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上，指出了該電路存在的缺點。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，達到功率因數(shù)校正的目的。針對不同的電路拓撲，分別采用Matlab/Simulink6.0軟件進行了仿真研究，給出了無源PFC后的輸入相電壓相電流波形，并對輸入相電流進行了諧波分析。關鍵詞：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備的廣泛應用，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重，從而導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，其實無論后級帶何種負載，由于整流橋的非線性都會使得輸入電流波形嚴重畸變，特征諧波含量嚴重超標，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，如果負載等效為一個電阻，則輸入功率因數(shù)

5、為1。但在三相不控整流電路中，即使負載等效為一個電阻，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，輸入電流是三個相電壓的函數(shù)，不可能同時兼顧三相輸入電流，使任何一相輸入電流都不能獨立控制為正弦波形，必須對三相輸入電壓進行解耦1。圖1a為大電容濾波的三相不控整流電路結構。圖1a 大電容濾波的三相不控整流電路結合電路結構，下面對大電容濾波的三相不控整流電路進行仿真分析。仿真參數(shù)設置如下：輸入相電壓有效值，輸出濾波電容，負載。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重超標的缺點。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上，下文將討論三相無源PFC電路，其實現(xiàn)方案主要是采取兩個方面的措施：一個是單相無源PFC的技術方案在三相電路的應用，即通過增加無源的電感、電容來實現(xiàn)；另一個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。下文將詳細論述各種電路的拓撲結構，并利用Matlab軟件對各電路進行仿真研究。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電路的拓撲結構橋后采用電抗器的三相無源PFC電路的拓撲結構電路如圖2a所示，其特點是在原有三相不控整流電路的整流橋后負載之前串聯(lián)一個電抗器，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仿真軟件對電路進行仿真，其中解算選項為：可變步長，最大步長是，相對精度為，算法選擇，仿真時間設為1s，其它選項默認2（下文中的仿真都采用這樣的設置，不再重復敘述）。仿真參數(shù)設置如下：輸入相電壓有效值，輸出濾波電容，負載。電感，仿真結果如圖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電路的拓撲結構橋前采用LC濾波器的三相無源PFC電路的拓撲結構如圖3a所示，其特點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，導致后級DC/DC變換器的開關管電壓應力增大；同時增大濾波參數(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電路的拓撲結構橋前采用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。同時在原有三相不控整流電路的整流橋后負載之前串聯(lián)一個電抗器。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電路的拓撲結構采用移相變壓器的12脈波整流三相無源PFC電路拓撲如圖5a所示，其中L1L3、C1C3構成三相輸入濾波器，移相變壓器采用兩組接法，Y聯(lián)結和Y/Y聯(lián)結。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%。該拓撲顯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整流電路的拓撲結構基于移相電抗器的三相無源PFC整流電路結構如圖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行整流；L10為電抗器，用于進一步提高功率因數(shù)；C4

15、為輸出濾波電容；R為負載。其特點是在12脈波整流器前串聯(lián)三相移相電抗器，從而實現(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)設置如下：VS1、VS2和VS3為標準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電阻負載，取值為2034。系統(tǒng)進入穩(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，代替了價格昂貴的有源器件，同時也少了復雜的控制回路和反饋環(huán)節(jié)，價格也大幅度下降，盡管電感、電容的存在造成體積、重量的增大，但是對于大功率設備來說，如果在參數(shù)設置、電路優(yōu)化等環(huán)節(jié)進一步分析研究，可以在提高其功率因數(shù)和效率的同時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：1周志敏