CN1125526C - 三相功率因数可控变流器 - Google Patents

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Abstract

一种三相功率因数可控变流器，六只开关管组成的主电路通过电感接入三相电网，主电路右端与电容相连并与直流负载并联，交流非线性负载直接与电网相连，主电路六只开关通断由控制电路实现。控制电路采用功率因数任意可控控制策略，由数字与模拟混合模式组成，数字部分产生与相电压设定相位差的正弦信号，模拟部分完成直流电压控制、三角波比较调制及死区控制。本发明采用同一主拓扑结构实现单位功率因数整流器、有源滤波器、电子式交流负载、电流平衡器等多种功能。

Description

三相功率因数可控变流器
技术领域：
本发明涉及一种三相功率因数可控变流器，可用于低压电力系统，属于电力电子技术领域。
背景技术：
目前国内外电力电子的一个重要研究热点是将一种拓扑结构的变流器用于整流器，在实现将AC转化为DC向直流负载提供有功功率时，能使电网的输出电流是与电网电压同位相的正弦波，即功率因数为1，从而消除常规AC-DC变换时产生的谐波污染。如“三相电压型PWM整流器控制技术研究”(熊健，康勇等，电力电子技术，1999年第二期，pp.5-7.)所介绍。另外一个重要研究热点是将类似拓扑结构的变流器用作有源滤波器，以补偿电力系统各种非线性负载产生的谐波及无功功率，从而也有实现电网输出电流是与电网电压同位相的正弦波。如“Integrated Active Rectifier and Power Quality Compensator withReduced  Current Measurement”(A.D.le Roux，J.A.du Toit，et al.，IEEETrans-IE，VOL.46，NO.3，JUNE1999，pp504-511.)所介绍。这些拓扑结构的变流器用于整流器或是类似拓扑结构的变流器用作有源滤波器，功能单一，不能适应电力系统的发展需要。
发明内容：
本发明的目的在于提出一种三相功率因数可控变流器，采用相同的拓扑结构能实现多种功能，改善现有变流器功能单一的缺点。
为了实现这样的目的，本发明的技术方案中采用以下措施，即把由六只开关管S1ΛS6组成的主电路MC通过电感LA，B，C接入三相电网uA，B，C，主电路MC右端与电容C相连并与直流负载并联，交流非线性负载直接与电网相连。
本发明通过控制电路实现对主电路六个开关的通断控制，使上述单一的主电路拓扑结构具有多种功能。
本发明采用功率因数任意可控(PFRC)控制策略，直接对电网输出电流进行控制，无需检测负载电流，而仅需检测任意一相的相电压与两相电网输出电流，出任意相位正弦波发生器产生所需的正弦波，并与电压比例积分控制的输出值相配合以获得电网电流的参考值，将实际检测到的电网输出电流与参考电流的差值送入脉宽PWM调制器，得到开关管的驱动信号。
PFRC控制策略的实施采用数字与模拟混合模式，其中数字部分产生与相电压保持设定相位差的正弦信号，模拟部分完成直流电压控制、三角波比较调制、死区控制及光耦隔离。
本发明由于使变流器获得多种功能，且控制电路成本低廉、简单可靠灵活，因此将有很好的实用价值。
附图说明：
图1为本发明的系统主电路结构示意图。
图2为本发明采用的PFRC控制策略原理框图。
图3为本发明控制电路原理图。
图4为本发明应用于三相四线制供电系统时，改进后的PFRC策略原理框图。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1为本发明的系统主电路结构示意图。
图1中，由六只开关管S1…S6组成的主电路MC通过电感LA，B，C，接入三相电网uA，B，C，主电路MC右端与电容C相连并与直流负载并联，交流非线性负载直接与电网相连。通过控制电路实现对主电路六个开关的通断控制，使上述单一的主电路拓扑结构具有多种功能。
图2为本发明采用的PFRC控制策略原理框图。
如图2所示，本发明采用PFRC控制策略，直接对电网输出电流进行控制。任意相位正弦波发生器的输入端与电压检测电路相连，同时与电压比例积分控制器的输出端相连，任意相位正弦波发生器的输出及实际检测的电网输出电流连接到PWM调制器。电压比例积分控制器的输入端连接参考电压Uref和母线电压滤波输出端。
其中，任意相位正弦波发生器有两个作用：1)根据电压检测的信号产生与电网电压相位可在-90°～90°变化的正弦波，从而电网功率因数可在0～1之间变化；2)与电压比例积分控制器的输出相配合，以获得大小随之变化的电网电流的参考值
Figure C0111313900051
Figure C0111313900053
，将实际检测的电网输出电流iB、iB、iC与参考电流的差值
Figure C0111313900054
Figure C0111313900056
，送入PWM调制器，得到功率管的驱动信号，使电网输出电流跟踪理想参考电流。
图3为本发明控制电路原理图。
如图3所示，变压器检测的电网相电压信号经过零检测电路接入80C522单片机，其输出通过两路D/A0832送出。电压传感器PT的检测值经滤波后得到的直流母线电压检测值，与电压设定值的差值作为PI控制器的输入，PI控制器的输出接至D/A0832的参考电压管脚，D/A0832输出电网输出参考电流信号
Figure C0111313900057
与电流传感器CT检测的电网实际电流iA、iC的差值经PI控制器调节后，与高频三角波发生器相连，比较产生PWM驱动信号，再经死区电路和光耦隔离电路，送入驱动电路驱动开关管。
本发明中PFRC控制策略的实施采用数字与模拟混合模式。其中数字部分产生与相电压保持设定相位差的正弦信号，模拟部分完成直流电压控制、三角波比较调制、死区控制及光耦隔离。变压器检测的电网相电压信号经过零比较器，得到占空比为0.5的与电网相电压同步的方波信号，将同步方波信号送入80C552单片机，利用方波信号的正跳变产生中断。将一个周期的正弦信号列成数据表存入单片机里，一旦产生中断，开始进行查表，将查到的正弦信号的数据通过两路D/A0832送出。正弦信号与相电压之间的相位差由查表的起始位置决定，查表的起始位置可由程序设定。通常情况下，程序设定从表的第一位开始，即输出同相的正弦信号。如果要输出有相位差的正弦信号，引进一外接电压信号，通过内置8位A/D读取，程序将读取的值转换为相应的起始位置值，当中断来临时，就从相应的起始位置开始查表，从而输出满足相位要求的正弦信号。电压传感器PT的检测值经滤波后得到直流母线电压检测值，将直流母线电压检测值与电压设定值的差值作为电压比例积分(PI)控制器的输入，PI控制器的输出接至D/A0832的参考电压管脚，D/A0832输出电网输出参考电流信号
Figure C0111313900061
。将参考电流信号
Figure C0111313900063
与电流传感器CT检测的电网实际电流iA、iC。的差值经PI调节后与高频三角波比较产生PWM驱动信号，再经死区电路和光耦隔离电路，送入驱动电路驱动开关管。
对正弦数据表稍作修改，使DA0832输出为含有一定含量三次谐波的正弦信号，可以有效地减少系统开关损耗，这种方法无需任何辅助电路，简易可行。
图4为本发明应用于三相四线制供电系统时，改进后的PFRC策略原理框图。
如图4所示，当将本发明应用于三相四线制供电系统系统时，PFRC策略仅需稍作改动，即增加一路电流传感器检测另一路电流iB，即对电网输出三相电流进行控制，其它控制电路不需任何改动，从而可以抑制不平衡负载对电网的不利影响，使中线电流降为0。
本发明通过实验验证表明：
1)当电网不与交流负载相连时，本发明提出的变流器将单独实现单位功率因数整流器的功能，电网输出电流与电压同相，功率因数达0.99以上。
2)当供电系统不与直流负载相连时，本发明提出的变流器将单独实现有源滤波器的功能，电网电流畸变率THD％从26％降到7％，功率因数达0.99以上。
3)当供电系统同时与直流负载及交流负载相连时，本发明提出的变流器将同时实现单位功率因数整流器与有源滤波器的双重功能，THD％为6％，功率因数达0.99以上。
4)当供电系统既不带直流负载，又不与交流负载相连时，通过控制电路的给定，本变流器可使电网输出功率因数可变的容性或感性无功，使变流器具有作为电子式交流负载的功能。
5)当本发明的变流器应用于三相四线制供电系统时，可使原来不平衡的三相电流趋于平衡，使中线电流降到最小值，因此本发明提出的变流器具有电流平衡器的功能。
6)注入三次谐波后，开关管有一段时间保持开关状态不变，从而降低了开关损耗。

