三相无源PFC电路的仿真研究报告详解

三相无源PFC电路的仿真研究报告
的三相不控整流电路仿真研究的基础上，指出了该电路存在的缺点。

通过在电路中加入电感、电容、二极管和变压器等无源器件可以改善输入相电流波形，达到功率因数校正的目的。

针对不同的电路拓扑，分别采用Matlab/Simulink6.0软件进行了仿真研究，给出了无源PFC 后的输入相电压相电流波形，并对输入相电流进行了谐波分析。

关键词：三相整流电路；无源PFC；Matlab仿真
Abstract:The shortcomings of the three-phase-uncontroled rectifier circuit are introduced after simulation and analyzing the three-phase-uncontroled rectifier circuit.The input phase-current’s wave is improved and the PF value is advanced through adding inductance, capacitance, diode and transformer to the
three-phase-uncontroled rectifier circuit. All the topologies are respectively simulated by Matlab/Simulink6.0. The input phase-voltage and phase-current’s waves are afforded. The input phase-current’s harmonious are analyzed at last.
Keywords：three-phase rectifier circuit；passive PFC；Matlab simulation
1 引言
随着三相变频设备的广泛应用，三相不控整流桥加大电容滤波电路的使用数量日益增加，由此而产生的谐波电流对电网造成的污染越来越严重，从而导致能量损耗也越来越多。

对于这种前级采用不控整流桥的变换器而言，其实无论后级带何种负载，由于整流桥的非线性都会使得输入电流波形严重畸变，特征谐波含量严重超标，电流畸变率很高，并最终使得功率因数很低，电源总容量的利用率降低[1]。

为了限制电流波形畸变产生的谐波并净化电磁环境，须对产生谐波污染的装置进行功率因数校正。

功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。

本文主要介绍采用无源功率因数校正的手段来抑制或消除谐波污染的电路。

2 高功率因数三相无源AC/DC变换器电路及仿真[2][4]
在分析大电容滤波的三相不控整流电路的基础上，下文将讨论三相无源PFC电路，其实现方案主要是采取两个方面的措施：一个是单相无源PFC的技术方案在三相电路的应用，即通过增加无源的电感、电容来实现；另一个是为了改善输入电流的波形系数，采用移相变压器的多脉波整流技术。

下文将详细论述各种电路的拓扑结构，并利用Matlab软件对各电路进行仿真研究。

3.1 桥后采用电抗器的三相无源PFC电路
3.1.1 桥后采用电抗器的三相无源PFC电路的拓扑结构
桥后采用电抗器的三相无源PFC电路的拓扑结构电路如图2a所示，其特点是在原有三相不控整流电路的整流桥后负载之前串联一个电抗器，如图2a所示。

图2a 桥后采用电抗器的三相无源PFC电路
3.1.2 桥后采用电抗器的三相无源PFC电路的Matlab仿真研究
下面利用Matlab仿真软件对电路进行仿真，其中解算选项为：可变步长，最大步长是
，相对精度为，算法选择，仿真时间设为1s，其它选项默认[2]（下文中的仿真都采用这样的设置，不再重复叙述）。

仿真参数设置如下：输入相电压有效值，输出滤波电容，负载。

电感
，仿真结果如图2b所示，图2c为输入电流的谐波分析图。

从图中可以看出：整流桥后串联电抗器与未串联电抗器相比，电流波形改善非常明显，通过测量求得功率因数值0.849。

在负载相同的情况下，功率因数的增加值接近0.393，因此，整流桥后串联电抗器能很大程度的提高功率因数。

图2b 桥后采用电抗器的三相无源PFC电路输入电压电流波形
图2c 桥后采用电抗器的三相无源PFC电路输入电流谐波分析
3.2 桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路[4]
3.2.1 桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路的拓扑结构
桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路的拓扑结构如图3a所示，其特点是分别在原有三相全桥整流电路的交流输入侧加无源滤波器电感和电容，其三相交流输入端每相分别串联滤波电感，输入滤波电容采用三角形接法。

