整流电路的谐波分析及单级功率因数校正

如前所述,在多电机协调同步运转系统中,同步调整的问题一直是技术上的难题。上述控制系统中采用PL C和变频器进行速度同步控制、采用优化PID控制算法实现多台设备的同步控制,使同步性能大大提高,较好地达到了预期的速度同步控制要求。实际生产运行表明,该控制系统实现了预期的同步控制要求,取得了很好的实际应用效果。

值得一提的是,PID过程调节法在初始阶段有一段过渡过程,因而对于间歇式快速动作特别是动作时间极短的设备控制效果不会太好,采用根据偏差分段控制的优化PID算法可使其控制特性大为改善。

参考文献:

[1]　何小于.可编程控制器用于电动压玻璃机同步控制

[J].电气自动化,1999,(5).

[2]　吕文刚,詹建湖,陈宗农.纺织印染机械中实现同步控

制的新方法[J].纺织学报,2002,(2).

[3]　李友泉.基于PL C和变频器的多电机速度同步控制

[J].制造业自动化,2000,(3).

　第5期

　2005年10月

工矿自动化　Industry

and Mine Automation　

No.5　

Oct.2005　文章编号:1671-251X(2005)05-0009-03

整流电路的谐波分析及单级功率因数校正3

郑　征,　陶海军

(河南理工大学电气工程学院,河南焦作　454000)

　　摘要:介绍了整流电路中功率因数的计算方法,重点分析了三相整流电路中谐波电流对功率因数的影响。通过实验结果表明,单级功率因数校正装置可以实现较高的功率因数、较低的总谐波畸变,而且输出电压纹波小。

关键词:谐波分析;整流器;功率因数;校正

　　中图分类号:TM933　　　文献标识码:A

Analysis of Harmonics in Rectification Circuit and Correction of Single2stage Power Factor

ZH EN G Zheng,　TAO Hai2jun

(Dept.of Elect rical Engineering of Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China)

　　Abstract:This paper int roduced a comp uting met hod about power factor of rectification circuit,ana2 lyzed emp hatically t he influence of harmonics on power factor in t hree2p hase rectification circuit.Experi2 ment result s showed t hat t he correction device of power factor could realize high power factor,low har2 monic distortion and low ripple of outp ut voltage.

K ey w ords:harmonics analysis,rectifier,power factor,correction

0　引言

随着电力电子技术的迅猛发展,大量含有整流

器的电力电子设备被广泛应用。此类设备对电网来

说属非线性负载,在接入电网运行时,会产生大量的

收稿日期:2005-04-11

3基金项目:河南省自然科学基金项目(0411050600)

作者简介:郑　征(1965-),女,河南新野人,副教授,1986年毕

业于焦作工学院电气系,研究方向为电气传动与电力电子,已发表论

文10余篇。

谐波电流。谐波电流注入电网会使电网受到“污

染”,导致电能质量下降,网侧电流波形发生严重畸

变,功率因数严重恶化。我国国家技术监督局在

1994年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准,传统

整流器显然不符合上述规定。据美国对全美开关电

源市场的调查报告表明,到2001年,AC/DC开关电

源的需求平均年增长率为12.7%。可以设想一下,

如果不对这些装置进行功率因数校正(Power Fac2

tor Correction,简称PFC),电网谐波污染与开关电

源装置数量将成正比增长,电网供电质量将急剧恶

化。由于三相电力电子装置在电网中占有很大的比

重,所以三相功率因数校正成为了近年研究的重心。1　整流电路的谐波分析

(1)整流电路中谐波对功率因数的影响

在公用电网中,

通常电压的波形畸变都很小,而电流波形的畸变则可能很大。因此,不考虑电压畸变,研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有着重要的实际意义。设正弦波电压有效值为U ,畸变电流有效值为I ,其基波电流有效值及与电压相角差分别为I 1和φ1,n 次谐波有效值为I n 。考虑到不同频率的电压、电流之间不产生有功功率,则可以得到:　　有功功率为

P =U I 1co s φ1

(1)

　　视在功率为

S

2

=U 2

I 2

=U 2

I 2

1

+U

2

6

∞

n =2

I 2

n

(2)

　　基波电流所产生的无功功率为

Q f =U I 1sin φ1(3)

　　谐波电流所产生的无功功率为

D

2

=S 2-P 2-Q 2f =U

2

6

∞

n =2

I 2

n

(4)

　　功率因数为

λ=P S

=U I 1co s φ

1U I

=I 1I

cos φ1=μco s φ1(5)

　　式中:μ为畸变因数;cos φ1为位移因数。

由此可以看出功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。总电流也可以看成是由3个分量,即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。

(2)三相全控桥整流电路中的谐波分析三相全控桥整流原理接线图如图1所示。

图1　三相全控桥整流原理接线图

L s -电源电动势的漏电感;U d -直流侧电压

　　考虑换向重叠角γ,分析A 相各次谐波电流,以

复数形式表示为

　I 1=3U 4πx s

(e -j 2α-e -j 2(α+γ)

-j 2γ

)(6)　I n =3U πx s co s

n π61

n (n -1)

(e -j (n +1)α

-e -j (n +1)(

α+γ))

-1

n (n -1)(

e -j (n -1)α

-e -

j (n -1)(α+γ

))

(7)

　　直流电压的表达式为　U d =

3

π

∫

π6+α+

γπ

6

-

322U sin ωt -2

π3d ωt +

∫

π2+απ

6+α+

γ6U sin ωt +

π

6

d ωt =

36

π×U

2

[cos α+co s (α+γ)](8)

　　有功功率和无功功率分别为:

　P =P 1=3Re ( U 1

I 1)=

9U 2

4πx s [cos 2α-co s 2(α+γ)]=U d I d =P d

(9)

