CN104518657B - 三相全数字功率因数校正方法及电路 - Google Patents

三相全数字功率因数校正方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三相全数字功率因数校正方法及电路，通过采用升压储能电感与储能电容配合的电路，配合占空比为基准切换其充电/放电，从而实现对输出电路的升压与PFC调整。进一步的，占空比大小会智能的根据检测来的升压储能电感输出电流与储能电容输出电压进行调整，从而确保了效率较高的功率因数校正，升压储能电感与储能电容的电路则具备成本低廉、带载能力强的优势。

Description

三相全数字功率因数校正方法及电路
技术领域
本发明涉及一种电源调整技术，尤其是指一种三相全数字功率因数校正方法及电路。
背景技术
PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。
而目前带PFC的三相UPS输入的双BOOST升压电压电路中，其PFC大部分采用硬件控制实现，由于需要搭建硬件电路，因此极大增加了产品成本，且硬件电路一旦设置基本定型，因此调试复杂不方便。而部分电路中，也有采用数字控制PFC，但其采用的方式是对三相输入叠加后进行功率因数矫正，但三相叠加后会造成PFC参考点难以选择而矫正不准确的问题，因此现有数字控制的叠加控制方式也存在PFC效率不高的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种数字控制PFC且成本低廉、功率因数校正效率高、带载能力强的三相全数字功率因数校正方法及电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种三相全数字功率因数校正方法，包括对三相市电交流电每一相分别执行PFC矫正流程；所述PFC矫正流程包括步骤，
A)根据占空比控制切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电；
B)获取当前升压储能电感输出电流；
C)获取当前相的市电交流电输入电流；
D)比对升压储能电感输出电流与当前相的市电交流电输入电流波形是否一致，一致则继续步骤；
E)获取当前储能电容输出电压；
F)将储能电容输出电压与预设电压进行比较，若高于预设电压则执行步骤G，低于则执行步骤H，等于则返回步骤A；
G)以设定步长降低占空比，而后执行步骤A；
H)以设定步长增加占空比，而后执行步骤A；
上述中，所述PFC矫正流程对应三相市电交流电每一相包括两个，当三相市电交流电每一相输入正弦波处于正半周时执行第一个PFC矫正流程，三相市电交流电每一相输入正弦波处于负半周时执行第二个PFC矫正流程；
上述中，所述PFC矫正流程的步骤G、H中的设定步长为20ms。
本发明还涉及一种三相全数字功率因数校正电路，包括中央控制器、市电检测模块以及与三相一一对应设置有三路PFC电路；每一路PFC电路均主要由滤波模块、整流模块、储能模块、开关模块、电压检测模块与电流检测模块组成；在每一路PFC电路中，中央控制器根据占空比控制开关模块切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电，中央控制器通过电流检测模块获取当前升压储能电感输出电流、通过市电检测模块获取当前相的市电交流电输入电流，随后中央控制器比对升压储能电感输出电流与当前相的市电交流电输入电流波形一致时通过电压检测模块获取当前储能电容输出电压，而后将储能电容输出电压与预设电压进行比较，若高于预设电压则以设定步长降低占空比，低于则以设定步长增加占空比，随后根据占空比控制开关模块切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电；
上述中，每一路PFC电路的滤波模块、整流模块、储能模块依次连接，滤波模块连接其中一相的交流电输入，储能模块输出BUS电压；所述电压检测模块连接储能模块的BUS电压输出；所述电流检测模块连接储能模块；所述开关模块连接于储能模块与整流模块之间；所述开关模块、电压检测模块与电流检测模块分别连接至中央控制器；
上述中，所述PFC电路包括两路BUS支路，两路BUS支路输出+BUS电压与-BUS电压；