图3a 桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路
3.2.2 桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路的Matlab仿真研究
主要仿真参数：三相交流输入电压为。

输入滤波电容参数
，输入滤波电感参数，三相整流桥输出滤波电容C=1800μF，负载电阻R=50Ω。

图3b示出输入相电压和相电流的仿真波形，图3c
为输入电流的谐波分析图。

通过测量求得功率因数值为0.794总的谐波失真率THD=21.7%。

通过仿真发现交流输入端加LC无源滤波器，降低了输入相电流的THD值，提高了电路的功率因数；增大滤波电容C，将导致相电流基波相位超前相电压的角度增大，三相交流输入端呈容性，整流输出电压增高，导致后级DC/DC变换器的开关管电压应力增大；同时增大滤波参数L和C，虽能降低电路的THD值，提高电路的功率因数值，使其最大值能达到0.998，但整流输出电压大幅增高。

图3b 桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路输入电压电流波形
图3c 桥前采用LC滤波器的三相无源PFC电路输入电流谐波分析
3.3 桥前采用LC滤波器桥后采用电抗器的三相无源PFC电路
3.3.1 桥前采用LC滤波器桥后采用电抗器的三相无源PFC电路的拓扑结构
桥前采用LC滤波器桥后采用电抗器的三相无源PFC电路如图4a所示，其特点是分别在原有三相全桥整流电路的交流输入侧加无源滤波器电感和电容，其三相交流输入端每相分别串联滤波电感L，输入滤波电容C采用三角形接法。

同时在原有三相不控整流电路的整流桥后负载之前串联一个电抗器。

图4a 桥前采用LC滤波器桥后采用电抗器的三相无源PFC电路
3.3.2 桥后采用电抗器桥后采用电抗器的无源三相无源PFC电路的Matlab仿真研究
主要仿真参数：三相交流输入电压为。

输入滤波电容参数
，输入滤波电感参数，三相整流桥输出滤波
电容C=1800μF，电感L=15mH，负载电阻R=50Ω。

图4b示出输入相电压和相电流的仿真波形，图4c为输入电流的谐波分析图。

通过测量求得功率因数值为0.804总的谐波失真率THD=15.3%。

通过仿真发现交流输入端加LC无源滤波器，降低了输入相电流的THD值，提高了电路的功率因数；整流桥后串联电抗器与未串联电抗器相比，电流波形改善非常明显。

图4b 桥前采用LC滤波器桥后采用电抗器的三相无源PFC电路输入电压电流波形
图4c 桥前采用LC滤波器桥后采用电抗器的三相无源PFC电路输入电流谐波分析
3.4 基于移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路
3.4.1 基于移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路的拓扑结构
采用移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路拓扑如图5a所示，其中L1～L3、C1～C3构成三相输入滤波器，移相变压器采用两组接法，YΔ联结和Y/Y联结。

经过三相输入滤
波器的输入电压通入移相变压器后，得到互差30°的六相对称点压，供给六相整流器，为后级电解电容器组供电，这样就可以获得一个正弦度很高的输入电流。

图5a 基于移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路
3.4.2 基于移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路的Matlab仿真研究
参照图5a建立仿真模型，其参数设置为：三相交流输入电压为。

