主要特点 第二十一页，共30页。?通常(tngchng)交流电感L上压降不大(b d)，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(ync)这种高频PWM整流是升压变换。?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。?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，其控制方式和整流器控制也有很多相近的地方。图图5.39 单单相相
16、全全桥桥PWM整整 流流器器第二十二页，共30页。23 4.2.2.2 交流(jioli)/直流双向PWM变换器工作(gngzu)原理 第二十三页，共30页。?三相桥式变换器交流(jioli)输入端电压为Via(t)、Vib(t)、Vic(t)。tVtvSSa?sin2)(?)120sin(2)(?tVtvSSb?)120sin(2)(?tVtvSSc?)sin(2)(?tItiSa)120sin(2)(?tItiSb)120sin(2)(?tItiSc式中Is是交流电源流入双向变换器的电流(dinli)有效值，是 滞后(zh hu)的功率因数角。24?交流输入电流为：?三相交流电压输入为：第
17、二十四页，共30页。)-sin(2)(?tVtViia?)-120-sin(2)(?tVtViib?)-120sin(2)(?tVtViic理想理想(lxing)(lxing)的三相桥变换器交流侧相电压为的三相桥变换器交流侧相电压为 是三相桥交流输入(shr)端相电压(diny)有效值，是i落后于VS的相位落后角。iVSV25 XIjVVSiS?qSiidXIVFHOHOFVV?cosdiiqXIFEVV?sin?sin/)cos(/)(?SiSidSqIXVVXVVI?cossin?SiiqdIXVXVI第二十五页，共30页。得到交流电网输入(shr)到变换器的有功功率P和无功功率(w n
18、n l)Q：XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33?XVVVIVIVQiSSSSqS?cos3sin33?26 第二十六页，共30页。?当电压(diny)Vi数值(shz)较大，以致(yzh)VicosVs时，则Iq为负，Q为负，即变换器向电网 输出 无功电流。?当电压Vi较小，VicosVs时，Iq为正，Q为正，即变换器从电网吸收无功电流。?当变换器交流输入端电压Vi相位滞后于VS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Vi的相位超前VS时，那时滞后角为负值，P为负，表示交流电
19、源从变换器输入有功功率，变换器工作于逆变状态。27 XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33?XVVVIVIVQiSSSSqS?cos3sin33?第二十七页，共30页。?两个(lin)交流电源之间的有功电流、有功功率P总是(zn sh)从相位超前的电源(dinyun)流向相位滞后的电源(dinyun)；?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Q。?综上，变换器就是一个理想的 AC-DC双向功率变换器。28 结论：结论：XVVXVVIVIVPiSiqSSSdS/sin3/3cos33?XVVVIVIVQiSSSSqS?cos3sin3
20、3?第二十八页，共30页。三相电压型高频(o pn)PWM整流器中6个开关(kigun)器件T1T6进行(jnxng)三相SPWM逆变器的通、断控制。令T1T6 SPWM 控制的调制参考波频率fr等于交流电源Vsa、Vsb、Vsc 的频率fs，Via、Vib、Vic中的谐波频率则由T1T6 SPWM控制的高频载波频率fC 决定，Via、Vib、Vic中的高次谐波频率很高。29 4.2.3 三相电压型高频PWM整流控制系统 第二十九页，共30页。1、电容器C上的直流电压必须(bx)恒定，因此采用电压(diny)闭环控制。由PI型电压(diny)误差调节器VR 的输出作为有功电流指令值，再根据所要求的功率因数角，得到无功电流指令值 进而得到双向变换器交流侧基波电压指令值，根据三相SPWM调制原理，形成6个开关器件的通断信号，得到所需的交流电压。2、当整流负载或直流电压指令值改变时，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。3、在交流电源电压和直流负载任意变化时，这种电压闭环控制可使直流输出电压维持恒定。30 第三十页，共30页。
