CN102497094A - 一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法 - Google Patents

一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法,本发明的电路由三路过零检测器，输入电感L1、L2及L3,三相整流桥,三个双向开关S1、S2及S3，滤波电容器C1、C2及电流传感器和控制器构成；本发明的控制方法通过控制三个双向开关的导通脉冲宽度,实现功率因数校正功能,较好地解决了传统工频三相三开关三电平功率因数校正电路的负载适应性差的问题。在输入稍加无源吸收的情况下,满载输出时,输入电流总谐波失真（THD）为2%左右,半载输出时,输入电流总谐波失真（THD）为3.5%左右,功率因数PF均为0.99。

Description

一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及功率因数校正电路及其控制方法，特别是一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法，其属于电能变换装置的交流-直流变换器领域。
背景技术
伴随着电力电子技术的广泛应用，电网谐波污染的危害越来越引起人们的关注，接入电网的设备产生的谐波使得电网的安全受到很大的危害，严重时可使得接入同一电网的其他设备不能正常工作，甚至造成设备损坏，使得人们对电能变换装置的输入电流总谐波失真(THD)的要求及输入功率因数(PF)的要求越来越高。因此，用电设备的功率因数校正一直是业界十分关注的课题，而且今后将会越来越重视。在功率因数校正电路中，三相功率因数校正占据有十分重要的位置，三相功率因数校正电路的类型有多种，有单开关型、两开关型、三开关型及六开关型。其中，工频三相三开关三电平功率因数校正电路，具有开关频率低、控制简单、无需零线、开关应力低及安全性高的特点，使其在用电设备的功率因数校正中得到推广使用。
据申请人所知，传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路, 包括输入电感L1、L2、L3, 三相整流桥，三个双向开关,滤波电容器C1、C2，三个过零检测器及三个30度定宽电路组成。电感L1、L2及L3的一端与三相电压源相连接，电感L1、L2及L3的另一端与三相整流桥的三个交流输入端相连；三个交流输入端分别与三个双向开关的一端相连，三个双向开关的另一端连接在一起，同时与电容C1、C2的中点相连；电容C1另一端与三相整流桥的正输出相连，电容C2另一端与三相整流桥的负输出相连。一个过零检测器与一个30度定宽电路串接，再与三相电压源一相连接。三个过零检测器检测三相输入的过零信号，各相的过零信号各自触发各相30度定宽电路去形成控制脉冲，控制该相的双向开关导通，实现功率因数校正功能，其电路原理示意图请参见图1。
申请人在研究中发现，由于传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路受到控制的三个双向开关的导通脉宽为定宽,从而导致传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路的负载适应性很差,基本上只能工作在负载变化不大的应用环境。而且，这种传统电路所要求控制的输入电流总谐波失真（THD）是会随负载的减轻而快速地增大，输出电压不断升高，在负载很轻的条件下，输出电压会高到击穿滤波电容直至损坏用电设备，因而使其应用受到了很大的限制。传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路满载时输入电流波形请参见图2，此时的输入电流总谐波失真（THD）为6%左右，请参见图3；其半载时输入电流波形请参见图4，此时的输入电流总谐波失真（THD）为19.4%左右，请参见图5； 当负载进一步减轻时，其输入电流总谐波（THD）将进一步快速恶化。
发明内容
本发明的目的是：针对上述传统技术的不足，在保留传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路的优点的条件下，克服上述传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路负载适应性差的缺陷，以创新的构想，去掉30度定宽电路，使控制脉冲的宽度在一定范围内能够调控，提出一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法。