输入滤波电容参数，输入滤波电感参数，三相整流桥输出滤波电容C=1800μF，负载电阻R=50Ω。

图5b示出示波器显示的输入相电压和相电流的仿真波形，图5c为输入电流的谐波分析图。

通过测量求得功率因数值为0.895
总的谐波失真率THD=5.1%。

该拓扑显示的输入电流正弦度比较好，可是位移因数小于1，所以整体功率因数不高。

图5b 基于移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路输入电压电流波形
图5c 基于移相变压器的12脉波整流三相无源PFC电路输入电流谐波分析
3.5 基于移相电感器的三相无源PFC整流电路[5]
3.5.1 基于移相电感器的三相无源PFC整流电路的拓扑结构
基于移相电抗器的三相无源PFC整流电路结构如图6a所示，主要由以下几部分组成，Ua、Ub、Uc组成三相电源；C1、C2和C3均为小电容用于电源初级滤波；L1到L9为三相移相电抗器，主要用于功率因数校正；D1到D12构成12脉波整流器，用于对三相移相电抗器输出的三相交流电进行整流；L10为电抗器，用于进一步提高功率因数；C4为输出滤波电容；R为负载。

其特点是在12脉波整流器前串联三相移相电抗器，从而实现功率因数校正功能。

图6a 基于移相电感器的三相无源PFC整流电路
3.5.2基于移相电感器的三相无源PFC整流电路的Matlab仿真研究
器件参数设置如下：VS1、VS2和VS3为标准正序三相正弦电压源，相电压有效值220V，频率50Hz；L1、L2和L3为三相输入电抗器，取值15mH，为了便于收敛串联一个小电阻0.01Ω；C1、C2和C3为相间滤波电容，取值为25μF；L4为桥后平波电抗，取值为10μF；C4为电解电容，用做输出滤波，取值为1800μF；R电阻负载，取值为20Ω[3][4]。

系统进入稳态后，输入相电流波形如图6b中所示。

可以看出变换器输入电流很好的跟踪了输入相电压的波形，经过无源功率因数校正后的输入相电流具有很好正弦特性，图6c为输入电流的谐波分析图。

其大小可由示波器读出为0.987。

和大电容滤波的三相整流电路的功率因数相比增大了
0.531。

基于移相电抗器的三相无源PFC整流电路仿真过程中测定的输入电流的总谐波畸变值还不到0.1，可见基于移相电抗器的三相无源PFC整流电路很大程度的减小了输入电流的总谐波畸变。

图6b 基于移相电感器的三相无源PFC整流电路输入电压电流波形
图6c 基于移相电感器的三相无源PFC整流电路输入电流谐波分析
大电容滤波的三相不控整流电路及仿真研究
对于在单相不控整流电路中，如果负载等效为一个电阻，则输入功率因数为1。

但在三相不控整流电路中，即使负载等效为一个电阻，也不能获得满意的功率因数，原因在于三相不控整流电路中三相电压通过不控整流桥互相耦合，输入电流是三个相电压的函数，不可能同时兼顾三相输入电流，使任何一相输入电流都不能独立控制为正弦波形，必须对三相输入电压进行解耦[1]。

图1a为大电容滤波的三相不控整流电路结构。

图1a 大电容滤波的三相不控整流电路
结合电路结构，下面对大电容滤波的三相不控整流电路进行仿真分析。

仿真参数设置如下：输入相电压有效值，输出滤波电容，负载。

任意一相的输入相电压相电流波形如图1b所示，图1c为输入电流的谐波分析图，仿真测量的功率因数值为0.566。

通过仿真结果可以看出：这种电路具有功率因数低，输入电流的总谐波畸变程度大，输入谐波电流含量严重超标的缺点。

图1b 大电容滤波的三相不控整流电路输入电压电流波形
图1c 大电容滤波的三相不控整流电路输入电流谐波分析
4 结束语
通过仿真发现，不同的无源功率因数校正方案，具有不同的校正效果，而且功率因数的值还受负载等其他条件的影响。

无源PFC电路采用电感、电容、二极管等元器件，代替了价格昂贵的有源器件，同时也少了复杂的控制回路和反馈环节，价格也大幅度下降，尽管电感、电容的存在造成体积、重量的增大，但是对于大功率设备来说，如果在参数设置、电路优化等环节进一步分析研究，可以在提高其功率因数和效率的同时最大程度地满足工业需求，因此，无源PFC电路市场前景依然广阔。