孫志成, 王小鵬, 田俊偉

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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一種三相不控整流電路APFC校正方法*

孫志成, 王小鵬, 田俊偉

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為提高三相不控整流電路的功率因數(shù)，降低輸入電流的諧波含量，穩(wěn)定輸出電壓，提出了一種三相不控整流電路的APFC校正方法。首先采用三相六開(kāi)關(guān)Boost APFC 整流電路消除相間相互耦合；然后用帶前饋的平均電流數(shù)字控制方法控制PWM整流電路，前饋環(huán)節(jié)為PWM比較器提供主要占空比信號(hào)，電流環(huán)則在主要占空比信號(hào)附近調(diào)節(jié)小的高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)，負(fù)擔(dān)較輕且響應(yīng)快；最后調(diào)整采樣時(shí)刻及PI調(diào)節(jié)器參數(shù)實(shí)現(xiàn)APFC校正。仿真實(shí)驗(yàn)表明，帶前饋的平均電流數(shù)字控制方法控制的三相六開(kāi)關(guān) Boost APFC 整流電路功率因數(shù)接近于1，諧波含量較低且直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定波動(dòng)很小。

功率因數(shù)；諧波含量；前饋；平均電流法；數(shù)字控制

0 引言

三相有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction,APFC)電路工作機(jī)理復(fù)雜，校正方法繁瑣，效果不理想，即使負(fù)載等效為電阻時(shí)，也不能獲得令人滿意的功率因數(shù)。主要原因?yàn)槿嚯妷合嗷ヱ詈?，每一相的電流不僅由該相電壓決定，而且還受到另外兩相電壓的影響；自身體積大，外圍電路器件多，成本高等限制了它的實(shí)際應(yīng)用[1]。因此，研究控制方法簡(jiǎn)單易行、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便的三相不控整流電路及功率因數(shù)高、諧波含量低、成本低廉的APFC系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。

本文采用有零線的三相六開(kāi)關(guān)Boost APFC電路，在平均電流法數(shù)字控制APFC校正的基礎(chǔ)上，結(jié)合前饋控制，對(duì)三相不控整流電路進(jìn)行APFC校正，調(diào)整采樣時(shí)刻及PID控制器的參數(shù)，目的在于使電路的功率因數(shù)接近于1，諧波含量較低，輸出電壓穩(wěn)定。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Boost PFC變換器本身輸入電流紋波小，輸出電壓高，輸入功率因數(shù)較高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，工作可靠度高[2]。本文采用雙閉環(huán)Boost型APFC校正輸入端電流波形，跟隨輸入端電壓波形變化，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(Pluse Width Modulation,PWM)控制技術(shù)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)占空比，減小輸入電流和電壓之間的相位差，從而提高功率因數(shù)(Power Factor,PF)值，降低總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)，同時(shí)保持輸出直流電壓的穩(wěn)定。

典型三相六開(kāi)關(guān)Boost APFC電路是由6只功率開(kāi)關(guān)器件組成的三相PWM整流電路，工作于電感電流連續(xù)模式，每個(gè)橋臂由上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，每相電流可通過(guò)與該相連接的橋臂上的兩只開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制。其優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)較高，諧波含量低，效率高，適用于中、大功率場(chǎng)合；缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)器件多，控制復(fù)雜，每個(gè)橋臂上兩只開(kāi)關(guān)管存在直通短路的危險(xiǎn)，對(duì)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的可靠性有較高的要求。本文采用的電路拓?fù)錇橛辛憔€的三相六開(kāi)關(guān)Boost APFC升壓型拓?fù)?。如圖1所示，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅具有典型三相六開(kāi)關(guān)Boost APFC電路的優(yōu)缺點(diǎn)，而且消除了相與相之間的相互影響。以A、B兩相為例，假設(shè)uAN>0，uBN<0，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1、S5同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，由于電感電流不能突變，A相的電流流經(jīng)S1之后不會(huì)再流入B相變換器；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1、S5同時(shí)關(guān)斷時(shí)，也是由于電感電流不能突變使得A相的電流不會(huì)再流入B相變換器[3]。這樣便消除了開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的相間耦合。

圖2 控制方式

圖1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 控制方法

模擬控制中，信號(hào)的采樣是實(shí)時(shí)連續(xù)的，輸入電流的采樣值可以實(shí)時(shí)連續(xù)地和電流參考值進(jìn)行比較。然而對(duì)數(shù)字控制而言，信號(hào)的采樣是不連續(xù)的。由于采樣的不連續(xù)，必然導(dǎo)致輸入電流采樣值與實(shí)際電感電流的平均值有誤差，進(jìn)而引入附加的諧波畸變。為了減小數(shù)字平均電流控制相對(duì)于模擬平均電流控制附加的諧波畸變，電感電流的數(shù)字采樣值必須盡可能地等于電感電流平均值。為達(dá)到這個(gè)目的，通常采用調(diào)整采樣時(shí)刻和調(diào)整電流采樣濾波的方法。本文采用數(shù)字控制，將采樣時(shí)刻調(diào)整在三角載波的波谷位置，在這個(gè)時(shí)刻采樣的電感電流值更接近于電感電流的平均值[4]。

平均電流法是通過(guò)控制輸入電流的平均值，使其與輸入整流電壓同相位來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。在平均電流控制技術(shù)的APFC電路中，采用電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，其中電流控制環(huán)使輸入電流更接近于正弦波，電壓控制環(huán)使輸出電壓保持穩(wěn)定。