本发明的技术解决方案是：一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路，电路包括三路过零检测器、输入电感L1、L2、L3, 三相整流桥，三个双向开关S1、S2、S3,滤波电容器C1、C2 ；过零检测器检测输入三相电压的过零点并产生过零脉冲，其特征在于，三个双向开关S1、S2、S3实施脉宽控制，进行功率因数校正；所述电路还包括电流传感器和控制器，其中电流传感器检测该电路的输出电流；控制器根据所检测的输出电流的大小决定控制脉宽T，并控制三个双向开关S1、S2、S3实施功率因数校正。
其特征在于，电感L1、L2、L3的一端与三相电压源相连接，电感L1、L2、L3的另一端与三相整流桥的三个交流输入端中的一个交流输入端相连，同时三个交流输入端分别与三个双向开关S1、S2、S3的一端相连，三个双向开关S1、S2、S3的另一端连接在一起，同时与电容C1、C2的中点相连，电容C1另一端与三相整流桥的正输出相连，电容C2另一端与三相整流桥的负输出相连；三个过零检测器连接于三相电源输出端，电流传感器连接于所述电路的直流输出与负载之间。
其特征在于，过零检测器检测输入的三相电压的过零点，并将过零点脉冲信号送入控制器，用以决定各对应控制脉冲的起始时间。
其特征在于，电流传感器用于测量输出电流的值，并将所测结果送给控制器，用以决定各对应控制脉冲的脉宽。                  
作为本发明的进一步改进，为得到更小的输入电流总谐波失真（THD），将上三相三开关三电平功率因数校正电路中的三个电感L1、L2、L3均分裂为两个电感。
其特征在于，所述电感L1、L2、L3均分裂为两个电感，使得：L1=L1-1+L1-2；L2=L2-1+L2-2；L3=L3-1+L3-2；且使得：L1-1=0.2×L1、L2-1=0.2×L2、L3-1=0.2×L3；在所分裂的电感的连接点接入由Lx及Cx构成的串联谐振回路，串联谐振回路谐振于输入交流电源的5、7或者11次谐波上，选择两个即可。
结合上述的一种三相三开关三电平功率因数校正电路，本发明提出了一种三相三开关三电平功率因数校正电路的控制方法：包括检测和控制，检测采用二个步骤，其一，检测三相输入电压的过零点；其二，检测设备的输出电流；其特征在于，根据检测结果进行控制，由所检测到的各相电压的过零点，决定所对应的控制开关的控制脉冲的起始点，由所检测到的输出电流值决定该控制脉冲的脉宽T，并控制所对应的双向开关的开通及关断。
其特征在于，控制器产生的控制脉宽T与所检测的设备输出电流呈线性关系，且符合y=kx+b的特征。其脉宽T与电压值y存在一一对应的线性关系。电压值kx为电流传感器的输出电压，其中x为所测设备输出电流值，k为该电流传感器的响应系数且为常数，b为一固定电压。
其特征在于，当输出电流为设计额定值时，控制器产生的脉宽T为30度至35度之间，当其输出电流为设计额定值的二分之一时，控制器产生的脉宽T为22度至27度之间，而输入电压的一个正弦周期为360度，具体的宽度值以当时所测输入电流的总谐波失真（THD）最小时为准。
本发明提出的一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路的控制方法能较好地解决传统工频三相三开关三电平功率因数校正电路的负载适应性差的问题。在输入稍加无源吸收的情况下,满载输出时,其输入电流波形见图8，输入电流总谐波失真（THD）为小于2%,请参见图9；半载输出时, 其输入电流波形见图10，输入电流总谐波失真（THD）为小于3.5%,请参见图11,功率因数PF均为0.99。 
本发明的优点是，构思新颖，对现有结构进行合理改进，采用的控制方法恰当，且有针对性，能很好地解决现有技术存在的缺陷和不足，由以上的结果可见，本发明的工频三开关三电平功率因数校正电路及其控制方法产生的效果是十分明显的。满载时的输入电流总谐波失真由以往的6%左右提高到小于2%，半载时的输入电流总谐波失真由以往的19.4%左右提高到小于3.5%，且直到负载接近空载，本发明的工频三开关三电平功率因数校正电路输出电压几乎不变，其负载适应性问题得到了很好地解决。
附图说明
图1、传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路原理示意图。
图2、传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路在定脉宽控制条件下5400W输出时输入电流波形图。
图3、传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路在定脉宽控制条件下5400W输出时入电流总谐波失真（THD）图。
图4、传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路在定脉宽控制条件下2700W输出时输入电流波形图。
