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1、4.0,输入(shr)功率因数定义,?,交流(jioli)输入电流中除基波电流,I,s1,外通常(tngchng)还含有各,次谐波电流,I,sn,（,n,2,，,3,，,4,，,）,。,?,THD,的,定义：除基波电流外的所有谐波电流总,有效值与基波电流有效值之比值,2,2,1,2,2,2,1,2,由于,h,S,n,Sn,S,S,I,I,I,I,I,?,?,?,?,?,?,?,1,2,2,2,1,2,1,1,2,1,2,1,1,S,n,Sn,S,S,S,S,S,S,h,I,I,I,I,I,I,I,I,I,THD,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?
2、,?,?,?,?,输入电流总畸变率,THD,(,Total Harmonic Distortion,),第一页，共30页。,4.0,输入(shr)功率因数定义（续,1,）,S,P,PF,AC,/,?,S,S,I,V,S,?,1,1,1,1,1,cos,/,),(cos,),/(,cos,),/(,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,S,S,S,S,S,S,S,S,AC,I,I,I,V,I,V,I,V,P,PF,2,2,1,2,2,2,2,2,1,1,1,1,1,1,1,THD,I,I,I,I,I,I,I,S,n,Sn,n,Sn,S,S,S,S,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,输入(
3、shr)功率因数,PF,（,P,ower,F,actor,）,：,交流侧电压与电流基波(j b)分量之间的相位角,1,称为,基波位移角,；,基波功率因数,cos,1,称为,基波位移因数,DPF,；,基波因数：,若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有,功功率。这时,，,定义：交流电源输入有功功率,P,AC,与其视在功率,S,之比，即,第二页，共30页。,4.1.1,谐波电流的危害(wihi)及改善措施,?,220V,单相交流(jioli)电网不控整流电容滤波的应用极为广泛，,但存在以下主要(zhyo)缺点：,(,1,),仅在交流电压的瞬时值大于电容电压时才有输入电,流，
4、电流波形严重畸变，呈脉冲状。,(,2,),直流输出电压只与交流输入电压有关而不能调控。,(3),为了得到输出可控的直流电压，可采用相控整流。,但脉动很大，且最低次谐波频率为,2,次谐波，需要很大的滤,波器才能得到平稳的直流电压。,(4),在相控直流电压较低时电源功率因数低。,图,5.35,AC/AC,整流电路,第三页，共30页。,4.1.1,谐波电流(dinli)的危害及改善措施（续,1,）,流过线路阻抗造成谐波电压降，使电网(dinwng)电压也发生畸变；,?,可能危害通讯(tngxn)线路；,?,会使线路和配电变压器过热，损坏电器设备；,?,会引起电网,LC,谐振；,?,高次谐波电流流过电
5、网所产生的谐波电压可能使电容器过流、,过热而爆炸；,?,在三相四线制电路中，中线流过三相的三次谐波电流,(3,倍的,3,次,谐波电流,),，使中线过流而损坏；,?,还使整流负载交流输入端功率因数下降，其结果是发电、配电,及变电设备的利用率降低，功耗加大，效率降低。,谐波电流对电网有严重的危害作用：,第四页，共30页。,4.1.1,谐波电流(dinli)的危害及改善措施（续,2,）,限制电网(dinwng)谐波电流相应的,国际标准(u j bio zhn)已经颁布实施,，如,IEC-555-2,，,EN60555-2,等，表,5.7,给出了某一标准要求的谐波,电流限制值。,表,5.7 AC-DC
6、,变流电路对输入端谐波电流的限制值,不控整流能使基波电流与交流电源电压基本同相,，,cos,1,=1,，,但,呈脉冲状的电流含有很大的谐波成份，因而交流电源的功率,因数不高,。,7,10,30,2,谐波电流,(,以基波为基数,),7,次,5,次,3,次,2,次,谐波阶次,第五页，共30页。,图,5.35 AC/DC,整流(zhngli)电路,(1),附加(fji)无源滤波器,优点(yudin)：,简单、可靠性高、电磁干扰,EMI,小。,缺点：,体积、重量大，难以得到高功率因数,(,一般提高到,0.9,左右,),，工作,性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电,电流并可能
