陳 晨，張 舒，熊 奇，張興杰

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014)

0 引言

隨著各種電力電子設(shè)備(例如變頻冰箱)進(jìn)入到電網(wǎng)中，電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波污染，為了解決諧波污染的問題，目前主要的方法有兩種:一種是利用有源或者無源濾波器來增設(shè)電網(wǎng)補(bǔ)償裝置，使電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波得到補(bǔ)償;另一種是采用PFC 的方法，使電力電子設(shè)備得到本質(zhì)性改進(jìn)，減少產(chǎn)生或者不產(chǎn)生諧波［1-2］。這兩種方法相比較，第一種方法是在諧波產(chǎn)生以后再進(jìn)行補(bǔ)償;第二種方法是利用功率因數(shù)的校正，抑制諧波的產(chǎn)生，具有非常好的前景。因此，解決電網(wǎng)諧波污染問題的主要方法是采用PFC 技術(shù)［3］。

傳統(tǒng)的PFC 變換器首先通過DBR 將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，再經(jīng)過PFC 校正電路，但是DBR 的加入使得系統(tǒng)的損耗隨著系統(tǒng)功率的增加而增加，并且占具了很大一部分［4-5］。近年來，業(yè)界提出了一種沒有采用DBR 的PFC(無橋PFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了電路工作過程中電流流通路徑上的半導(dǎo)體器件數(shù)量，降低了通態(tài)損耗，從而提高了系統(tǒng)工作效率［6-7］。因此，將無橋PFC 技術(shù)應(yīng)用到直流無刷電機(jī)中具有非常大的創(chuàng)新性，減少相應(yīng)的硬件帶來的損耗，對實現(xiàn)國家節(jié)能減排有著可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略作用。

本研究針對現(xiàn)有的各種無橋PFC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種具有更少的元器件數(shù)量和每半個開關(guān)周期導(dǎo)通路徑上的元器件數(shù)量的無橋PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步的降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。

1 新型無橋PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理分析

本研究采用的無橋PFC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無橋PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在一個完整的開關(guān)周期內(nèi)，這個PFC 轉(zhuǎn)換器分為兩個部分的操作，工作在電源電壓的正半周期和負(fù)半周期，由開關(guān)S1和開關(guān)S2來分別控制。在輸入電壓正半周期，電感L1和二極管D1把能量傳遞給電容Co，類似地，在輸入電壓負(fù)半周期，電感L2和二極管D2把能量傳遞給電容Co，在一個開關(guān)周期內(nèi)，這個轉(zhuǎn)換器中的電流以不連續(xù)導(dǎo)通的形式傳遞能量，最后電容Co為負(fù)載提供恒定的電壓。

在一個完整的開關(guān)周期內(nèi)，PFC 轉(zhuǎn)換器可以分為3 個步驟運行，在輸入電壓的正半周期，首先，開關(guān)S1打開，對電感L1進(jìn)行充電，電感L1的電流增加，Co電容放電，接著，S1關(guān)閉，電感L1所存儲的能量轉(zhuǎn)移到電容Co上，直到電感L1完全放電，電感L1上的電流減小至零。最后，電感L1進(jìn)入非連續(xù)傳導(dǎo)，即沒有能量留在電感L1中，在這個過程中，沒有開關(guān)和二極管是導(dǎo)通的，電容Co提供能量給負(fù)載。在一個完整的開關(guān)周期后，開關(guān)S1再次打開，重復(fù)這個操作。

在輸入電壓的負(fù)半周期，首先，開關(guān)S2打開，對電感L2進(jìn)行充電，電感L2的電流增加，Co電容放電，接著，S2關(guān)閉，電感L2所存儲的能量轉(zhuǎn)移到電容Co上，直到電感L2完全放電，電感L2上的電流減小至零。最后，電感L2進(jìn)入非連續(xù)傳導(dǎo)，即沒有能量留在電感L2中，在這個過程中，沒有開關(guān)和二極管是導(dǎo)通的，電容Co提供能量給負(fù)載。在一個完整的開關(guān)周期后，開關(guān)S2再次打開，重復(fù)這個操作。

2 仿真設(shè)計

為了使PFC 轉(zhuǎn)換器高效率的工作，需要設(shè)計合適的電路參數(shù)。對于給定的輸入端電源是有效值為220 V的正弦交流電源，那么，其輸入端的平均電壓為［8-9］:

轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓為100 V ～250 V，這個PFC轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比是:

所以相應(yīng)的最小和最大的電壓轉(zhuǎn)換比是0.335 6和0.558 0。

在這個PFC 轉(zhuǎn)換器中的最關(guān)鍵的影響傳導(dǎo)模式的電感L1的電感值為:

式中:R—負(fù)載阻抗，D—電壓轉(zhuǎn)換比，f—開關(guān)頻率。為了保證轉(zhuǎn)換器能進(jìn)入完全的DICM 模式，電感L1和L2的值要小于電感最小臨界值的1/10。

對于這個PFC 轉(zhuǎn)換器，供電電壓Vi和供電電流Ii以及輸入功率如下:

根據(jù)輸出端電容中電流的二階諧波量計算出輸出端的電容值:

根據(jù)輸出端電容電流得出輸出端電壓如下:

對于輸出端電容電壓的最大值，sin2ωt 取1，因此:

為了不影響輸入端電流，需要在輸入端設(shè)計一個二階低通LC 濾波器來吸收高階諧波，最大的濾波電容值為:

式中:Vmax—輸入端電壓的峰值，Imax—輸入端電流的峰值，ωmax—線頻率的峰值，θ—輸入端電壓和電流之間的位移角。

因此LC 濾波器的濾波電感為:

