CN106787671B - 具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路 - Google Patents

具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路，它由一个常规的功率因数校正电路和一个双向直流变换器组成，电网电压经过整流桥和常规的功率因数校正电路的输入端连接，常规功率因数校正电路的输出端和双向直流变换器并联并连接负载。本发明的双向直流变换器直接控制负载侧电压，并将其控制成一个不含二次纹波的直流电压；同时，本发明的常规功率因数校正电路进行功率因数校正，并控制双向直流变换器中辅助电容的电压平均值。本发明的功率因数校正电路的负载侧电压是直流量，没有二次纹波电压，具有快速动态响应速度，整个电路不需要电解电容，可靠性高，寿命长。

Description

具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的 功率因数校正电路
技术领域
本发明涉及功率因数校正电路，具体说是具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路。
背景技术
功率因数校正电路为了实现功率因数校正的功能，其并网侧电流要求和电网电压同相位，因此从电网侧流向功率因数校正电路负载侧的功率必然包含一个直流分量和一个频率为电网频率两倍的二次纹波分量。为了保证功率因数校正电路的负载电压是一个直流电压，功率因数校正电路的输出端往往需要并联一个容值很大的电解电容，用来吸收上述的二次纹波分量。但电解电容的使用寿命很短，大大的降低了功率因数校正电路的可靠性。另外，为了保证功率因数校正电路的负载侧电压不影响其并网侧电流的电能质量，负载侧电压控制环路的带宽一般要求小于电网频率，使得功率因数校正电路的负载电压具有很慢的动态响应速度。
功率因数校正电路负载电压的动态响应问题，目前研究很少。功率因数校正电路中的二次纹波问题，即如何减少电解电容的使用，主要研究出两类方法：一种是在并网电流中注入三次谐波或其它高次谐波，使得功率因数校正电路载侧的功率为一个直流功率和一个幅值不大的脉动功率，从而用一个容值不大的薄膜电容或陶瓷电容就完全可以吸收上述脉动功率；另一种是用一个无电解电容的双向直流变换器代替原有的电解电容，采样并补偿功率因数校正电路载侧的二次纹波电流，完全吸收二次纹波功率。第一种注入三次谐波或其它高次谐波的方法，虽然可以减少电解电容的使用，但牺牲了功率因数校正电路并网侧电流的电能质量，削弱了其功率因数校正的功能，该方案对功率因数校正电路负载电压的动态性能没有任何改善作用。第二种双向直流变换器的方案虽然可以有效的代替电解电容的使用，并不影响功率因数校正效果，但依然对功率因数校正电路负载电压的动态性能没有任何改善作用。
发明内容
本发明的目的是：设计一种具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路，该电路同时兼顾快速动态性能和高可靠性。
本发明的技术解决方案是：该功率因数校正电路结构上由一个常规的功率因数校正电路和一个双向直流变换器组成组成，单相或三相的电网电压经过整流桥后和常规的功率因数校正电路的输入端相连，双向直流变换器和常规的功率因数校正电路的输出端并联后给负载供电；负载端同时并联一个非电解电容的小容量的高频滤波电容，滤除开关频率的高频谐波。
该功率因数校正电路的控制方法是：双向直流变换器直接控制所述功率因数校正电路的负载侧电压，采样负载侧电压，将其控制成一个不含二次纹波的直流电压，从功能上代替原有的大容量的输出电解电容，并将负载侧的二次纹波能量转移到双向直流变换器的辅助电容中；常规的功率因数校正电路给双向直流变换器中的辅助电容供电，它采样该辅助电容电压的平均值，并将其控制成给定的基准电压；常规的功率因数校正电路同时采样其输入电流、输入电压和双向直流变换器中的辅助电容电压平均值控制电路的输出信号，调节输入电流的相位和大小，使其既校正功率因数，又给双向直流变换器中的辅助电容供电。
其中，上述的常规的功率因数校正电路和双向直流变换器采用现有的任何一种形式的常规的功率因数校正电路和双向直流变换器。
其中，上述负载电压控制电路、双向直流变换器中的辅助电容电压平均值控制电路和常规功率因数校正电路的输入电流调节电路采用现有的任何一种形式的电压控制电路、电压平均值控制电路和输入电流调节电路。
本发明具有以下优点：
1、本发明的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路的负载侧电压是由双向直流变换器直接控制的，所以其负载电压环的带宽上限不受电网频率影响，仅受开关频率限制，可以取的很高，因此，本发明公开的功率因数校正电路中的负载电压具有快速的动态响应速度。
2、本发明中的双向直流变换器部分直接控制负载侧电压，将负载侧电压控制成一个不含二次纹波的直流电压，从而该双向直流变换器部分从功能上代替原有的大容量的输出电解电容，并将负载侧的二次纹波能量转移到双向直流变换器的辅助电容中，因此，本发明公开的功率因数校正电路不需要使用电解电容，具有长使用寿命和高可靠性。
3、本发明中的常规的功率因数校正电路部分给双向直流变换器中的辅助电容供电，同时调解输入电流，实现功率因数校正的功能和电能的正常传输。
4、本发明公开的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路中的常规的功率因数校正电路部分和双向直流变换器部分采用现有的任何一种形式/规格的功率因数校正电路(比如升压型功率因数校正电路和升降压型功率因数校正电路等)和双向直流变换器(比如降压型双向直流变换器，升压型双向直流变换器和升降压型双向直流变换器等)来实现，因此，本发明所提的功率因数校正电路在拓扑选择上具有通用性，比较适合在工业应用中推广，没有使用条件限制。