　Q f =Q f 1=3Im ( U 1

I 1)=

9U 2

4

πx s [sin 2α-sin 2(α+γ)+2γ](10)

　　位移因数角为

　φ1=t g

-1

Q f 1P 1

=t g -1

sin 2

α-sin2(α+γ)+2γcos 2α-cos 2(α+γ)=t g -1

-sin γcos (2

α+γ)+γsin γsin (2

α+γ)(11)

若认为γ不大,γ≈sin γ,代入式(11)可得:

　φ1=t g -11-cos (2α+γ)sin (2

α+γ)=t g -1

2sin 2α+γ

2

2sin α+

γ2cos α+γ

2

=α+

γ2

(12)

　　即可以认为位移因数近似为

cos φ1≈cos α+

γ

2

(13)

　　由此可见,三相全控桥整流电路的位移因数不但与α角有关,而且与γ角有关,γ越大,α越大,则功率因数越低。2　功率因数校正(PFC)

由上面分析可知,采用电力电子环节后,整流装置的功率因数将下降,同时整流电压波形也会发生很大畸变。特别是整流装置容量较大的地方,提高功率因数显得尤为突出。功率因数校正分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正技术通过在整流电路中增加电感、电容等无源元

・01・工矿自动化

2005年10月　　　　　

件和二极管,对电路中的电流脉冲进行抑制,以降低

电流谐波含量,提高功率因数。这种方法的优点是简单、可靠,无需进行控制,而缺点是增加的无源元件一般体积都很大,成本比较高,并且功率因数通常仅能校正至0.95左右,而谐波含量仅能降至30%左右,难以满足现行谐波标准的。有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制,使之成为与电源电压同相的正弦波,总谐波含量可以降低至5%以下,而功率因数能高达0.995,从而彻底解决整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。单相功率因数校正技术被研究得比较多,在电路拓扑和控制方面都相当成熟,而对三相整流器的研究,人们正处于探索之中。单相PFC 技术的成熟对三相PFC 的研究有很大的借鉴意义。随着PFC 技术研究的不断深入,近年来提出了很多三相PFC 拓扑及控制策略。与单相功率因数校正整流装置相比,三相PFC 整流装置具有许多优点:输入功率高,功率额定值可达几千瓦以上;虽然每相输入功率包含工频的交变分量,但在三相平衡装置中,三相输入功率脉动部分的总和为零,输入功率是一恒定值。这样,输出电容上无工频纹波,可以使用容量较小的输出电容,实现更快的输出电压动态响应调节。下面介绍一种三相升压型单级PFC 装置,如图2所示。它采用了两个双开关正激型电路,当s 2或s 3导通时,分别实现电源正、

负半周电流波形的校正。

图2　三相升压型单级PFC 变流器结构

　　用1台600W 的PFC 装置进行试验,其输入交

流电压为220V ,输出电压为48V ,12A 。其实验结果如下图3、4所示。　　由图3可知,i in 已基本接近u in 的波形,只是在过零点时波形有点失真。对i in 波形进行谐波分析,

在各次谐波中仍有3、5、7、9等次谐波,不过含量很

小,这是由于电网电压不是正弦波造成的。经计算可得装置的电流总谐波畸变T HD 为8.76%,根据T HD 与功率因数的关系,可得其功率因数为0.9973。由图4可看出,输出电压纹波的有效值为44.42mV ,小于输出电压值的0.1%

。

图3　输入电压u in 和输入电流i in

的波形

图4　输出电压纹波

3　结语

通过对三相桥式整流电路中谐波对功率因数影响的分析,得出影响功率因数的表达式,从表达式可以知道,功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变这两个因数决定的,谐波含量越大,换向重叠角γ越大,控制角α越大,则功率因数越低。为了使输入电流谐波满足现有的谐波标准,必须在输入侧加功率因数校正装置,利用这种变流器装置很容易达到高功率因数和很低的T HD ,而且输出电压的调节也比较快,实验结果验证了分析的有效性。

参考文献:

[1]　宋文南,刘玉仁.电力系统谐波分析[M ].北京:中国

电力出版社,1998.

[2]　张直平.城市电网谐波手册[M ].北京:中国电力出版

社,2000.

[3]　杨　旭.开关电源技术[M ].北京:机械工业出版社,

2004.

[4]　Ching 2Tsai Pan ,Jenn 2Jong Shieh.

A Single 2stage

Three 2phase 2boost 2buck AC/DC Converter Based on G eneralized Zero 2space Vectors [J ].IEEE Trans on Power Electronics ,1999,14(5).

液压测重定量装置在提升系统中的应用

为了提高提升系统测重定量的准确性,兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿选用YCF 系列测重定量装置对原煤提升系统进行改造,消除了提升机在超载或欠载情况下运行的可能,确保了提升系统的安全。

当向定量仓内装煤时,4个重力传感器的液体压力均匀增加,测量出液体压力的大小,就可以换算出定量仓内煤的重量。重力传感器上装有1个压力传感器。压力传感器输出电流的大小与重力传感器中液体压力的变化成正比,电流信号经屏蔽信号电缆传送到可编程序控制器。可编程序控制器装在台式隔爆箱内,利用A/D 转换器把接收到的电流信号转换成数字信号(重量值)。通过PL C 的程序实现定量仓满仓、定量仓空仓、胶带机开停、提升机运行等状态的输出显示以及向提升机控制系统发送控制信号,并且可以用控制箱上的按钮设定额定的提升重量、定量仓自重、超载报警值、满载预定值和传感器量程,可

以清除显示器的总重量和总提升勾数。

(李剑锋)・

11・2005年第5期郑　征等:整流电路的谐波分析及单级功率因数校正