无源功率因数校正

1引言使逆变电源适应不同的应用场合和性能要求，可采用不同的控制策略，有效消除或降低输出谐波是其最基本要求，如使用不同的pwm生成方法、特定谐波消除技术、波形重构技术等。而当负载为非线性时，例如容性、感性负载或带电容和电感的整流器负载，负载会产生谐波和无功电流，导致功率因数较低，增加电能损耗，降低效率，并带来一定干扰。为解决这些问题，在非线性负载时，要降低谐波，提高功率因数，应用功率因数校正技术是比较理想的方法。功率因数校正(pfc)技术主要分为两类:无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正通常在交流输出端采用lc滤波器法和并联电容器法;有源功率因数校正通常是在整流器和逆变器之间接入ac-dc开关变换器，如采用专用控制芯片ml4812,uc3854等。本文在分析前两种功率因数校正方法及其原理基础上，提出了在逆变器负载端并联功率因数校正整流器，实现提高功率因数的原理和方法。2无源功率因数校正无源功率因数校正是在电路中接入lc滤波器，或在交流侧接入谐振滤波器;当负载为感性时，可在负载端并联电容器的方法提高功率因数。无源功率因数校正主要优点是:简单、成本低、可靠、emi小，缺点是:尺寸与重量大、难以得到高功率因数、工作性能与频率、负载及输入电压有关［1］。对于逆变电源，一般情况下，负载特性(阻抗，功率等)不可预知，要达到很高的功率因数，采用无源功率因数校正存在较大的困难。当负载为感性时，除了接入无源滤波器外，根据负载工作情况，在负载端并联不同容量的电容器不失为一种较好的解决方法。给定条件:感性负载功率为p，功率因数为cos?1，负载两端电压为u，要把功率因数提高到cos?2,则所需补偿的并联电容c=p(tg?1-tg?2)/(2nfv2)，用电容的无功功率qc来表示其容量时，需并联电容器的无功功率qc=p(tg?1-tg?2)［2］。只要测出当前的功率因数角?1和负载电压u、电流i的值，即可求得需要补偿的电容大小。3常见的有源功率因数校正技术对于逆变电源，有源功率因数校正(apfc)通常是在整流器和逆变器之间接入ac-dc开关器件，常用乘法器控制方式，它有三种基本方法，即电流峰值控制、电流滞环控制以及平均电流控制法［1］。电流峰值控制法中，开关管在恒定时钟周期导通，当输入电流上升到基准电流时，开关管关断。取样电流来自开关电流或电感电流。可实现电流峰值控制的ic有ml4812,ml4819等。电流滞环控制法中，开关导通时电感电流上升，上升到上限阀值时，滞环比较器输出低电平，开关管关断，电感电流下降;下降到下限阀值时，开关管导通，电感电流上升，如此周期工作，取样电流来自电感电流。平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管断开，否则，开关管导通。取样电流来自实际输入电流。用于平均电流控制的ic有uc3854,tk83854,ml4821等。4并联功率因数校正整流器对于逆变电源的有源功率因数校正，大多数常见方法通常需要检测负载电流以及输入电压，并计算功率因数、电流谐波及无功成分，从而产生参考信号来控制逆变器。这种控制方法需要快速实时计算，因此要有高速微处理器以及高性能的a/d转换器。而一些有源滤波器需要乘法器，检测主电路电流、输入电压。这些方法在经济性、复杂程度、稳定性方面不能使人满意。如图1所示的功率因数校正整流器与其他功率因素校正电路和方法相比，具有如下特点：图1pfc主电路lv1,v2,v3,v4开关频率固定；l不需要产生参考电流来控制逆变器，不需要乘法器和复杂的dsp;l只需要一个主电路电流传感器，无需检测整流器输出电流及负载电流；l功率因数接近1。l全桥整流器采用固定频率pi控制，可在单极性或双极性模式下工作。工作在双极性模式下时，处在整流桥对角的两个vmosfet器件（v1，v3或v2,v4）在同一时刻关断或导通;而处在同一桥臂上的vmosfet器件（v1，v2或v3，v4）关断和导通时间相反。单极性模式下，在us>0时，即在交流电源电压正半周，v3始终导通，v1、v2以设定的开关频率轮流导通或关断;而在us<0时，即在交流电压负半周，v4始终导通，v1、v2仍以设定的开关频率轮流导通或关断。这样，p、n两点间的电压upn（uo）波形如图2所示。因在交流电源电压的半个周期内，upn只有一个极性（为非负或非正），故称为单极性工作模式。图2单极性模式下upn与uo波形图下面以单极性模式为例，对其控制原理进行分析。us>0时,lpfc的端电压ul=us,(v1关断,v2导通)；或ul=us—uo(v1导通，v2关断)。根据固定开关频率和准稳定状态分析，在一个开关周期ts(v1,v2轮流导通一次)，电感的平均电压应趋于0,设一个开关周期ts内，v1关断时间为kts(0<k<1)，有us・kts+(us-u0)(1-k)ts=0,即usXk+(us-u0)(1-k)=0(1)us<0时，有usXk+(us+uO)(1-k)=0(2)由上述两式可得U」U°(l-盼皿〉0为使功率因数达到1，pfc的目的就是使ac电流跟踪输入电压，即us二reXis(式中re为等效电阻)令［顼上％>°则U_<^-E >0S、一凡<。()由(3)，(4)得REXIE=U0(l-k)(5)整流器的控制电路原理如图3所示，um为电压反馈补偿输出，令rs为电流检测U=RXUn/Rr等效电阻，皿日° (7)代入(5)式得R,X虞Um(T)(8)式(8)表明，通过控制交流输入电流ie来控制功率因数，并且比较容易地通过单周期控制实现。图3pfc控制原理图图3中，iss，uos分别为对电源输出电流is、整流器输出电压uo的取样，us为电源输出电压。uref为给定参考电压，与uos作比较，经过比例积分环节，再与电流信号iss作比较，通过触发器与逻辑电路输出控制4个vmosfet的驱动信号。比例积分环节中，比例系数可调，用来针对各种不同的负载，积分时间T等于开关周期，即T=ts。比例积分环节输出信号为三角波信号，即叫-勺£ 。系统可在较高的频率下工作。控制波形如图4所示。图4控制波形原理图由控制电路及波形原理图可知，电路简单可靠。与双极性工作模式相比，单极性工作模式需要检测交流电压过零点，但单开关频率降低，开关损耗减少，效率提高。5结束语本文在分析功率因数校正原理基础上，提出了一种采用固定频率、pi控制的功率因数校正整流器，实现在非线性负载下，提高负载功率因数，使其接近于1。电路主要由整流器、比较器、触发器以及一些逻辑电路组成，需要检测主电路电流、电源电压过零点及整流器输出电压。试验表明，并联功率因数校正整流器后，逆变电源在大范围的非线性负载下工作时，无论是容性负载还是感性负载或两者结合，都能大大降低电流谐波含量，提高功率因数。参考文献朱方明等.有源功率因数校正技术原理及应用[j].现代电子技术，2002,10杜开初.智能功率因数补偿控制系统[j].龙岩师专学报，