每条BUS支路均包括有整流模块、储能模块、电流检测模块、开关模块及电压检测模块；所述整流模块包括整流驱动单元及半波整流单元；所述储能模块包括升压储能电感及储能电容；所述电流检测模块包括相连的电流环及电流采集单元，电流采集电源与中央控制器相连；所述开关模块包括相连的开关单元及开关驱动单元，开关驱动单元与中央控制器相连；
所述半波整流单元连接升压储能电感，升压储能电感连接电流环，电流环连接储能电容，储能电容输出+BUS电压/-BUS电压；所述电压检测模块连接输出+BUS电压/-BUS电压并与中央控制器相连；
上述中，所述PFC电路中的滤波模块包括EMI单元；所述BUS支路还包括二极管；所述电流环连接二极管，二极管连接储能电容；
上述中，所述中央控制器通过PWM端口连接整流驱动单元；所述整流模块的整流驱动单元包括隔离变压器；
上述中，所述PFC电路还包括过压保护模块，过压保护模块连接滤波模块并接入其中一相的交流电输入。
本发明的有益效果在于：通过采用升压储能电感与储能电容配合的电路，配合占空比为基准切换其充电/放电，从而实现对输出电路的升压与PFC调整。进一步的，占空比大小会智能的根据检测来的升压储能电感输出电流与储能电容输出电压进行调整，从而确保了效率较高的功率因数校正，升压储能电感与储能电容的电路则具备成本低廉、带载能力强的优势。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明电路的原理框图；
图3为本发明电路的具体实施例原理框图；
图4为本发明电路的具体实施示例电路原理图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1，一种三相全数字功率因数校正方法，对三相市电交流电每一相分别执行PFC矫正流程；所述PFC矫正流程包括步骤，
A)根据占空比控制切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电；
B)获取当前升压储能电感输出电流；
C)获取当前相的市电交流电输入电流；
D)比对升压储能电感输出电流与当前相的市电交流电输入电流波形是否一致，一致则继续步骤；
E)获取当前储能电容输出电压；
F)将储能电容输出电压与预设电压进行比较，若高于预设电压则执行步骤G，低于则执行步骤H，等于则返回步骤A；
G)以设定步长降低占空比，而后执行步骤A；
H)以设定步长增加占空比，而后执行步骤A。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过采用升压储能电感与储能电容配合的电路，配合占空比为基准切换其充电/放电，从而实现对输出电路的升压与PFC调整。进一步的，占空比大小会智能的根据检测来的升压储能电感输出电流与储能电容输出电压进行调整，从而确保了效率较高的功率因数校正，升压储能电感与储能电容的电路则具备成本低廉、带载能力强的优势。
实施例1：
上述中，所述PFC矫正流程对应三相市电交流电每一相包括两个，当三相市电交流电每一相输入正弦波处于正半周时执行第一个PFC矫正流程，三相市电交流电每一相输入正弦波处于负半周时执行第二个PFC矫正流程。
本实施例中，对应三相市电交流电每一相执行两个独立的PFC矫正流程，即对输入市电正弦波正半周、负半轴均进行PFC矫正，从而最大限度的提高功率因数矫正的效率。
实施例2：
上述中，所述PFC矫正流程的步骤G、H中的设定步长为20ms。
结合大量实验，升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电控制切换的占空比调整的设定步长取20ms效果最佳。
本发明还涉及一种三相全数字功率因数校正电路，如图2所示，包括中央控制器、市电检测模块以及与三相一一对应设置有三路PFC电路；每一路PFC电路均主要由滤波模块、整流模块、储能模块、开关模块、电压检测模块与电流检测模块组成；在每一路PFC电路中，中央控制器根据占空比控制开关模块切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电，中央控制器通过电流检测模块获取当前升压储能电感输出电流、通过市电检测模块获取当前相的市电交流电输入电流，随后中央控制器比对升压储能电感输出电流与当前相的市电交流电输入电流波形一致时通过电压检测模块获取当前储能电容输出电压，而后将储能电容输出电压与预设电压进行比较，若高于预设电压则以设定步长降低占空比，低于则以设定步长增加占空比，随后根据占空比控制开关模块切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过采用升压储能电感与储能电容配合中央控制器形成的数字PFC电路，中央控制器根据占空比为基准切换控制升压储能电感与储能电容的充电/放电，从而实现对输出电路的升压与PFC调整。进一步的，占空比大小中央控制器会智能的根据检测来的升压储能电感输出电流与储能电容输出电压进行调整，从而确保了效率较高的功率因数校正，该PFC电路简单，可极大的降低成本及调试难度，此外电路采用了升压储能电感与储能电容，确保了较强的带载能力。
