三相無源PFC電路的仿真研究

1、三相無源PFC電路的仿真研究 2009年09月14日 作者：王吉校王寧甘林川 來源：中國電源博覽 編輯：樊曉琳 摘要：在對大電容濾波的三相不控整流電路仿真研究的基礎(chǔ)上，指出了該電路存在的缺點(diǎn)。通過在電路中加入電感、電容、二極管和變壓器等無源器件可以改善輸入相電流波形，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。針對不同的電路拓?fù)?，分別采用Matlab/Simulink6.0軟件進(jìn)行了仿真研究，給出了無源PFC后的輸入相電壓相電流波形，并對輸入相電流進(jìn)行了諧波分析。關(guān)鍵詞：三相整流電路；無源PFC；Matlab仿真Abstract:The shortcomings of the three-phase-uncont

2、roled rectifier circuit are introduced after simulation and analyzing the three-phase-uncontroled rectifier circuit.The input phase-currents wave is improved and the PF value is advanced through adding inductance, capacitance, diode and transformer to the three-phase-uncontroled rectifier circuit. A

3、ll the topologies are respectively simulated by Matlab/Simulink6.0. The input phase-voltage and  phase-currents waves are afforded. The input phase-currents harmonious are analyzed at last.Keywords：three-phase rectifier circuit；passive PFC；Matlab simulation1引言隨著三相變頻設(shè)備的廣泛應(yīng)用，三相不控整流橋加大電容濾波電路的使用數(shù)量日

4、益增加，由此而產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)造成的污染越來越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致能量損耗也越來越多。對于這種前級采用不控整流橋的變換器而言，其實(shí)無論后級帶何種負(fù)載，由于整流橋的非線性都會使得輸入電流波形嚴(yán)重畸變，特征諧波含量嚴(yán)重超標(biāo)，電流畸變率很高，并最終使得功率因數(shù)很低，電源總?cè)萘康睦寐式档?。為了限制電流波形畸變產(chǎn)生的諧波并凈化電磁環(huán)境，須對產(chǎn)生諧波污染的裝置進(jìn)行功率因數(shù)校正。功率因數(shù)校正的方法有無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。本文主要介紹采用無源功率因數(shù)校正的手段來抑制或消除諧波污染的電路。2大電容濾波的三相不控整流電路及仿真研究對于在單相不控整流電路中，如果負(fù)載等效為一個(gè)電阻，則輸入功率因數(shù)

5、為1。但在三相不控整流電路中，即使負(fù)載等效為一個(gè)電阻，也不能獲得滿意的功率因數(shù)，原因在于三相不控整流電路中三相電壓通過不控整流橋互相耦合，輸入電流是三個(gè)相電壓的函數(shù)，不可能同時(shí)兼顧三相輸入電流，使任何一相輸入電流都不能獨(dú)立控制為正弦波形，必須對三相輸入電壓進(jìn)行解耦1。圖1a為大電容濾波的三相不控整流電路結(jié)構(gòu)。圖1a 大電容濾波的三相不控整流電路結(jié)合電路結(jié)構(gòu)，下面對大電容濾波的三相不控整流電路進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)置如下：輸入相電壓有效值，輸出濾波電容，負(fù)載。任意一相的輸入相電壓相電流波形如圖1b所示，圖1c為輸入電流的諧波分析圖，仿真測量的功率因數(shù)值為0.566。通過仿真結(jié)果可以看出：這種電

6、路具有功率因數(shù)低，輸入電流的總諧波畸變程度大，輸入諧波電流含量嚴(yán)重超標(biāo)的缺點(diǎn)。圖1b 大電容濾波的三相不控整流電路輸入電壓電流波形圖1c 大電容濾波的三相不控整流電路輸入電流諧波分析3高功率因數(shù)三相無源AC/DC變換器電路及仿真24在分析大電容濾波的三相不控整流電路的基礎(chǔ)上，下文將討論三相無源PFC電路，其實(shí)現(xiàn)方案主要是采取兩個(gè)方面的措施：一個(gè)是單相無源PFC的技術(shù)方案在三相電路的應(yīng)用，即通過增加無源的電感、電容來實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)是為了改善輸入電流的波形系數(shù)，采用移相變壓器的多脈波整流技術(shù)。下文將詳細(xì)論述各種電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用Matlab軟件對各電路進(jìn)行仿真研究。3.1橋后采用電抗器的三相無源