Claims (4)

1、一种三相功率因数可控变流器，六只开关管组成的主电路通过电感接入三相电网，主电路右端与电容相连并与直流负载并联，交流非线性负载直接与电网相连，主电路六只开关通断由控制电路实现，其特征在于控制电路采用功率因数任意可控控制策略，检测任意一相相电压与两相电网输出电流，任意相位正弦波发生器的输入端与电压检测电路相连，同时与电压比例积分控制器的输出端相连，任意相位正弦波发生器的输出及实际检测的电网输出电流连接到脉宽调制器，电压比例积分控制器的输入端连接参考电压Uref和母线电压滤波输出端，由任意相位正弦波发生器产生所需的正弦波，并与电压比例积分控制器的输出相配合以获得电网电流的参考值，将实际检测到的电网输出电流与参考电流的差值送入脉宽调制器，得到开关管的驱动信号。
2、如权利要求1所说的三相功率因数可控变流器，其特征在于功率因数任意可控控制策略由数字与模拟混合模式组成，其中数字部分产生与相电压设定相位差的正弦信号，模拟部分完成直流电压控制、三角波比较调制及死区控制。
3、如权利要求1所说的三相功率因数可控变流器，其特征在于功率因数任意可控控制策略应用于三相四线制系统时，增加一路电流传感器，对电网输出三相电流进行控制。
4、如权利要求2所说的三相功率因数可控变流器，其特征在于在由数字部分产生的正弦波信号中叠加一定含量的三次谐波以降低主电路开关动作次数，降低开关损耗。
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