式中:fc—濾波器的截止頻率，取PFC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的1/10，Ls取基本阻抗的4% ～5%為源阻抗:

3 控制算法

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性，智能控制技術(shù)被應(yīng)用到各種控制系統(tǒng)中。模糊控制技術(shù)是智能控制技術(shù)中非常常見的一種，但是，模糊控制技術(shù)對于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能較差，很難達(dá)到較高的控制精度。同時，PI 控制技術(shù)對參數(shù)確定的系統(tǒng)具有快速性好、精確度高的特點，而模糊控制具有不依賴于系統(tǒng)模型參數(shù)、魯棒性強(qiáng)的特點，綜合兩者的特點，采用模糊PI 的控制策略能使輸出電壓精準(zhǔn)快速地達(dá)到穩(wěn)定，具有很好的抗干擾性［10］。

模糊PI 控制有兩種形式，為模糊控制與PI 控制分段控制、模糊增益調(diào)節(jié)PI 控制器。前者是在系統(tǒng)誤差比較大時，通過模糊控制，迅速抑制誤差，使誤差較小到一定范圍，然后通過PI 控制，消除其余的系統(tǒng)誤差。這種方式只是把模糊控制與PI 控制粗糙的結(jié)合，其效果不是非常理想，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)改變后，這種方式往往達(dá)不到很好的控制效果。后者利用模糊理論，根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則和模糊推理來確定PI 控制中的參數(shù)，即利用系統(tǒng)誤差e(k)以及誤差的變化率de(k)/dt 來實時調(diào)整PI 控制器的參數(shù)Kp、Ki，以得到更加準(zhǔn)確的控制參數(shù)。

由于PFC 轉(zhuǎn)換器工作于DICM 模式，所以通過采集輸出電壓來控制開關(guān)S1和S2的占空比。

假定輸出目標(biāo)電壓為Vo，實際測得的電壓為Vt，那么誤差電壓Ve為:

誤差電壓Ve通過PI 控制器計算后產(chǎn)生控制輸出電壓Vc為:

通過比較高頻鋸齒波Vst 和控制輸出電壓Vc來產(chǎn)生PWM 的控制信號，控制信號關(guān)系如表1所示。

表1 控制信號的關(guān)系

系統(tǒng)控制直流無刷電機(jī)的原理圖如圖2所示。

圖2 直流無刷電機(jī)控制原理圖

通過對電機(jī)的相位信號來控制VSI 使直流電流供電給三相直流無刷電機(jī)。開關(guān)管的狀態(tài)與BLDC 的位置信號的關(guān)系如表2所示，其中，電壓逆變器的開關(guān)S1～S6用‘1’和‘0’來代替開關(guān)的‘開’和‘關(guān)’，Ha、Hb、Hc表示每一相相對于端子‘O’的電壓，用‘1’和‘0’來代替有相電壓和相電壓為零。

表2 開關(guān)管的狀態(tài)與BLDC 的位置信號的關(guān)系

4 實驗及結(jié)果分析

為了驗證理論分析，本研究以220 V，50 Hz 的交流電作為輸入電壓，輸出200 V 直流電壓為目標(biāo)，進(jìn)行了電路仿真。電路參數(shù)如下:濾波電感Lf=1.6 mH，濾波電容Cf= 330 nF，電感L1= 47μH，電感L2=47 μH，輸出電容Co=2 200 μF，開關(guān)頻率=20 kHz。Matlab Simulink 仿真電路圖如圖3所示，輸出電壓的波形圖如圖4所示，電感L1和L2的電流及輸入電流的波形對比如圖5所示，經(jīng)仿真進(jìn)行FFT 分析后對結(jié)果，表明PF 基本為1，THD 為3.47%。

圖3 仿真原理圖

圖4 輸出電壓波形

由圖4 可知，輸出電壓達(dá)到200 V 后繼續(xù)上升，由于模糊PI 的控制，使輸出電壓下降至200 V 以下后，又緩慢回到200 V 附近并趨于穩(wěn)定，實現(xiàn)了系統(tǒng)控制的作用。

圖5 電感L1 和電感L2 的電流及輸入電流

又圖5 可知，當(dāng)輸入電壓處于正半周期時，由于開關(guān)S1的開關(guān)，電感L1不斷地被充電和放電，電感L1的電流波形呈正弦波的半波，同理，電感L2的電流波形也呈正弦波的半波，輸入電流的波形呈完整的正弦波。3 種電路結(jié)構(gòu)的效率如圖6所示。

圖6 3 種電路結(jié)構(gòu)的效率

通過對圖6 的分析，隨著輸出功率的增大，系統(tǒng)的效率也逐漸增大，采用新型的無橋PFC 技術(shù)在輸出功率小于250 W 的應(yīng)用范圍內(nèi)，具有較高的效率。

5 結(jié)束語

本研究深入分析了無橋PFC 的工作原理，為了進(jìn)一步減少導(dǎo)通損耗，提高變頻壓縮機(jī)的系統(tǒng)效率，提出了一種新型無橋PFC 技術(shù)。該技術(shù)采用DICM 的工作模式和單周期的控制策略解決了整流橋帶來損耗的問題，通過模糊PI 的控制算法使輸出電壓更加快速的達(dá)到穩(wěn)定。通過對VSI 的控制使直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，并且具有較高的系統(tǒng)效率和較低的功耗。同時運用Matlab Simulink 進(jìn)行了仿真建模與分析，實驗結(jié)果驗證了理論分析，為改善變頻壓縮機(jī)的實踐和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。本研究提出的無橋PFC 技術(shù)不僅能應(yīng)用于變頻空調(diào)、變頻冰箱中，還能應(yīng)用于智能電網(wǎng)、通信電源、電動汽車等領(lǐng)域，對社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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