7、PFC電路3.1.1 橋后采用電抗器的三相無源PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橋后采用電抗器的三相無源PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖2a所示，其特點(diǎn)是在原有三相不控整流電路的整流橋后負(fù)載之前串聯(lián)一個(gè)電抗器，如圖2a所示。圖2a 橋后采用電抗器的三相無源PFC電路3.1.2 橋后采用電抗器的三相無源PFC電路的Matlab仿真研究下面利用Matlab仿真軟件對電路進(jìn)行仿真，其中解算選項(xiàng)為：可變步長，最大步長是，相對精度為，算法選擇，仿真時(shí)間設(shè)為1s，其它選項(xiàng)默認(rèn)2（下文中的仿真都采用這樣的設(shè)置，不再重復(fù)敘述）。仿真參數(shù)設(shè)置如下：輸入相電壓有效值，輸出濾波電容，負(fù)載。電感，仿真結(jié)果如圖2b所示，圖2c為輸入電流

8、的諧波分析圖。從圖中可以看出：整流橋后串聯(lián)電抗器與未串聯(lián)電抗器相比，電流波形改善非常明顯，通過測量求得功率因數(shù)值0.849。在負(fù)載相同的情況下，功率因數(shù)的增加值接近0.393，因此，整流橋后串聯(lián)電抗器能很大程度的提高功率因數(shù)。圖2b 橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電壓電流波形圖2c 橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電流諧波分析3.2橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路43.2.1 橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3a所示，其特點(diǎn)是分別在原有三相全橋整流電路的交流輸入側(cè)加無源濾波器電感和電容，其三相交流輸入端每相

9、分別串聯(lián)濾波電感 ，輸入濾波電容 采用三角形接法。圖3a  橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路3.2.2 橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路的Matlab仿真研究主要仿真參數(shù)：三相交流輸入電壓為。輸入濾波電容參數(shù)，輸入濾波電感參數(shù)，三相整流橋輸出濾波電容C=1800F，負(fù)載電阻R=50。圖3b示出輸入相電壓和相電流的仿真波形，圖3c為輸入電流的諧波分析圖。通過測量求得功率因數(shù)值為0.794總的諧波失真率THD=21.7%。通過仿真發(fā)現(xiàn)交流輸入端加LC無源濾波器，降低了輸入相電流的THD值，提高了電路的功率因數(shù)；增大濾波電容C，將導(dǎo)致相電流基波相位超前相電壓的角度增大

10、，三相交流輸入端呈容性，整流輸出電壓增高，導(dǎo)致后級DC/DC變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力增大；同時(shí)增大濾波參數(shù)L和C，雖能降低電路的THD值，提高電路的功率因數(shù)值，使其最大值能達(dá)到0.998，但整流輸出電壓大幅增高。圖3b 橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路輸入電壓電流波形圖3c 橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路輸入電流諧波分析3.3橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路3.3.1 橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路如圖4a所示，其特點(diǎn)是分別在原有三相全橋整流電路的交流輸入側(cè)加無源濾波器電感和電容

11、，其三相交流輸入端每相分別串聯(lián)濾波電感L，輸入濾波電容C采用三角形接法。同時(shí)在原有三相不控整流電路的整流橋后負(fù)載之前串聯(lián)一個(gè)電抗器。圖4a  橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路3.3.2 橋后采用電抗器橋后采用電抗器的無源三相無源PFC電路的Matlab仿真研究主要仿真參數(shù)：三相交流輸入電壓為。輸入濾波電容參數(shù)，輸入濾波電感參數(shù)，三相整流橋輸出濾波電容C=1800F，電感L=15mH，負(fù)載電阻R=50。圖4b示出輸入相電壓和相電流的仿真波形，圖4c為輸入電流的諧波分析圖。通過測量求得功率因數(shù)值為0.804總的諧波失真率THD=15.3%。通過仿真發(fā)現(xiàn)交流輸入端加LC

12、無源濾波器，降低了輸入相電流的THD值，提高了電路的功率因數(shù)；整流橋后串聯(lián)電抗器與未串聯(lián)電抗器相比，電流波形改善非常明顯。圖4b 橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電壓電流波形圖4c 橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電流諧波分析3.4基于移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路3.4.1 基于移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路拓?fù)淙鐖D5a所示，其中L1L3、C1C3構(gòu)成三相輸入濾波器，移相變壓器采用兩組接法，Y聯(lián)結(jié)和Y/Y聯(lián)結(jié)。經(jīng)過三相輸入濾波器的輸入電壓通入移相變壓器后，得到互差3

