400 Hz有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 剛，潘李云，孫前剛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

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400 Hz有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 剛，潘李云，孫前剛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

設(shè)計(jì)了一種將220V/400 Hz交流輸入轉(zhuǎn)化成直流高壓輸出的交流/直流(AC/DC)功率變換系統(tǒng)。分析了該電路拓?fù)涞墓ぷ髟?，推?dǎo)了解耦算法步驟，并對(duì)主體電路進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該技術(shù)具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功率因數(shù)很高的優(yōu)點(diǎn)，適合中大功率應(yīng)用場(chǎng)合。

有源功率因數(shù)；校正；解耦

0 引 言

400 Hz中頻電源廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備，由于重量要求，此類電源容量有限，希望航電設(shè)備盡量提高功率因數(shù)，減少無(wú)功損耗，提高供電效率。采用二極管不控整流的AC/DC電路，電流波形畸變嚴(yán)重，諧波含量大,功率因數(shù)低。利用無(wú)源電抗器和電容器構(gòu)成的阻容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率因數(shù)校正效果差，通常只有0.7左右；而且體積大、笨重，不符合現(xiàn)代電源模塊高密度、集成化的設(shè)計(jì)需求[1]。

有源功率因數(shù)校正技術(shù)則可很好地解決上述問(wèn)題，采用此類技術(shù)設(shè)計(jì)的有源功率因數(shù)校正器體積小、重量輕、效率高而且功率因數(shù)很高，可達(dá)單位值。這些特點(diǎn)非常符合航空航天設(shè)備小體積、輕重量、高效率方面的需求[2]。

1 功率因數(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率因數(shù)定義[3]：

(1)

式中：Py為有功功率；Ps為視在功率;γ為畸變因數(shù)，為基波電流與總電流的比值；θ為傳送到電網(wǎng)的電壓與電流的相位差。

上述公式規(guī)定了影響FP值的2個(gè)因子:電流畸變率與電壓電流之間相位差。電流畸變?cè)叫。辔徊钤叫?，功率因?shù)就越大。對(duì)于二極管整流的方式來(lái)說(shuō)，雖然位移因數(shù)cosθ接近于1，但輸入電流中諧波含量很大，即輸入電流波形畸變因數(shù)γ很小，從而造成總功率因數(shù)FP很小。而晶閘管相控整流中，輸入電流的相位滯后于電壓，滯后角隨晶閘管觸發(fā)延遲角的增大而增大，位移因數(shù)cosθ隨之降低。與此同時(shí)，輸入電流中含有的諧波分量大，輸入電流波形畸變比較嚴(yán)重，因此總的功率因數(shù)也很低。隨著基于脈寬調(diào)制(PWM)整流的全控型有源功率因數(shù)校正拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法的日趨成熟，使用全控器件的PWM整流器已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)，其中基于全解耦控制算法的三相六開(kāi)關(guān)PWM整流器能夠使輸入電流自動(dòng)跟蹤輸入電壓波形，功率因數(shù)達(dá)到0.99甚至1.0，獲得很高的功率因數(shù)[4]，以下基于該架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

整個(gè)校正系統(tǒng)包括五部分：輸入電抗器，主功率變換器，六開(kāi)關(guān)隔離驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊，輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。主功率變換器采用三相六開(kāi)關(guān)架構(gòu)，共有3個(gè)橋臂，每臂由1個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)二極管組成，可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)控制電流的大小。這種電路的特點(diǎn)是輸入電流總諧波小，即電流畸變小，輸出電壓低，效率高，可得單位功率因數(shù)，能量可雙向流動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 解耦控制設(shè)計(jì)

對(duì)圖1電路進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，三相輸入電壓與電流相互耦合，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一相的單獨(dú)控制。事實(shí)上，三相PWM整流器是一個(gè)時(shí)變的非線性耦合系統(tǒng)，在三相靜止坐標(biāo)系中，電路的相電壓和網(wǎng)側(cè)輸入電流的瞬時(shí)值是相互耦合的，分析時(shí)需要考慮彼此間耦合關(guān)系，所以要想獲得理想的控制效果，必須對(duì)三相電氣量進(jìn)行解耦[5]。

為此，可以將三相靜止坐標(biāo)系(a,b,c)轉(zhuǎn)換到以電網(wǎng)電壓基波頻率400 Hz同步速旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)上，在正交的坐標(biāo)系中對(duì)相互垂直的矢量分別控制，從而實(shí)現(xiàn)全解耦。

具體解耦控制方法如下：

(1) 對(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電壓電流進(jìn)行采樣，得到400 Hz的輸入數(shù)據(jù)ea，eb，ec和ia，ib，ic。對(duì)采樣到的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行由三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的輸入ed，eq和id，iq的方程:

(2)

(3)

(4)

(5)

(3) 把式(4)、式(5)代入式(2)、式(3)并化簡(jiǎn)后可得:

(6)

式(6)表明，基于兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的全解耦控制算法使三相電壓源整流器(VSR)電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)了解耦控制，三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量轉(zhuǎn)化為以頻率400 Hz旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)有功電流id和無(wú)功電流iq的單獨(dú)控制。為實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)單位化，可將iq的指令電流設(shè)置為0。