实施例1：
上述中，每一路PFC电路的滤波模块、整流模块、储能模块依次连接，滤波模块连接其中一相的交流电输入，储能模块输出BUS电压；所述电压检测模块连接储能模块的BUS电压输出；所述电流检测模块连接储能模块；所述开关模块连接于储能模块与整流模块之间；所述开关模块、电压检测模块与电流检测模块分别连接至中央控制器。
实施例2：
参见图3所示，上述中，所述PFC电路包括两路BUS支路，两路BUS支路输出+BUS电压与-BUS电压；
每条BUS支路均包括有整流模块、储能模块、电流检测模块、开关模块及电压检测模块；所述整流模块包括整流驱动单元及半波整流单元；所述储能模块包括升压储能电感及储能电容；所述电流检测模块包括相连的电流环及电流采集单元，电流采集电源与中央控制器相连；所述开关模块包括相连的开关单元及开关驱动单元，开关驱动单元与中央控制器相连；
所述半波整流单元连接升压储能电感，升压储能电感连接电流环，电流环连接储能电容，储能电容输出+BUS电压/-BUS电压；所述电压检测模块连接输出+BUS电压/-BUS电压并与中央控制器相连。
本实施例中，对应三相市电交流电每一相的PFC电路均包括两路BUS支路，且每一路BUS支路均具备完整的PFC构成，可对应输入市电正弦波正半周、负半轴时均进行PFC矫正，从而最大限度的提高功率因数矫正的效率。
实施例3：
上述中，所述PFC电路中的滤波模块包括EMI单元；所述BUS支路还包括二极管；所述电流环连接二极管，二极管连接储能电容。EMI单元可起到隔离电磁干扰的作用，而在BUS支路中设置二极管则可防止储能电容在升压储能电感关断时电流的倒灌，确保其输出供给负载。
实施例4：
上述中，所述中央控制器通过PWM端口连接整流驱动单元；所述整流模块的整流驱动单元包括隔离变压器。中央控制器直接通过PWM口连接整流驱动单元可通过脉冲宽度调制方式仅凭一个IO在整流驱动单元的配合下实现对三相中一相交流电中两个BUS支路的两个可控硅共计4个端进行控制。而整流驱动单元采用隔离变压器则具备成本低，并可隔离的效果。
实施例5：
上述中，所述PFC电路还包括过压保护模块，过压保护模块连接滤波模块并接入其中一相的交流电输入。过压保护模块可采用诸如压敏电阻，从而对整个PFC电路部分起到一个电压保护的作用。
参见图4的具体实施示例电路图，图中自上而下包括三组PFC电路，分别对应三相市电交流电。电路中L1-L6为升压储能电感，而C4、C5、C9、C10、C14、C15为储能电感。晶闸管Q1-Q6构成每一个BUS支路上的半桥整流单元，CN7-CN9则对应每一组PFC电路的两路晶闸管的整流驱动单元。本例中采用DSP作为中央控制器，其通过PWM1-PWM3三个I/O口分别驱动三个整流驱动单元CN7-CN9，进而控制三相每个PFC电路中BUS支路的半桥工作。而IGBTq1-q6则构成开关模块，DSP的PWM输出I/O口通过开关驱动单元CN10-CN15控制其通断。于此同时，电流环CT1-CT6对每一个BUS支路电流进行检测后送到电流采集单元送至DSP的AD口上，两个BUS支路的+BUS和-BUS则通过电压检测模块CM1、CM2采集后送至DSP的AD口上。此外，DSP还通过ECAP连接市电输入，由此，对应三相电的梅一祥交流电输入正弦波的波形处于正半周时，DSP输出信号控制IGBT导通时，升压储能电感有电流流过，开始储存能量，电感电压极性左边高于右边，负载的能量由+BUS上的储能电解电容提供能量；当IGBT关断时，PFC电感电压极性反向，电感的极性为右边高于左边，此时电感储存的能量通过升压二极管一部分为负载的+BUS提供能量，另一部分向大的电解电容充电，为下次关断时储存能量。而当每相交流电输入正弦波的波形处于负半周时，DSP输出信号控制IGBT导通时，PFC电感有电流流过，开始储存能量，电感电压极性左边高于右边，负载的能量有‐BUS电解电容提供能量；当IGBT关断时，PFC电感电压极性反向，电感的极性为右边高于左边，此时电感储存的能量通过升压二极管一部分为负载的‐BUS提供能量，另一部分向大的电解电容充电，为下次关断时储存能量。由此循环即可实现对三相的功率因数矫正。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种三相全数字功率因数校正方法，其特征在于：对三相市电交流电每一相分别执行PFC矫正流程；所述PFC矫正流程包括步骤，