7、引发电路,L,、,C,谐振等。,在图示的整流器和电容之间,接入一个滤波电感，或者在交流,侧并联接入,LC,滤波器。,采用,两类技术措施,可减小电源电流中的谐波电流，提高功率因数,4.1.1,谐波电流的危害及改善措施（续,3,）,第六页，共30页。,4.1.1,谐波(xi b)电流的危害及改善措施（续,4,）,图,5.36,含,升,压,型,(B,oost),功,率,因,数,校,正,器,环,节,的,高,频,整,流,器,(2),附加(fji)有源功率因数校正器或采用高频,PWM,整流(zhngli),含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为,有源功,率因数校正,(Active Power Facto
8、r Correction)APFC,。,优点：,?,功率因数高，,THD,小；,?,可在宽范围输入电压,下工作；,?,体积、重量轻；,?,输出电压恒定。,不足,:,?,单向的,PWM,整流。,第七页，共30页。,4.1.2,含升压(shn y),(Boost),型功率因数校正器的高频(o pn)整流,图,5.36,含,升,压,型,(B,oost),功,率,因,数,校,正,器,环,节,的,高,频,整,流,器,主电路(dinl)：,1),单相桥式不控整流器,2)Boost,变换器,?,控制电路,：,1),电压误差放大器,V,AR,2),电流误差放大器,CAR,3),乘法器,4),比较器,C,5),
9、驱动器,6),其它相关电路,第八页，共30页。,4.1.2,含升压(shn y),(Boost),型功率因数校正器的高频(o pn)整流（续,1,）,?,含有(hn yu)一个,Boost Converter,，实,现升压式,DCDC,的变换；,?,控制电路由一个电压外环和一,个电流内环构成；,?,升压电感中的电流受到连续监,控和调节，使之能跟随整流后,正弦半波电压波形。,电路特点：,第九页，共30页。,4.1.2,含升压(shn y),(Boost),型功率因数(n l yn sh)校正器的高频整流（续,2,）,有源功率因数校正(jiozhng)的控制思想,思路,:,主要是控制已整流后的电流
10、，能与整流后的电压波形相同，,从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。,Boost,APFC,原理电路,T,导通时,，二极管电流为,零，,|i,S,|=i,L,=i,T,；,?,T,断开时,，,|i,S,|=i,L,=i,D,，,?,具有高频纹波的输入电流,i,S,经很,小的,LC,滤波后即可得到正,弦波电流。,第十页，共30页。,4.1.2,含升压(shn y),(Boost),型功率因数校正器的高频(o pn)整流（续,3,）,Boost,型功率因数(n l yn sh)校正器,(APFC),的主要优点,(1),输入电流连续，电磁干扰,EMI,小。,(2),开关器件,T,的电压不超
11、过输出电压值。,(3),有许多集成控制电路芯片可供设计者选用。,缺点,(1),输入、输出间没有绝缘隔离,(2)Boost APFC,适用于,1kW,2kW,以下的负载,第十一页，共30页。,4.1.3,带反激式功率因数校正器的高频(o pn)整流,图,5.37,带,反,激,式,功,率,因,数,校,正,器,环,节,的,高,频,整,流,器,?,T,导通,时,V,dc,加在变压器原方绕组等效(dn xio)电感,L,1,两端(lin dun)，,i,1,从零上升到,i,p,，电感,储能，二极管,D,阻断，,i,2,=0,。,?,T,截止,时，,i,1,=0,，电感,L,2,释放磁能，,D,导电，,i
12、,2,向,C,充电并向负载供电。,?,反激式电路,第十二页，共30页。,4.1.3,带反激式功率因数(n l yn sh)校正器的高频整流（续,2,）,?,工作(gngzu)模式为,不连续(linx)导电模式,DCM,，双,半波正弦虚线为电流峰值,i,P,的包络线。,?,I,1,为两个近似的正弦半波，,i,s,为一个近似的正弦波。脉动频率很高，经不,大的,L,、,C,滤波器即可将滤为正弦电流。,第十三页，共30页。,4.2,三相(sn xin),PFC,?,4.2.1,几种(j zhn)典型的三相,PFC,?,4.2.2,三相(sn xin)高频,PWM,整流,第十四页，共30页。,图,5.2
13、9,两组三相桥并联(bnglin)组成的,12,相整流(zhngli)电路,?,?,2,2,2,b,N,a,N,cN,i,i,i,?,?,?,?,?,2,2,2,3,1,b,a,aN,i,i,i,?,?,4.2.1,几种(j zhn)典型的三相,PFC,12,脉波整流电路,?,?,2,2,2,2,bN,aN,a,aN,i,i,i,i,?,?,?,第十五页，共30页。,?,?,3,/,3,2,2,1,2,1,b,a,aN,aN,aN,A,i,i,i,i,i,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,t,t,t,t,I,t,i,d,A,?,?,?,?,?,