图5、传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路在定脉宽控制条件下2700W输出时输入电流总谐波失真（THD）图。
图6、本发明的工频三相三开关三电平功率因数校正电路原理示意图。
图7、本发明的工频三相三开关三电平功率因数校正电路带输入吸收单元的电路原理示意图。
图8、本发明在脉宽控制条件下5400W输出时输入电流波形图。
图9、本发明在脉宽控制条件下5400W输出时输入电流总谐波失真（THD）图。
图10、本发明在脉宽控制条件下2700W输出时输入电流波形图。
图11、本发明在脉宽控制条件下2700W输出时输入电流总谐波失真（THD）图。
图12、本发明采用的控制器的电路原理示意图。
具体实施方式
下面，根据附图，详细描述本发明的实施例。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路包括输入电感L1、L2、L3, 三相整流桥，三个双向开关S1、S2、S3,滤波电容器C1、C2，三路过零检测器及三个30度的定宽电路组成。电感L1、L2及L3的一端与三相电压源相连接，电感L1、L2及L3的另一端与三相整流桥的三个交流输入端相连；三个交流输入端分别与三个双向开关S1、S2、S3的一端相连，三个双向开关S1、S2、S3的另一端连接在一起，同时与电容C1、C2的中点相连；电容C1另一端与三相整流桥的正输出相连，电容C2另一端与三相整流桥的负输出相连。过零检测器与一个30度的定宽电路串接，再与三相电压源一相连接。三个双向开关S1、S2、S3的控制端G1、G2、G3的分别与一个30度的定宽电路的输出端配相连。为解决传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路所存在的问题，申请人来对传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路作个分析。通过分析研究原设计方案要求，可以知道其输入电感的设计必须符合下式：L=(0.11547×Vin2 )/(f×Po)，式中Vin为输入电压有效值，f为输入电压频率，Po为输出功率。与之配套的控制方案为：在各相电压的过零点开始，连接于各相的双向开关固定开通30度的宽度。由上式可见，该方案在输入电压及频率确定的情况下，输入电感的大小决定了输出功率的大小。也就是说，原设计方案中的一种值的电感只适应一种输出功率，要求输出功率大时，输入电感的电感量就要小，要求输出功率小时，输入电感的电感量就要大，这样的设计方案本身就决定了其对负载的适应能力差。
本发明为解决传统设计及控制方案负载适应能力差的问题，提出通过调整三个双向开关导通脉宽的方式，来等效调整输入电感感抗的大小，从而起到等效调整输入电感的大小的效果，以适应负载的变化。从而解决了电感值固定不能适应输出功率变化的问题，并得出脉宽控制的特征为：y=kx+b，即可达到最佳的控制效果。
根据以上所述，本发明提出以下实施方案：
如图6所示，本发明对传统的工频三相三开关三电平功率因数校正电路进行了改进，去掉30度的定宽电路，增加一个电流传感器和使用一个控制器采集流经电流传感器的电流值。通过增加一个电流传感器检测输出电流，并使用一个控制器来根据所检测的电流值，实施三路开关的脉宽控制，且使其脉宽控制特征为：y=kx+b。其脉宽T与电压值y存在一一对应的线性关系。电压值kx为电流传感器的输出电压，其中x为所测设备输出电流值，k为该电流传感器的响应系数且为常数，b为一固定电压。本发明的工频三相三开关三电平功率因数校正电路的基本结构如下：
电路包括三路过零检测器，输入电感L1、L2、 L3,，三相整流桥，三个双向开关S1、S2、S3，滤波电容器C1、C2 ；其中过零检测器检测输入三相电压的过零点并产生过零脉冲，三个双向开关S1、S2、S3实施脉宽控制，进行功率因数校正；所述电路还包括电流传感器和控制器，其中电流传感器检测该电路的输出电流；控制器根据所检测的输出电流的大小决定控制脉宽T，并控制三个双向开关S1、S2及S3实施功率因数校正。其中，电感L1、L2及L3的一端与三相电压源相连接，电感L1、L2、L3的另一端与三相整流桥的三个交流输入端相连，同时三个交流输入端分别与三个双向开关S1、S2、S3的一端相连；三个双向开关S1、S2、S3的另一端连接在一起，同时与电容C1、C2的中点相连，电容C1另一端与三相整流桥的正输出相连，电容C2另一端与三相整流桥的负输出相连。三路过零检测器检测三相输入的过零信号，电流传感器连接于所述电路的直流输出与负载之间。电流传感器与控制器配连，控制器配接三路过零检测器、三个双向开关S1、S2、S3的控制端G1、G2、G3。过零检测器检测输入三相电压的过零点，并将过零点送入控制器，电流传感器用于测量输出电流的值，并将所测结果送给控制器。控制器可由模拟及数字分立器件构成，也可直接由CPU构成。
