孫志成, 王小鵬, 田俊偉

　?。ㄌm州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070）

       摘要：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，電流環(huán)則在主要占空比信號附近調(diào)節(jié)小的高頻動態(tài)信號,，負擔較輕且響應快,；最后調(diào)整采樣時刻及PI調(diào)節(jié)器參數(shù)實現(xiàn)APFC校正。仿真實驗表明,，帶前饋的平均電流數(shù)字控制方法控制的三相六開關(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)定波動很小。

　　關(guān)鍵詞：功率因數(shù),；諧波含量,；前饋；平均電流法,；數(shù)字控制

　　中圖分類號：TM461文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.007

　　引用格式：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］.微型機與應用,，2016,35（20）：27 30.

0引言

　　三相有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction,APFC)電路工作機理復雜，校正方法繁瑣,，效果不理想,，即使負載等效為電阻時，也不能獲得令人滿意的功率因數(shù),。主要原因為三相電壓相互耦合,，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際應用［1］,。因此,，研究控制方法簡單易行、電路結(jié)構(gòu)簡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)具有很高的實用價值。

　　本文采用有零線的三相六開關(guān)Boost APFC電路,，在平均電流法數(shù)字控制APFC校正的基礎上,，結(jié)合前饋控制，對三相不控整流電路進行APFC校正,，調(diào)整采樣時刻及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電路拓撲結(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，通過脈沖寬度調(diào)制(Pluse Width Modulation,PWM)控制技術(shù)動態(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),，同時保持輸出直流電壓的穩(wěn)定,。

　　典型三相六開關(guān)Boost APFC電路是由6只功率開關(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,，每個橋臂由上下兩個開關(guān)管組成,，每相電流可通過與該相連接的橋臂上的兩只開關(guān)管進行控制。其優(yōu)點是功率因數(shù)較高,，諧波含量低,，效率高，適用于中,、大功率場合,；缺點是開關(guān)器件多，控制復雜,，每個橋臂上兩只開關(guān)管存在直通短路的危險,，對開關(guān)管驅(qū)動的可靠性有較高的要求。本文采用的電路拓撲為有零線的三相六開關(guān)Boost APFC升壓型拓撲,。如圖1所示,，該電路拓撲結(jié)構(gòu)不僅具有典型三相六開關(guān)Boost APFC電路的優(yōu)缺點，而且消除了相與相之間的

　　相互影響,。以A、B兩相為例,，假設uAN>0,，uBN<0，當開關(guān)管S1,、S5同時導通時,，由于電感電流不能突變，A相的電流流經(jīng)S1之后不會再流入B相變換器,；當開關(guān)管S1,、S5同時關(guān)斷時，也

　　是由于電感電流不能突變使得A相的電流不會再流入B相變換器［3］。這樣便消除了開關(guān)管同時導通和關(guān)斷時的相間耦合,。

2控制方法

　　模擬控制中,，信號的采樣是實時連續(xù)的，輸入電流的采樣值可以實時連續(xù)地和電流參考值進行比較,。然而對數(shù)字控制而言,，信號的采樣是不連續(xù)的。由于采樣的不連續(xù),，必然導致輸入電流采樣值與實際電感電流的平均值有誤差,，進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,。為達到這個目的，通常采用調(diào)整采樣時刻和調(diào)整電流采樣濾波的方法,。本文采用數(shù)字控制,，將采樣時刻調(diào)整在三角載波的波谷位置，在這個時刻采樣的電感電流值更接近于電感電流的平均值［4］,。

　　平均電流法是通過控制輸入電流的平均值,，使其與輸入整流電壓同相位來實現(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上增加一個前饋環(huán)節(jié),，增加前饋環(huán)節(jié)后，PWM比較器占空比信號不再由電流控制環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出單獨決定,，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值和輸出電壓參考值。它提供了占空比信號的主要波形信息［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ia被采樣后與基準電流信號Iref比較，其高頻分量的變化通過電流誤差放大器被平均化處理,。放大后的平均電流信號Dpi與前饋環(huán)節(jié)的輸出信號Dff一起與三角載波信號比較,，共同為開關(guān)管S1提供PWM驅(qū)動信號并決定了其應有的占空比，使電感電流逼近電感平均電流,。

3關(guān)鍵參數(shù)設計

　　本文設計主電路輸入三相交流AC 176～220 V,直流側(cè)輸出電壓DC 370 V,開關(guān)管工作頻率24 kHz,負載5～15 kW,變換效率>0.95［7-10］,。升壓電感:

　　式中:，計算得升壓電感為800 μH,，根據(jù)工程經(jīng)驗并考慮工程實現(xiàn),，本文選取1 000 μH［11］、硅鋼材質(zhì),、鋁導線繞制,；濾波電容

　　式中取2%，ω為角頻率,，計算得濾波電容為6 058 μF/450 V［12-13］,考慮工程實現(xiàn),，本文選取14個470 μF/450 V電解電容并聯(lián)。

4仿真實驗與結(jié)果

　　為了驗證本文方法對功率因數(shù),、諧波含量以及穩(wěn)定輸出電壓等指標的效果,，利用有零線的三相六開關(guān)Boost APFC升壓型拓撲搭建了三相不可控整流電路的Simulink仿真模型［14-16］并進行了仿真，電路模型如圖3所示,。

　　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,。

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近似,，所以本文搭建了監(jiān)測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)測功率因數(shù)的模型比較簡陋，監(jiān)測到的PF值偏小,，實際的PF約為0.998,。

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

5結(jié)束語

　　帶前饋的平均電流數(shù)字控制算法簡單易行，有零線的三相Boost整流電路結(jié)構(gòu)簡便且很好地消除了相間耦合,。本文提出的方法通過仿真實驗驗證,，有效地提高了三相不控整流器的功率因數(shù)，達到了約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,。符合實際應用需求,，可應用于工程實踐。

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