14、23,s,in,23,1,13,s,in,13,1,11,s,in,11,1,s,in,3,4,原方,A,相电流应为,：,除基波(j b)外，仅含,12K,?,1,（,K=1,，,2,，,3,）次电流(dinli)谐波。最低次电流(dinli)谐波为,11,次。而三相(sn xin)桥,6,脉波整流电路交流电源中含有,6K,?,1,次谐波电流，最低次,谐波电流为,5,次。,第十六页，共30页。,三相(sn xin)单开关,PFC,优点(yudin)：,1.,引入,boost,变换器,(Lb,Qb,Db),后，功率因数(n l yn sh)提高。,2.,控制简单，成本较低，采用较小的滤波器就可滤
15、除,高次谐波。,缺点,:,电压、电流应力大；,5,次谐波大。,要提高功率因数，须提高直流电压。,第十七页，共30页。,三个单相(dn xin),PFC,组成(z chn)三相,PFC,优点(yudin)：,1.,可利用单相比较成熟的,PFC,技术，由三个单相,PFC,同时供电，控制简单。,缺点,:,元器件较多，成本高。,第十八页，共30页。,三相(sn xin)六开关,PFC,电路(dinl),?,优点(yudin)：,(1),将交流电源输入电流控,制为畸变很小的正弦化,电流，且功率因数可接近于,1,。,(2),体积、重量可以大大地减少。,(3),动态响应速度显著提高。,?,缺点：,开关管数量
16、多，控制较为复杂。,图,5.40,三,相,P,W,M,整,流,器,第十九页，共30页。,?,PWM,开关模式(msh)整流器被称为,PWM,整流器。,按是否(sh fu),具有(jyu)能量回馈功能分为：,1,、无能量回馈功能的,PWM,整流器,(PFC-Power,Factor Correction),：例如，上节介绍的单相,PWM,整,流器。,2,、具有能量回馈功能的开关模式整流器,(Reversible,SMR),：如本节将要介绍有能量回馈功能的三相,PWM,整流器。,4.2.2,三相高频,PWM,整流,20,第二十页，共30页。,图,5.,3,8,单,相,半,桥,P,W,M,整,流,器
17、,图,5.3,9,单,相,全,桥,P,W,M,整,流,器,图,5.40,三,相,P,W,M,整,流,器,?,除要有输入(shr)电感，,PWM,整流器的主电路结构(jigu)和逆变器一样。,?,稳态工作时，整流器输出直流电压不变，开关管按正弦(zhngxin)规律作脉宽调制，,交流侧的电压是和逆变器输出电压类似的,SPWM,电压波。,?,由于电感的滤波作用，交流电源流入的电流中谐波电流不大，变换器交流,侧电压可以看作是可控正弦交流电压源，它与电网的正弦电压共同作用于输,入电感,L,，产生正弦输入电流，这种高频,PWM,整流是升压变换。,?,适当控制整流器交流端的电压的幅值和相位，就可以获得所需
18、大小和相位,的输入电流，并使直流电压保持为给定值。,21,4.2.2.1,能量可回馈型的,PWM,整流器主要特点,第二十一页，共30页。,?,通常(tngchng)交流电感,L,上压降不大(b d)，因此这种变换器直流输出电压总是大,于交流电源电压峰值，因此(ync)这种高频,PWM,整流是升压变换。,?,高频,PWM,整流器的主电路都是能量可双向流动的电力变换器，既,可运行在整流状态，也可运行在逆变状态，作整流器只是它们的功能,之一。,?,主电路结构还可以用于无功补偿器，有源电力滤波器，风力、太阳,能发电，电力储能系统，有源电子负载等应用领域，其控制方式和整,流器控制也有很多相近的地方。,图
19、,5.3,9,单,相,全,桥,P,W,M,整,流,器,第二十二页，共30页。,23,4.2.2.2,交流(jioli),/,直流双向,PWM,变换器工作(gngzu)原理,第二十三页，共30页。,?,三相桥式变换器交流(jioli)输入端电压为,V,ia,(t),、,V,ib,(t),、,V,ic,(t),。,t,V,t,v,S,S,a,?,s,i,n,2,),(,?,?,),1,2,0,s,i,n,(,2,),(,?,?,?,?,t,V,t,v,S,S,b,?,),1,2,0,s,i,n,(,2,),(,?,?,?,?,t,V,t,v,S,S,c,?,),s,i,n,(,2,),(,?,?,