如图7所示，作为本发明的工频三相三开关三电平功率因数校正电路的进一步改进，这种进一步改进是将图6所示的工频三相三开关三电平功率因数校正电路中的三个电感L1、L2及L3均分裂为两个电感，使得：L1=L1-1+L1-2；L2=L2-1+L2-2 ；L3=L3-1+L3-2；且使得：L1-1=0.2×L1；L2-1=0.2×L2；L3-1=0.2×L3；并在所分裂的电感的连接点接入由Lx及Cx构成的串联谐振回路，其他的部分保留不变。串联谐振回路谐振于输入交流电源的5、7或者11次谐波上，选择两个即可。
在输入稍加无源吸收的情况下,满载输出时,其输入电流波形见图8，输入电流总谐波失真（THD）为小于2%,请参见图9；半载输出时, 其输入电流波形见图10，输入电流总谐波失真（THD）为小于3.5%,请参见图11,功率因数PF均为0.99。 
本发明的工频三相三开关三电平功率因数校正电路的工作过程为：由控制器根据过零检测器所检测的各相电压的过零时刻，决定所对应相双向开关开通的起始时刻，根据电流传感器所检测的输出电流值，决定所对应相双向开关的关断时刻。由此形成的三路控制脉冲去控制三个双向开关S1、S2、S3的导通与关断，且其脉宽控制特征为：y=kx+b，从而实现功率因数校正功能。
本发明的一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路的控制方法，包括检测和控制二个方面，检测采用二个步骤，其一，检测三相输入电压的过零点；其二，检测设备的输出电流；根据检测结果用于控制，根据检测结果进行和实现控制。具体讲，由所检测到的各相电压的过零点，决定所对应相控制开关 S1或S2或S3的控制脉冲的起始点，由所检测到的输出电流值决定该控制脉冲的脉宽T，并控制相对应的双向开关S1或S2或S3的开通及关断。控制器产生的控制脉宽T与所检测的设备输出电流呈线性关系，且符合y=kx+b的特征。控制器产生的控制脉宽T与电压值y存在一一对应的线性关系。电压值kx为电流传感器的输出电压，其中x为所测设备输出电流值，k为该电流传感器的响应系数且为常数，b为一固定电压。当输出电流为设计额定值时，控制器产生的控制脉宽T为30度至35度之间，当其输出电流为设计额定值的二分之一时，控制器产生的控制脉宽T为22度至27度之间，而输入电压的一个正弦周期为360度，控制脉宽T的具体的宽度值以当时所测输入电流的总谐波失真（THD）最小时为准。
下面，以分立器件的构成为例，对构成本发明所采用的控制器的一个实施方案进行描述：如图12所示，三路过零脉冲分别送入对各相脉宽进行控制的RS触发器D2、D3、D4 的S端，三路过零脉冲经或门D1相加后送入锯齿波发生器的清零端，锯齿波发生器的输出送入由N2构成的比较器的同向输入端，电压-kx及电压-b经由运算放大器N1及电阻R1、R2与R3构成的加法器相加，得到电压y，y=kx+b，将电压y送入由N2构成的比较器的反向输入端，比较器的输出送入RS触发器D2、D3及D4的R端。由上述电路及其连接构成了本发明的控制器，其工作过程如下：各相的过零检测器检测到的过零脉冲，分别送入控制各对应相双向开关导通脉宽的RS触发器的S端，将所对应的RS触发器置1，令所对应的双向开关导通；同时上述过零脉冲经过或门D1送入锯齿波发生器的清零端，将锯齿波发生器清零，并产生新的锯齿波，锯齿波电压由零开始，随着时间的增加其输出电压线性的增加，不同的时间对应不同的输出电压值，该锯齿波电压与电压y进行比较，当锯齿波电压大于电压y时，比较器N2输出变高电平，该高电平将相关的RS触发器置零，令所对应的双向开关关断，从而完成了将电压高低转化为脉宽宽窄的控制。送入控制器的电压-kx为电流传感器的输出，电压-b为一固定电压，可由电阻经电压源分压得到。
控制特征y=kx+b可通过以下过程在具体的设备或者电路中确定： 
首先令固定电压b值为0，令本发明电路的输出电流为设计的额定值，测量输入电源线的电流总谐波失真（THD），调节输出电流传感器的响应度，使得输入电流总谐波失真（THD）的值为最小，测量此条件下控制器输出的脉宽T，此刻的脉宽应为30度至35度之间，可令其为T1，或者测量与该脉宽对应的电压y，所测量与该脉宽对应的电压，可令其为y1；  
再令本电路的输出电流为设计的额定值的二分之一，测量输入电源线的电流总谐波失真（THD），调节输出电流传感器的响应度，使得输入电流总谐波失真（THD）的值为最小，测量此条件下控制器输出的脉宽T，此刻的脉宽应为22度至27度之间，可令其为T2，或者测量与该脉宽对应的电压y，所测量与该脉宽对应的电压，可令其为y2；由以上两个点的数据，根据平面解析几何的知识，就很容易求得该具体设备或电路的kx及b了。
