高功率因數(shù)的大功率開關(guān)電鍍電源研究

1·引言

傳統(tǒng)電鍍電解直流電源采用晶閘管相控整流模式，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波大、功率因數(shù)低?，F(xiàn)代電鍍電解開關(guān)電源采用二極管整流-IGBT逆變橋-高頻變壓器耦合-低壓整流的拓撲結(jié)構(gòu)，具有體積小、效率高、直流電壓紋波小的優(yōu)點，但直流母線采用大電容濾波，同樣會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變、功率因數(shù)降低。鑒于電鍍電源要求輸出直流低電壓和大電流，設(shè)計的電源采用電壓空間矢量控制三相PWM整流器，從而實現(xiàn)了功率因數(shù)校正。采用IGBT全橋逆變，高頻變壓器耦合輸出，最后通過倍頻整流和LC濾波，使直流輸出電壓的質(zhì)量和裝置能量密度顯著提高。

文中介紹的電鍍用開關(guān)電源，其滿載輸出功率為60kW，輸出電壓為12V，輸出電流為5kA，且連續(xù)可調(diào)。通過采用三相PWM整流技術(shù)控制相電流實現(xiàn)正弦波。理論分析、仿真及實驗表明，該電路實現(xiàn)了輸入電流的高功率因數(shù)整流和低電流畸變，有效抑制電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波。同時采用全橋零電壓軟開關(guān)控制方式，有效減少了功率損耗。

2·主電路拓撲結(jié)構(gòu)

鑒于大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1示出電源主電路，包括：工頻三相交流電輸入、整流橋、濾波電感電容、高頻全橋逆變器、高頻變壓器、輸出整流環(huán)節(jié)、輸出LC濾波器等。其中，C1為小電容，用于濾除尖峰脈沖帶來的毛刺；C2為大容量電容；VTi（i=1～4）構(gòu)成全橋逆變器；Cz為防止變壓器發(fā)生磁偏的隔直電容。

盡管目前廣泛采用軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計方案比以前晶閘管相控整流方式效果更佳，但仍存在損耗大、功率因數(shù)低以及諧波等問題，故三相功率因數(shù)校正成為研究熱點。為此，在設(shè)計中增加了功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，從而有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。

3·三相PWM高功率因數(shù)整流環(huán)節(jié)

三相PWM高頻整流電路的主要原理是通過對PWM整流電路的適當控制，使輸入電流非常接近于正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，因此，該整流電路可稱為高功率因數(shù)整流器。圖2示出基于三相PFC的電鍍電源系統(tǒng)框圖，其中前級為三相PFC及其控制電路。

3.1整流環(huán)節(jié)電路拓撲

圖3示出三相PWM高頻整流拓撲，整流主電路由6個IGBT與快速恢復(fù)二極管構(gòu)成，系統(tǒng)中的電流方向如圖所示。

設(shè)三相對稱，定義開關(guān)函數(shù)：當Sg=1（Sg*=0）時，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管截止；而當Sg=1（Sg*=0）時，開關(guān)管導(dǎo)通情況相反，其中g(shù)=a，b，c。

3.2電壓空間矢量原理

三相PWM整流器采用電壓空間矢量控制，定義三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓矢量為：

根據(jù)三相PWM整流器開關(guān)信號S的定義，整流器有8種導(dǎo)通模式，對應(yīng)的空間電壓矢量：U0（000），U1（100），U2（110），U3（010），U4（011），U5（001），U6（101），U7（111），其中U1～U6為6個非零有效矢量，U0和U7為兩個零矢量。在一個電流采樣周期內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零矢量結(jié)束。用6個非零矢量和兩個零矢量去逼近電壓圓，整流器三相橋輸入端會得到等效的三相正弦波波形。可用兩個相鄰非零矢量和兩個零矢量去逼近任一空間電壓矢量，從而三相橋輸入為等效正弦波。因此，在系統(tǒng)運行的一個電網(wǎng)周期內(nèi)，可以在空間中形象地用6個區(qū)域來劃分電網(wǎng)空間電壓矢量所在的位置：Ⅰ區(qū)θ=0～π/3；Ⅱ區(qū)θ=π/3～2π/3；Ⅲ區(qū)θ=2π/3～π；Ⅳ區(qū)θ=π～4π/3；Ⅴ區(qū)θ=4π/3～5π/3；Ⅵ區(qū)θ=5π/3～2π。

按上述定義對電壓空間矢量進行合理分配，控制好零矢量的作用時間，形成等幅不等寬的PWM脈沖波，最終實現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡，即實現(xiàn)SVPWM控制。因為直流側(cè)電壓Udc與整流器輸入電流im（m=a，b，c）互相影響，使控制變得困難，因此提出了很多不同的控制方法。在采用電壓SVPWM控制系統(tǒng)中，根據(jù)文獻采用直接計算合成參考電壓的方法，定義空間矢量如下：