有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩

　第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3　2009年6月

J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r

J u n e 2009

文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07

有源功率因数校正技术及控制方式分析

收稿日期:2009-03-30

作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网,

现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n .

张　浩,许龙虎

(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海　200090)

摘　要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势.

关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:A

A c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g y

a n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i s

Z H A N GH a o ,X UL o n g -h u

(C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i

U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a )

A b s t r a c t :　T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r e

s e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s :　a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549

-93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准

[1]

.解

决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本

身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一

个重要研究方向[2]

.

功率因数校正技术包括无源功率因数校正和有源功率因数校正.无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成,只能将功率因数提高到0.7～0.8,一般应用在中小功率电源中.有源功率因数校正电路是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路,能够使功率因数提高到接近1,它工作于高频开关状态,体积小、重量轻,比无源功率因数校正电路效率高,从20世纪80年代中后期开始成为电力电子领域研究的热点,90年代后得到了迅速推广.本文重点介绍有源功率因数校正技术及相关控制方式.

1　功率因数的定义及校正原理

在电力系统中,电动机及其他带有线圈(绕组)的设备很多,它们除了从电源取得一部分电功率作为有功功率使用外,还将消耗一部分电功率来建立线圈磁场,这就额外地增加了电源的负担.功率因数就是反映总电功率中有功功率所占有的比重,定义为:交流输入有功功率与输入视在功率之比值

[3]

.其表达式为

P F =P 实

P 视

=

P V R M S I R M S =V R

×I 1c o s φV R I R =I 1c

o s φI R

=γc o s φ式中:V R

电网电压有效值;I R 电网电流有效值;I 1

基波电流有效值;

γ=I 1/I R

电网电流交流失真因数(又称基波因数);

c o s φ

基波电压和基波电流的相移因

数.因此,功率因数P F 又可定义为失真因数与相移因数的乘积.由表达式可以看出,P F 由γ和c o s φ决定.c o s φ低,则表示电力电子设备的无功功率大,设备利用率低,导线、变压器绕组损耗大;γ值低,则表示输入电流谐波分量大,对电网造成污染,严重时,对三相四线制供电还会造成中线电位偏移,致使电力电子设备损坏.由于常规整流装置使用晶闸管或二极管,整流器件的导通角远小于180°,从而产生大量谐波电流.而谐波电流不做功,只有基波电流做功,因此功率因数很低.

功率因数校正的基本原理,就是在电路上采取有效措施,清除无用谐波,使得交流输入的电流

波形完全跟踪交流输入的电压波形,使输入电流

波形呈纯正正弦波,并且和输入电压同相位.功率因数与电流总谐波失真度D T H

的关系为P F 失真=

11+(D T H )

2

式中,D T H =I 22

+I 32

+…+I n 2

+…/I 12

即为所有谐波分量的总有效值和基波分量之商.

正弦化是使其他谐波为零,即I R =I 1,则失真因数

γ=I 1

I R

=1

同相位是使φ=0°,即c o s 0°=1.

在交流输入级加入功率因数校正网络,通过

合适的控制电路不断调节输入电流波形,使其尽可能地逼近正弦波,并且与输入的电网电压保持同相,这样就达到了功率因数校正的目的.

2　有源功率因数校正电路工作原理

有源功率因数校正(A P F C )电路

[4,5]

是在整

流器和负载之间接入一个D C /D C 开关变换器,应

用电压电流反馈技术,使输入端电流波形跟随输入正弦电压波形,从而使输入电流的波形也接近正弦波,以达到提高功率因数的目的.由于在此电路中使用了有源器件,所以称为有源功率因数校正电路.该电路的基本思想是:交流输入电压经全波整流后,对所得的全波整流电压进行D C /D C 变换,通过适当控制,使输入电流波形自动跟随全波整流后的电压波形,达到输入电流的正弦化,同时保持输出电压稳定.

有源功率因数校正电路一般都是一个双闭环控制系统.外环是一个电压控制环,它是一个1型控制系统,按照控制理论,1型系统可以无差地跟踪阶跃信号.只要输入一个不变的参考电压,就可以得到一个稳定不变的输出电压.电压控制环的作用是使输出保持一个高于输入电压最高峰值的稳定电压,这是功率因数校正所必需的.内环是一个电流控制环,它是一个2型控制系统.按照控制理论,2型系统可以无差地跟踪斜坡信号,由于正弦波信号变化比斜坡信号慢,所以2型系统也可以无差地跟踪正弦波信号.

电流控制环的作用是使输入电流无差地跟踪输入电压的波形,让输入电流与输入电压具有同相的正弦波波形,以达到功率因数校正的目的.双

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