5、本发明公开的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路中的控制器，比如负载电压控制电路、双向直流变换器中的辅助电容电压平均值控制电路和常规功率因数校正电路的输入电流调节电路采用现有的任何一种形式的电压控制电路、电压平均值控制电路和输入电流调节电路来实现，因此，本发明所提的功率因数校正电路在控制器的选择上具有通用性，比较适合在工业应用中推广，没有使用条件限制。
附图说明
图1 是通用的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路的示意框图；
图2 是一个实际具体的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路。
具体实施方式
本发明的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路是一种通用的功率因数校正电路，其特点在于功率因数校正电路的系统结构和控制策略。
参见图1，本发明公开的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路的系统结构由一个常规的功率因数校正电路C和一个双向直流变换器D组成组成，单相或三相的电网电压A经过整流桥B后和常规的功率因数校正电路C的输入端相连，双向直流变换器D和常规的功率因数校正电路C的输出端并联后给负载供电；负载端同时并联一个非电解电容的小容量的高频滤波电容C f ，滤除开关频率的高频谐波。
上述常规的功率因数校正电路C和双向直流变换器D都不使用任何电解电容，采用现有的任何一种形式常规的功率因数校正电路(比如升压型功率因数校正电路和升降压型功率因数校正电路等)和双向直流变换器(比如降压型双向直流变换器，升压型双向直流变换器和升降压型双向直流变换器等)来实现。
参见图1，本发明公开的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路的控制原理如下：双向直流变换器D直接控制功率因数校正电路的负载电压控制电路E的负载侧电压，采样负载侧电压v o ，将其控制成一个不含二次纹波的直流电压V oR ，并将负载侧的二次纹波能量转移到双向直流变换器的辅助电容C a 中；常规的功率因数校正电路C给双向直流变换器中的辅助电容C a 供电，它通过采样电路F采样得到该辅助电容电压v a 的平均值v a平均值，并将其控制成给定的基准电压V aR 以保证双向直流变换器正常运行；常规的功率因数校正电路C同时采样其输入电流i in 、输入电压v in 和双向直流变换器中的辅助电容电压平均值控制电路G的输出信号，在输入电流调节电路H中调节输入电流i in 的相位和大小，使其既实现功率因数校正的功能(通过保证输入电压和输入电流同相位实现)，又给双向直流变换器中的辅助电容C a 供电(通过调节输入电流的大小实现)。
上述的负载电压控制电路E、双向直流变换器中的辅助电容电压平均值控制电路G和常规功率因数校正电路的输入电流调节电路H采用现有的任何一种形式的电压控制电路(比如，单电压环，电压外环+电流内环和滞环控制等)，电压平均值控制电路(比如，单电压环和滞环控制等)和输入电流调节电路(比如，平均电流调节方案和峰值电流调节方案等)来实现。
参见图1，本发明公开的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路的控制特点在于：该发明的常规的功率因数校正电路C采用传统的电压外环G+电流内环H结构，但它的外环不是控制负载电压，而是控制双向直流变换器中的辅助电容C a 的电压平均值；同时，本发明公开的功率因数校正电路的负载电压由双向直流变换器D直接控制；因此，本发明公开的功率因数校正电路的负载电压具有很快的动态响应速度；另外，因为本发明公开的功率因数校正电路没有使用电解电容，使用寿命长，可靠性高。
为了更加形象的说明本发明公开的功率因数校正电路，图2给出了一个实际具体的具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路。
参见图2，220V/50Hz的单相电网A经过一个桥式整流电路B，由50Hz交流电压变成100Hz脉动的直流电压，并作为一个常规的升压型功率因数校正电路C的输入电压v in ；该功率因数校正电路的输出端连接负载，并和一个升压型双向直流变换器D并联；其具体控制原理如下：
升压型双向变换器D直接控制负载电压，并通过负载电压控制电路E将负载电压控制成没有二次纹波含量的直流电压；同时，升压型双向直流变换器D将负载侧原有的二次纹波能量储存在它的辅助电容C a 上；
升压型功率因数校正电路C的控制电路由下述的电压外环G和电流内环H构成：
电压外环G是升压型型双向直流变换器D辅助电容C a 的平均电压控制环，辅助电容C a 的电压v a 首先经过一个100Hz的陷波器F，提取出其电压平均值，接着与辅助电容C a 的平均电压基准V aR 做差，送到电压外环G中电压调节器1的输入端进行C a 平均电压的调节；
电流内环H有三个输入量，分别是：电压外环G的输出量v com ，功率因数校正电路C的输入电压v in 和输入电流i in ；其中电压外环G的输出量v com 与升压型功率因数校正电路C的输入电压v in 相乘作为升压型功率因数校正电路C的输入电流i in 的电流基准v iR ；然后，升压型功率因数校正电路C的输入电流i in 和该电流基准信号v iR 做差，并送入到电流调节器进行调制，产生升压型功率因数校正电路C开关管的驱动信号。