13、0°的六相對稱點(diǎn)壓，供給六相整流器，為后級電解電容器組供電，這樣就可以獲得一個(gè)正弦度很高的輸入電流。圖5a  基于移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路3.4.2 基于移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路的Matlab仿真研究參照圖5a建立仿真模型，其參數(shù)設(shè)置為：三相交流輸入電壓為。輸入濾波電容參數(shù)，輸入濾波電感參數(shù)，三相整流橋輸出濾波電容C=1800F，負(fù)載電阻R=50。圖5b示出示波器顯示的輸入相電壓和相電流的仿真波形，圖5c為輸入電流的諧波分析圖。通過測量求得功率因數(shù)值為0.895總的諧波失真率THD=5.1%。該拓?fù)滹@示的輸入電流正弦度比較好，可是位移因數(shù)

14、小于1，所以整體功率因數(shù)不高。圖5b 基于移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路輸入電壓電流波形圖5c 基于移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路輸入電流諧波分析3.5基于移相電感器的三相無源PFC整流電路53.5.1 基于移相電感器的三相無源PFC整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于移相電抗器的三相無源PFC整流電路結(jié)構(gòu)如圖6a所示，主要由以下幾部分組成，Ua、Ub、Uc組成三相電源；C1、C2和C3均為小電容用于電源初級濾波；L1到L9為三相移相電抗器，主要用于功率因數(shù)校正；D1到D12構(gòu)成12脈波整流器，用于對三相移相電抗器輸出的三相交流電進(jìn)行整流；L10為電抗器，用于進(jìn)一步提高功率因數(shù)；C4

15、為輸出濾波電容；R為負(fù)載。其特點(diǎn)是在12脈波整流器前串聯(lián)三相移相電抗器，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。圖6a  基于移相電感器的三相無源PFC整流電路3.5.2基于移相電感器的三相無源PFC整流電路的Matlab仿真研究器件參數(shù)設(shè)置如下：VS1、VS2和VS3為標(biāo)準(zhǔn)正序三相正弦電壓源，相電壓有效值220V，頻率50Hz；L1、L2和L3為三相輸入電抗器，取值15mH，為了便于收斂串聯(lián)一個(gè)小電阻0.01；C1、C2和C3為相間濾波電容，取值為25F；L4為橋后平波電抗，取值為10F；C4為電解電容，用做輸出濾波，取值為1800F；R電阻負(fù)載，取值為2034。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸入相電流波形如

16、圖6b中所示?？梢钥闯鲎儞Q器輸入電流很好的跟蹤了輸入相電壓的波形，經(jīng)過無源功率因數(shù)校正后的輸入相電流具有很好正弦特性，圖6c為輸入電流的諧波分析圖。其大小可由示波器讀出為0.987。和大電容濾波的三相整流電路的功率因數(shù)相比增大了0.531?；谝葡嚯娍蛊鞯娜酂o源PFC整流電路仿真過程中測定的輸入電流的總諧波畸變值還不到0.1，可見基于移相電抗器的三相無源PFC整流電路很大程度的減小了輸入電流的總諧波畸變。圖6b 基于移相電感器的三相無源PFC整流電路輸入電壓電流波形圖6c 基于移相電感器的三相無源PFC整流電路輸入電流諧波分析4結(jié)束語通過仿真發(fā)現(xiàn)，不同的無源功率因數(shù)校正方案，具有不同的校正效果，而且功率因數(shù)的值還受負(fù)載等其他條件的影響。無源PFC電路采用電感、電容、二極管等元器件，代替了價(jià)格昂貴的有源器件，同時(shí)也少了復(fù)雜的控制回路和反饋環(huán)節(jié)，價(jià)格也大幅度下降，盡管電感、電容的存在造成體積、重量的增大，但是對于大功率設(shè)備來說，如果在參數(shù)設(shè)置、電路優(yōu)化等環(huán)節(jié)進(jìn)一步分析研究，可以在提高其功率因數(shù)和效率的同時(shí)最大程度地滿足工業(yè)需求，因此，無源PFC電路市場前景依然廣闊。參考文獻(xiàn)：1周志敏