将求得的b值的电压送入控制器，再令本发明电路的输出电流为设计的额定值，测量输入电源线的电流总谐波失真（THD），调节输出电流传感器的响应度，使得输入电流总谐波失真（THD）的值为最小，至此，完成了控制特征y=kx+b在具体设备或电路中的确定。
以上说明仅为本发明的优选方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的条件下，还可以作出若干改进及修饰，这些改进及修饰也应该视为本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路，电路包括三路过零检测器、输入电感L1、L2、 L3, 三相整流桥，三个双向开关S1、S2、S3,滤波电容器C1、C2 ；其中过零检测器检测输入三相电压的过零点并产生过零脉冲，其特征在于，三个双向开关S1、S2、S3实施脉宽控制，进行功率因数校正；所述电路还包括电流传感器和控制器，其中电流传感器检测该电路的输出电流；控制器根据所检测的输出电流的大小决定控制脉宽T，并控制三个双向开关S1、S2、S3实施功率因数校正。
2.根据权利要求1所述一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路，其特征在于，电感L1、L2、L3的一端与三相电压源相连接，电感L1、L2、L3的另一端与三相整流桥的三个交流输入端中的一个交流输入端相连，同时三个交流输入端分别与三个双向开关S1、S2、S3的一端相连，三个双向开关S1、S2、S3的另一端连接在一起，同时与电容C1、C2的中点相连，电容C1另一端与三相整流桥的正输出相连，电容C2另一端与三相整流桥的负输出相连；三个过零检测器连接于三相电源输出端，电流传感器连接于所述电路的直流输出与负载之间。
3.根据权利要求1所述一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路，其特征在于，过零检测器检测输入的三相电压的过零点，并将过零点脉冲信号送入控制器，用以决定各对应控制脉冲的起始时间。
4.根据权利要求1所述一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路，其特征在于，电流传感器用于测量输出电流的值，并将所测结果送给控制器，用以决定各对应控制脉冲的脉宽。
5.如权利要求1所述一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路，其特征在于，为得到更小的输入电流总谐波失真（THD），所述电感L1、L2及L3均分裂为两个电感，使得：L1=L1-1+L1-2；L2=L2-1+L2-2；L3=L3-1+L3-2；且使得：L1-1=0.2×L1、L2-1=0.2×L2、L3-1=0.2×L3；在所分裂的电感的连接点接入由Lx及Cx构成的串联谐振回路，串联谐振回路谐振于输入交流电源的5、7或者11次谐波上，选择两个即可。
6.一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路的控制方法，包括检测和控制，检测采用二个步骤，其一，检测三相输入电压的过零点；其二，检测设备的输出电流；其特征在于，根据检测结果进行控制，由所检测到的各相电压的过零点，决定所对应相控制开关S的控制脉冲的起始点，由所检测到的输出电流值决定该控制脉冲的脉宽T，并控制所对应的双向开关的开通及关断。
7.根据权利要求6所述一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，控制器产生的控制脉宽T与所检测的设备输出电流呈线性关系，且符合y=kx+b的特征；其脉宽T与电压值y存在一一对应的线性关系，电压值kx为电流传感器的输出电压，其中x为所测设备输出电流值，k为该电流传感器的响应系数且为常数，b为一固定电压。
8.根据权利要求6或7所述一种工频三相三开关三电平功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，输出电流为设计额定值时，控制器产生的脉宽T为30度至35度之间；输出电流为设计额定值的二分之一时，控制器产生的脉宽T为22度至27度之间，而输入电压的一个正弦周期为360度；具体的宽度值以当时所测输入电流的总谐波失真（THD）最小时为准。
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