20、?,?,t,I,t,i,S,a,),1,2,0,s,i,n,(,2,),(,?,?,?,?,?,?,t,I,t,i,S,b,),1,2,0,s,i,n,(,2,),(,?,?,?,?,?,?,t,I,t,i,S,c,式中,I,s,是交流电源流入双向变换器的电流(dinli)有效值，,是,滞后(zh hu),的,功率因数角。,24,?,交流输入电流为：,?,三相交流电压输入为：,第二十四页，共30页。,),-,s,i,n,(,2,),(,?,?,t,V,t,V,i,i,a,?,),-,1,2,0,-,s,i,n,(,2,),(,?,?,?,t,V,t,V,i,i,b,?,),-,1,2,0,s,
21、i,n,(,2,),(,?,?,?,?,?,t,V,t,V,i,i,c,理想(lxing)的三相桥变换器交流侧相电压为,是三相桥交流输入(shr)端相,电压(diny)有效值，,是,i,落后于,V,S,的相位落,后角。,i,V,S,V,25,X,I,j,V,V,S,i,S,?,?,?,?,?,q,S,i,i,d,X,I,V,F,H,O,H,O,F,V,V,?,?,?,?,?,?,?,c,o,s,d,i,i,q,X,I,F,E,V,V,?,?,?,?,s,i,n,?,?,s,i,n,/,),c,o,s,(,/,),(,?,?,?,?,?,?,S,i,S,i,d,S,q,I,X,V,V,X,V,V
22、,I,?,?,cos,si,n,?,?,?,?,S,i,iq,d,I,X,V,X,V,I,第二十五页，共30页。,得到交流电网输入(shr)到变换器的有功功率,P,和无功功率(w n n l),Q,：,X,V,V,X,V,V,I,V,I,V,P,i,S,i,q,S,S,S,d,S,/,s,i,n,3,/,3,c,o,s,3,3,?,?,?,?,?,?,X,V,V,V,I,V,I,V,Q,i,S,S,S,S,q,S,?,?,c,o,s,3,s,i,n,3,3,?,?,?,?,26,第二十六页，共30页。,?,当电压(diny),V,i,数值(shz)较大,，以致(yzh),V,i,cosV,s,
23、时，则,I,q,为负，,Q,为负，即变换,器向电网,输出,无功电流,。,?,当电压,V,i,较小,，,V,i,cosV,s,时，,I,q,为正，,Q,为正，即变换器从电网吸,收无功电流。,?,当变换器交流输入端电压,V,i,相位滞后于,V,S,时,，即滞后角,为正,值时，有功电流为正值，,P,为正，表示交流电源向变换器输出有功,功率，,变换器工作于整流状态。,?,当变换器交流输入端电压,Vi,的相位超前,VS,时,，那时滞后角,为负值，,P,为负，表示交流电源从变换器输入有功功率，,变换器工作于逆变,状态。,27,X,V,V,X,V,V,I,V,I,V,P,i,S,i,q,S,S,S,d,S,
24、/,s,i,n,3,/,3,c,o,s,3,3,?,?,?,?,?,?,X,V,V,V,I,V,I,V,Q,i,S,S,S,S,q,S,?,?,c,o,s,3,s,i,n,3,3,?,?,?,?,第二十七页，共30页。,?,两个(lin)交流电源之间的有功电流、有功功率,P,总是(zn sh)从相位超前的,电源(dinyun)流向相位滞后的电源(dinyun)；,?,电压数值高的电源才有可能向电压低的电源输出滞后的感性,无功电流和感性无功功率,Q,。,?,综上，变换器就是一个理想的,AC-DC,双向功率变换器。,28,结论：,X,V,V,X,V,V,I,V,I,V,P,i,S,i,q,S,S,
25、S,d,S,/,s,i,n,3,/,3,c,o,s,3,3,?,?,?,?,?,?,X,V,V,V,I,V,I,V,Q,i,S,S,S,S,q,S,?,?,c,o,s,3,s,i,n,3,3,?,?,?,?,第二十八页，共30页。,三相电压型高频(o pn),PWM,整流器中,6,个开关(kigun)器件,T,1,T,6,进行(jnxng)三相,SPWM,逆变器的通、断控制。,令,T,1,T,6,SPWM,控制的调制参考波频率,f,r,等于交流电源,V,sa,、,V,sb,、,V,sc,的频率,f,s,，,V,ia,、,V,ib,、,V,ic,中的谐波频率则由,T,1,T,6,SPWM,控制的
26、高频载波频率,f,C,决定，,V,ia,、,V,ib,、,V,ic,中的高次谐波频率很高。,29,4.2.3,三相电压型高频,PWM,整流控制系统,第二十九页，共30页。,1,、电容器,C,上的直流电压必须(bx)恒定，因此采用,电压(diny)闭环控制,。,由,PI,型电压(diny)误差调节器,VR,的输出作为,有功电流指令值,，再根,据所要求的功率因数角，,得到,无功电流指令值,进而得到双向变换,器交流侧基波电压指令值，根据三相,SPWM,调制原理，形成,6,个开,关器件的通断信号，得到所需的交流电压。,2,、当,整流负载或直流电压指令值改变时,，则有功电流指令值,改变，从而改变交流电源送入变换器的有功电流、有功功率。,3,、在,交流电源电压和直流负载任意变化时,，这种电压闭环控,制可使直流输出电压维持恒定。,30,第三十页，共30页。,