A)根据占空比控制切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电；
B)获取当前升压储能电感输出电流；
C)获取当前相的市电交流电输入电流；
D)比对升压储能电感输出电流与当前相的市电交流电输入电流波形是否一致，一致则继续步骤；
E)获取当前储能电容输出电压；
F)将储能电容输出电压与预设电压进行比较，若高于预设电压则执行步骤G，低于则执行步骤H，等于则返回步骤A；
G)以设定步长降低占空比，而后执行步骤A；
H)以设定步长增加占空比，而后执行步骤A。
2.如权利要求1所述的三相全数字功率因数校正方法，其特征在于：所述PFC矫正流程对应三相市电交流电每一相包括两个，当三相市电交流电每一相输入正弦波处于正半周时执行第一个PFC矫正流程，三相市电交流电每一相输入正弦波处于负半周时执行第二个PFC矫正流程。
3.如权利要求1所述的三相全数字功率因数校正方法，其特征在于：所述PFC矫正流程的步骤G、H中的设定步长为20ms。
4.一种三相全数字功率因数校正电路，其特征在于：包括中央控制器、市电检测模块以及与三相一一对应设置有三路PFC电路；每一路PFC电路均主要由滤波模块、整流模块、储能模块、开关模块、电压检测模块与电流检测模块组成；在每一路PFC电路中，中央控制器根据占空比控制开关模块切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电，中央控制器通过电流检测模块获取当前升压储能电感输出电流、通过市电检测模块获取当前相的市电交流电输入电流，随后中央控制器比对升压储能电感输出电流与当前相的市电交流电输入电流波形一致时通过电压检测模块获取当前储能电容输出电压，而后将储能电容输出电压与预设电压进行比较，若高于预设电压则以设定步长降低占空比，低于则以设定步长增加占空比，随后根据占空比控制开关模块切换升压储能电感充电/放电及储能电容放电/充电。
5.如权利要求4所述的三相全数字功率因数校正电路，其特征在于：每一路PFC电路的滤波模块、整流模块、储能模块依次连接，滤波模块连接其中一相的交流电输入，储能模块输出BUS电压；所述电压检测模块连接储能模块的BUS电压输出；所述电流检测模块连接储能模块；所述开关模块连接于储能模块与整流模块之间；所述开关模块、电压检测模块与电流检测模块分别连接至中央控制器。
6.如权利要求4所述的三相全数字功率因数校正电路，其特征在于：所述PFC电路包括两路BUS支路，两路BUS支路输出+BUS电压与-BUS电压；
每条BUS支路均包括有整流模块、储能模块、电流检测模块、开关模块及电压检测模块；所述整流模块包括整流驱动单元及半波整流单元；所述储能模块包括升压储能电感及储能电容；所述电流检测模块包括相连的电流环及电流采集单元，电流采集电源与中央控制器相连；所述开关模块包括相连的开关单元及开关驱动单元，开关驱动单元与中央控制器相连；
所述半波整流单元连接升压储能电感，升压储能电感连接电流环，电流环连接储能电容，储能电容输出+BUS电压/-BUS电压；所述电压检测模块连接输出+BUS电压/-BUS电压并与中央控制器相连。
7.如权利要求6所述的三相全数字功率因数校正电路，其特征在于：所述PFC电路中的滤波模块包括EMI单元；所述BUS支路还包括二极管；所述电流环连接二极管，二极管连接储能电容。
8.如权利要求4所述的三相全数字功率因数校正电路，其特征在于：所述中央控制器通过PWM端口连接整流驱动单元；所述整流模块的整流驱动单元包括隔离变压器。
9.如权利要求4所述的三相全数字功率因数校正电路，其特征在于：所述PFC电路还包括过压保护模块，过压保护模块连接滤波模块并接入其中一相的交流电输入。
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