Claims (1)

1.具有二次纹波抑制功能和快速动态响应速度的无电解电容的功率因数校正电路，它由一个常规的功率因数校正电路(C)和一个双向直流变换器(D)组成，单相或三相的电网电压(A)经过整流桥(B)后和常规的功率因数校正电路(C)的输入端相连，双向直流变换器(D)和常规的功率因数校正电路(C)的输出端并联后给负载供电；负载端同时并联一个非电解电容的小容量的高频滤波电容(C f )，滤除开关频率的高频谐波；其特征是该功率因数校正电路的控制方法：双向直流变换器(D)直接控制所述功率因数校正电路的负载侧电压(v o )，并通过负载电压控制电路(E)将负载侧电压(v o )控制成一个不含二次纹波的直流电压(V oR )，同时双向直流变换器(D)将负载侧的二次纹波能量转移到双向直流变换器的辅助电容(C a )中；负载电压控制电路(E)包括二号电压调节器和二号脉冲调制器，将采样的负载侧电压(v o )与不含二次纹波的直流电压(V oR )做差后送到二号电压调节器的输入端，二号电压调节器的输出端连接二号脉冲调制器的输入端，二号脉冲调制器的输出端产生双向直流变换器(D)开关管的驱动信号；常规的功率因数校正电路(C)给双向直流变换器中的辅助电容(C a )供电，并将辅助电容电压(v a )的平均值(v a平均值)控制成给定的基准电压(VaR)；通过采样电路（F）采样该辅助电容电压(v a )的平均值(v a平均值)，并将采样得到的辅助电容电压的平均值(v a平均值)送到辅助电容电压平均值控制电路(G)的输入端，辅助电容电压平均值控制电路(G)包括一号电压调节器，将辅助电容电压的平均值(v a平均值)与给定的基准电压(V aR )做差后送到一号电压调节器的输入端进行调节，一号电压调节器的输出端作为辅助电容电压平均值控制电路(G)的输出端；同时采样常规的功率因数校正电路(C)的输入电流(i in )、输入电压(v in )和双向直流变换器(D)中的辅助电容电压平均值控制电路(G)的输出信号(V com )，将所述输入电流(i in )、所述输入电压(v in )和所述输出信号(V com )输入到输入电流调节电路(H)，输入电流调节电路(H)调节输入电流(i in )的相位和大小，实现校正功率因数；输入电流调节电路(H)包括乘法器、电流调节器和一号脉冲调制器，所述输出信号(V com )与所述输入电压(v in )通过乘法器相乘得到电流基准信号(v iR )，所述输入电流(i in )与所述电流基准信号(v iR )做差后送到电流调节器的输入端进行调节，电流调节器的输出端连接一号脉冲调制器的输入端，一号脉冲调制器的输出端产生常规的功率因数校正电路(C)的开关管的驱动信号。
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