帶前饋平均電流控制法是在平均電流控制算法基礎(chǔ)上增加一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，增加前饋環(huán)節(jié)后，PWM比較器占空比信號(hào)不再由電流控制環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出單獨(dú)決定，而是由調(diào)節(jié)器輸出和前饋環(huán)節(jié)輸出共同決定。前饋環(huán)節(jié)輸出值取決于輸入電壓瞬時(shí)值和輸出電壓參考值。它提供了占空比信號(hào)的主要波形信息[5-6]。

本文采用帶前饋的平均電流法數(shù)字控制方式，如圖2所示,Boost升壓器輸出電壓Vdc經(jīng)濾波后與參考電壓370 V比較，判斷輸出電壓是否與參考電壓相等，如果不相等，則通過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使之與參考電壓相等。PI調(diào)節(jié)器輸出是一個(gè)直流值，是電壓環(huán)的調(diào)節(jié)作用。整流橋輸出電壓ua是正弦半波電壓波形，它與PI調(diào)節(jié)器的結(jié)果相乘后的信號(hào)還是保持正弦半波波形，并且與ua同相位。將乘法器的輸出作為電流環(huán)的參考信號(hào)Iref，就可以保證被控的電感電流與電壓波形一致。Iref的幅值與輸出電壓Vdc同參考電壓的誤差有關(guān)，也與ua的幅值有關(guān)。輸入電流信號(hào)ia被采樣后與基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref比較，其高頻分量的變化通過(guò)電流誤差放大器被平均化處理。放大后的平均電流信號(hào)Dpi與前饋環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)Dff一起與三角載波信號(hào)比較，共同為開(kāi)關(guān)管S1提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)并決定了其應(yīng)有的占空比，使電感電流逼近電感平均電流。

3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)主電路輸入三相交流AC 176～220 V,直流側(cè)輸出電壓DC 370 V,開(kāi)關(guān)管工作頻率24 kHz,負(fù)載5～15 kW,變換效率>0.95[7-10]。升壓電感:

(1)

(2)

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證本文方法對(duì)功率因數(shù)、諧波含量以及穩(wěn)定輸出電壓等指標(biāo)的效果，利用有零線的三相六開(kāi)關(guān)Boost APFC升壓型拓?fù)浯罱巳嗖豢煽卣麟娐返腟imulink仿真模型[14-16]并進(jìn)行了仿真，電路模型如圖3所示。

圖3 主電路仿真模型

圖4所示仿真結(jié)果表明,輸入電流幾乎完全跟隨輸入電壓波形，二者相位差幾乎為0，功率因數(shù)接近于1。

圖4 交流側(cè)輸入電壓與輸入電流

圖5 三相功率因數(shù)與諧波含量

由于功率因數(shù)可以用輸入電壓和輸入電流的相位差的余弦值來(lái)近似，所以本文搭建了監(jiān)測(cè)輸入電壓與輸入電流相位差余弦值的Simulink模型。圖5為監(jiān)測(cè)到的A、B、C三相功率因數(shù)約為0.995，PF>0.99；以及利用MATLAB FFT Analysis Tool分析A、B、C三相輸入電流的THD約為4.90%。由于本文搭建的監(jiān)測(cè)功率因數(shù)的模型比較簡(jiǎn)陋，監(jiān)測(cè)到的PF值偏小，實(shí)際的PF約為0.998。

圖6所示仿真結(jié)果表明,當(dāng)整流電路穩(wěn)定時(shí)，直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定在370 V，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍是-371.8～371.8，波動(dòng)很小。

圖6 直流側(cè)輸出電壓

5 結(jié)束語(yǔ)

帶前饋的平均電流數(shù)字控制算法簡(jiǎn)單易行，有零線的三相Boost整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便且很好地消除了相間耦合。本文提出的方法通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效地提高了三相不控整流器的功率因數(shù)，達(dá)到了約0.998；降低了輸入電流的諧波含量，降低至約4.90%，直流側(cè)輸出的直流電壓穩(wěn)定且紋波很小。符合實(shí)際應(yīng)用需求，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

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Method for three-phase uncontrolled rectifier circuit APFC correction

Sun Zhicheng，Wang Xiaopeng，Tian Junwei

(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China )

To improve the power factor of three-phase controlled rectifier circuit, reduce the input current harmonic content, and steady voltage, this paper proposes a three-phase controlled rectifier circuit of Active Power Factor Correction(APFC) correction methods. Firstly the Boost with the three phase six switch APFC rectifier circuit solves the problem of mutual coupling. Then we use average current digital control method of feedforward to control PWM rectifier circuit, and feedforward links provide the PWM comparator with main duty ratio signal. Current loop is near the main duty ratio signal, which adjusts small high frequency dynamic signal, the burden is light and response is fast. APFC is realized by adjusting sampling time and PI controller parameters adjustment. Simulation results show that the power factor of three phase six switch Bosst APFC rectifier circuit with average feedforward current digital control is close to 1, the harmonic content is low， and stable DC output voltage fluctuation is small.

power factor;total harmonic distortion;feedforward;average current method;digital control

國(guó)家自然科學(xué)基金(61261029);甘肅省科技支撐計(jì)劃(1204GKCA051)

TM461

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.007

孫志成, 王小鵬, 田俊偉. 一種三相不控整流電路APFC校正方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：27-30.

2016-04-28)

孫志成(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向:嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、智能儀器儀表。

王小鵬(1969-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：圖形圖像處理、電氣控制與工程設(shè)計(jì)、人工智能技術(shù)。E-mail:2274493869@qq.com。

田俊偉(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能儀器儀表、電氣控制與工程設(shè)計(jì)。