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技术:基于并联技术的三相功率因数的校正方法

电力电子设备的广泛应用对公共电网造成了严重的污染,谐波和无功问题越来越受到重视。为了减少电力污染的危害,许多国家制定了国际电工委员会谐波标准等相应的标准IEEE555—2和IEC—1000—3—2等。校正(Power Factor CorrecTIon,简称PFC)技术,特别是有源功率因数校正(Active Power FactorCorrection,简称APFC)该技术能有效抑制谐波,已成为研究的热点。

单相APFC技术研究相对成熟,商业化专用控制芯片较多,如UC3854,IRll 50,LTl508,ML4819.与单相功率因数校正整流装置相比,三相PFC整流装置有很多优点:(1)输入功率高,功率额定值可达几千瓦以上; (2)单相PFC整流装置的输入功率是工频变化的两倍,但在三相平衡装置中,三相输入功率脉动部分的总和为零,输入功率为恒定值,三相PFC整流装置输出功率的脉动周期仅为单相全波整流的三分之一,脉动系数较低,因此可以使用容量较小的输出电容,从而实现输出电压的更快的动态响应。

三相APFC技术正成为许多学者研究的焦点,但实际上存在一些困难,目前还没有看到成熟的专用控制芯片。如果单相APFC简单地将电路整合成三相APFC电路,将能充分利用成熟的单相控制芯片,制作出满足要求的三相APFC装置。

单相PFC组合成三相PFC技术优势是:(1)可以直接应用发展成熟的单相,无需研究新的拓扑和控制方法。PFC拓扑,以及相应的单相PFC 控制芯片和控制方法PFC同时,如果一相出现故障,其余两相仍可继续向负载供电,电路具有冗余特性;(3)由于使用单向模块,需要更少的维护,有利于产品标准化;(4)和三相PFC不需要高压设备等。

下面将对单相PFC实现三相PFC介绍几种方法。

1DC/DC变换的单相PFC并联方法

每个单相PFC后跟随隔离型DC/DC变换器,DC/DC变换器输出端并联,形成直流电路,然后向负载供电,如图1所示。这种电路可以采用三相三线连接法,也可以采用三相四线连接法,非常灵活简单。此外,这种电路可以设计为单级形式,以降低功率水平,并快速进行动态响应。但这种电路由三个完全独立的单相组成PFC及DC/DC变换器由三个外部隔离器组成DC/DC变换器,所以用的设备多,成本高。

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(1)单相PFC电路由全桥电路组成

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图2电路的特点是DC/DC开关控制相对简单,比其他电路更适合大功率场合。然而,由于隔离变压器反射电压的影响,整个桥梁电路的电流失真率高于反射电路。


(2)单相PFC电路由反激电路构成

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图4显示反激电路接近正弦的相电流,功率因数接近单位功率因数。由于其自身的结构特点,无需以增加电压为代价进行隔离。但与前两种电路相比,其功率并不容易增加。

(3)单相PFC电路由SEPIC电路构成

在Boost在变换过程中,传统隔离在这种情况下的应用并不理想,因为在电流连续的情况下,设备会产生高压应力,在电流连续的情况下会产生较大的输入电流失真。

图5所示的电路采用隔离SEPIC由电路组成的三相PFC电路,SEPIC变换器的输入端类似于Boost所以有电路Boost如果输入电流失真率低,电路的优点较小EMI滤波器。输出端SEPIC电路就像反激变换器,不需要以增加电压为代价来隔离。

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2)由三个单相组成PFC直接并联在输出端的方法

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图6是三个单相PFC变换器直接并联在其输出端,因此结构相对简单。因为电路是三个单相。PFC变换器直接并联在输出端,各相之间有严重的耦合。以下是一个相应的电路,如图7所示,电路中的三个单相PFC即使加入隔离电感和隔离二极管,也不能完全消除这种影响,导致电路效率和输入电流THD指标下降,因此在大功率场合很少使用,但在中小功率场合具有一定的使用价值。

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图9是三相输入电压的实际应用电路图。Ua,Ub,Uc(相位相差120°)。变压器通过中央抽头变成两相电压Uab和Uck(相位相差90°),Uab和Uck。矢量图如图10所示。

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通过这样的变换,就变成两个三相单开关PFC并联|Uab|≠|Uck|,然而,适当的控制可以平分两个电路的输出电压,可以抵消电容器中的低频纹波,从而有效地降低电容器的温升,延长电容器的使用寿命。由于每个电路都是独立工作的,两个电源开关的开关不会相互影响。缺点是功率因数不能在整个负载范围内进行校正。


3)矩阵式DC/DC由变换器组成的方法

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新型组合三相APFC如图11所示,该电路由三个单相组成PFC电路组合与前面介绍的三相组合PFC电路非常相似,区别在于电路中的三个单相PFC的输出并不是直接将三个单相直流输出电压并联,而是通过高频矩阵式功率变换器,使三个单相PFC直流输出耦合成一路直流输出。该电路的关键在于引入了矩阵变压器技术,充分利用了矩阵变压器磁耦合原理。其等效电路图如图12所示。

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三个单相PFC经逆变后的交变电压相位、频率、幅值相同,通过三相矩阵高频变压器的耦合、变压及隔离,输出所需要的直流电压。三个单相PFC独立性比较强,输出之间相互电气隔离,解决了三个单相PFC之间相互影响的图12利用矩阵变换器实现的等效电路图这一技术难题。

三相PFC整流电路遇到的一个很大的难题就是三相之间的耦合,上述各种方法已分别对此难题进行了相应的解决。每相分别加隔离DC/DC的做法虽然可以解决此问题,但其代价就是使电路所用的器件增多。隔离电感和隔离电容的加入可以对耦合加以抑制,而且在中小功率场合也有一定的实用价值。通过矩阵变换器实现的电路解决了这一技术难题,三个单相 PFC独立性比较强,输出之间相互电气隔离。当然代价也是使用器件相对较多。但是考虑到由单相PFC实现三相PFC的种种优势,上述各种方法还是有一定应用前景。

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