高功率因素整流器技术综述电话插头

高功率因素整流器技术综述

高功率因素整流器技术综述 2011年12月09日 来源： 引言近年来，我国的钢铁行业中引进了三菱电机制造的交-直-交型PWM矢量控制变频调速装置。在该类设备中三菱电机设计开发的各种容量中(二电平、三电平)都使用高功率因数控制技术的整流器。这种整流器可获得高功率因数(功率因数为1.0)及低谐波分量的性能。高功率因数的实现，降低了对供电电网容量的要求和污染，省略了供电系统中的无功补偿电路和谐波滤波器安装要求。也可以相对减小整流变压器的容量。克服了串调逆变装置的系统功率因数低、动态响应慢的突出弱点。

2 高功率因数控制的提出所谓功率因数是指电路输入的有功功率(P)与视在功率(S)的比值，即:Pf = P/S (1)一般认为输入的电网电压为正弦波, 则Pf可表示成: Pf =ε×cosΨ１ (2) 上式中ε为输入电流波形的失真因素,cosΨ１基波相移因素。显然功率因数大小取决于上面两个因素。对于普通的整流器,由于主电路的输入侧一般是经三相桥式不控整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低。它带来的主要危害:(1) 输入电流大;(2) 由于输入电流包含大量的高次谐波，在线路阻抗上形成干扰电压，造成严重的谐波污染。因此，消除对电网的谐波污染，控制用电设备的功率因数，实现能量的再生利用等控制技术,受到了广泛重视。而三菱电机的MELVEC的高功率因数整流器就是一种典型的应用。3 高功率因数整流器的控制技术三菱电机公司生产的高功率因数整流器(MELVEC)，应用双PWM的控制技术。其拓扑结构如图1所示，主回路采用了交-直-交型的电路结构[1>，包括整流器主回路、输入变压器、变频器主回路及ACM(交流电动机)。其中前者是采用高功率因数控制[2>，后者是矢量控制，而整流器在控制上采用了和逆变器相同的PWM的方式，由于PWM整流器闭环控制作用，能使电网电流与电压同频率、同相位，实现了能量双向流动，进而消除了网侧谐波污染，从控制上保证了高功率因数的实现。 图1 MELVEC电路结构图3.1 整流变压器MELVEC交流传动系统中的整流变压器和普通的变压器不同，普通变压器的漏感小于10%，而MELVEC中整流变压器的漏感为20%。MELVEC整流器正是利用了这个大的漏感作为交流电感来实现高功率因数的控制。因此，它是一个为高功率因数控制而设计的特殊变压器。3.2 整流器主回路由上述可知，它并非通常意义的整流器，从主回路电路结构上来看，它和逆变器是非常相似的(对称等价构造)。因此整流器工作原理也和普通的整流器不同，可近似看作逆变器运行。它使整流器三相输入电流中的谐波成份变小，电流波形失真因素近似为“1”，这样就解决了因输入电流畸变而引起的功率因数下降的问题。3.3 高功率因数整流器的动作、控制原理如图2所示，如系统电压为Vs，整流器为了控制期望的输入电流值，而通过PWM方式调节装置的输入电压Vc、输入电流Is，这样输入变压器漏电感L的两端电压ΔV为:ΔV＝Vs－Vc＝jωL×Is (3)进而输入电流Is可以表示为:Is＝ΔV/ jωL (4)由式(3)可知，只要使整流器输入电压Vc(整流器中唯一可直接控制量)改变就可控制ΔV，显然由式(4)可达到控制Is的目的。由于整流器输入电压Vc的幅值和相位可用PWM控制器而任意改变。这样就可以控制系统电压Vs和整流器输入电流Is的任意相位。从而使得整流器系统电压Vs和输入电流Is的相位保持一致，实现了基波相移因素为“1”。图2示出整流器工作在第一象限时两种功率因数情况下的电压、电流矢量图。显然，只要适当的调节Vc的相位及幅值，能使其功率因数为1。在三菱电机的高功率因数整流器中，为了确保系统电压VS的相位基准，相位检出是采用PLL(Phase Locked Loop)锁相环进行控制。图2 电压、电流矢量的关系3.4 控制系统高功率因数整流器的控制包括对整流器输出电压的控制及对整流器输入三相交流电流波形和相位的控制。因为设计了特殊的整流变压器及与逆变器完全相同的整流回路，MELVEC的高功率因数整流器实际上是把其负载回路等效为一个异步电动机来进行控制。也就是说，这样的控制相当于逆变器中的矢量控制。首先是将输入的三相电流IR，IS，IT，经3相/2相的变换,将(R，S，T)坐标系中的变量变化到固定坐标系(α,β)中，随后通过坐标旋转变换为旋转坐标系(d，q)中的变量。这里坐标系的定向与电动机的矢量控制不同，不是通过气隙磁场来定向，而是通过保持q轴与VS的方向一致来进行，其(d，q)坐标矢量关系如图3所示。通过这样的坐标变换就可将固定坐标系下的交流量变化为旋转坐标系下的直流量来进行控制，得到的旋转坐标系下的控制量，再通过坐标反变换转化

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