3 主電路設(shè)計(jì)[6-8]

主電路將三相220 V/400 Hz的交流輸入轉(zhuǎn)化成380 V直流輸出，并且實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，主要技術(shù)指標(biāo)為：

輸入電壓：三相220 V/400 Hz

開(kāi)關(guān)頻率：6 kHz

輸出電壓：DC400V

輸出功率：5 kW

功率因數(shù)：≥0.95(滿載)

電路設(shè)計(jì)中，三相交流輸入首先經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)電抗器濾波，其主要作用是隔離電網(wǎng)與功率變換器，儲(chǔ)存能量并抑制調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波。電感的取值應(yīng)適當(dāng)，如果電感取值過(guò)小，會(huì)增加電流中高次諧波的含量;過(guò)大則會(huì)影響電流跟蹤指令的速度，造成整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降。電感按以下公式計(jì)算：

(7)

式中：Um為相電壓峰值；φ為功率因數(shù)角；ω為角頻率；Py為交流側(cè)有功功率。

將設(shè)計(jì)參數(shù)代入上式，解得L≤3.4 mH。

電感濾波后的三相電進(jìn)入三相全控整流橋，根據(jù)輸出功率計(jì)算線電流：

(8)

查閱產(chǎn)品手冊(cè)，選擇PM50CLA600智能功率模塊可滿足設(shè)計(jì)要求，該智能功率模塊(IPM)額定工作電壓600 V，允許輸入電流50 A，集成6個(gè)功率開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)模型均可等效為二極管并聯(lián)開(kāi)關(guān)形式，內(nèi)部集成過(guò)溫、短路和低電壓保護(hù)功能，可以達(dá)到最高20 kHz的工作頻率，具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)延時(shí)小、損耗低等特點(diǎn)。

控制部分使用基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片的數(shù)字化控制技術(shù)，芯片型號(hào)為TMS320F2812。其內(nèi)置EVA、EVB 2個(gè)事件管理器，每個(gè)管理器能夠控制3對(duì)相互獨(dú)立的PWM輸出，產(chǎn)生多種復(fù)雜的PWM波形。該系統(tǒng)為三相六開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，因此需要使用EVA的PWM波形發(fā)生模塊控制6個(gè)開(kāi)關(guān)的行為狀態(tài)。

信號(hào)檢測(cè)與采樣電路包括輸入電壓、電流和輸出電壓采樣與調(diào)理。取樣電路設(shè)計(jì)選用高速隔離互感器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，帶寬寬，能夠滿足負(fù)載大范圍變動(dòng)時(shí)穩(wěn)定電壓的要求。

整個(gè)有源功率因數(shù)校正(APFC)控制系統(tǒng)采用軟件編程實(shí)現(xiàn)，調(diào)試方便，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)豐富，具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，包括控制方式靈活、控制準(zhǔn)確性高、有錯(cuò)誤自檢測(cè)功能、可動(dòng)態(tài)調(diào)整多達(dá)幾十個(gè)環(huán)路參數(shù)、能夠在線調(diào)試等等。基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2為基于高速DSP的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖。輸入電壓、輸入電流和輸出電壓經(jīng)信號(hào)檢測(cè)與采樣電路調(diào)理后送至DSP芯片采樣，DSP芯片根據(jù)采樣值按照前述算法公式進(jìn)行解耦運(yùn)算和控制，輸出PWM脈沖，控制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)功率因數(shù)。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

使用FLUKE NORMA 4000CN功率分析儀對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，顯示數(shù)據(jù)表明該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相400 Hz交流輸入的有源功率因數(shù)校正，且功率因數(shù)達(dá)到0.998 41，電路輸出功率達(dá)到5 kW以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

[1] 定明芳，杜貴平.數(shù)字化三相功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007(5)：56- 61.

[2] 鄭娜.機(jī)載三相電源研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2005.

[3] 麥加.數(shù)字控制三相功率因數(shù)校正技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2013.

[4] 陳巨龍.一種三相雙開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正電路的研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[5] 涂永飛.三相有源功率因數(shù)校正研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[6] 羅濤.三相有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[7] 張文軍.三相功率因數(shù)校正及其控制技術(shù)研究[D].西安：西安理工大學(xué),2008.

[8] 杜思濤.三相有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2014.

Designof400HzActivePowerFactorCorrectionSystem

LIU Gang,PAN Li-yun,SUN Qian-gang
(The 723 Institute of CSIC,Yanzhou 225001，China)

This paper designs an alternating current/direct current (AC/DC) power transform system which switches the input of AC 220V/400Hz into DC high voltage,analyzes the operating theory of the circuit topology,deduces the decoupling algorithm steps,and analyzes the main circuit.The results show that the circuit has merits of being controlled easily,simple structure,high power factor,so is suitable for high power application.

active power factor；correction;decoupling

2017-02-14

TM91

：A

：CN32-1413(2017)03-0118-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.028