濾波電感式PFC電路的研究與仿真

張清枝，曹 帥

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003；2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

濾波電感式PFC電路的研究與仿真

張清枝1，曹 帥2

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003；2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

在介紹功率因數(shù)概念的基礎(chǔ)上，指出了提高功率因數(shù)的意義，研究了濾波電感式PFC電路的工作原理，并利用Multisim軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真和分析。結(jié)果表明：橋式整流電路添加濾波電感式無(wú)源PFC后，整流二級(jí)管的導(dǎo)通角變大，大大降低了輸入電流的失真，使紋波電壓變得更小。

功率因數(shù)；Multisim；仿真；濾波電感式PFC電路

在交流電路中，有三個(gè)重要的功率量，即電阻性負(fù)載消耗的有功功率P、感性負(fù)載和容性負(fù)載與電源進(jìn)行能量交換時(shí)的無(wú)功功率Q以及電源設(shè)備能夠提供的最大功率——視在功率S。根據(jù)電工學(xué)的基本理論，功率因數(shù)PF是有功功率與視在功率之比。

設(shè)電源電壓為理想正弦波 us=2Ussin ωt，式中，Us、ω和t分別為電源電壓的有效值、角頻率和瞬時(shí)時(shí)間。對(duì)于線性負(fù)載，交流電路中的電壓和電流為同頻率的正弦波，相位差為 φ，功率因數(shù)表示為PF= P/ S =cosφ。對(duì)于非線性負(fù)載，其從交流電源汲取的電流為周期性非正弦波，即有功功率 P= UsI1cos φ1，式中：φ1是輸入電流基波與電壓的夾角，I1為輸入電流基波有效值；視在功率S= UsI，式中I為輸入總電流有效值，因此 PF =I1I-1cos φ1。通常用總諧波畸變THD=表示電網(wǎng)被污染的程度［1］，故功率因數(shù)的表達(dá)式還可以表示為

根據(jù)以上分析可知，電流含有諧波成分以及電源的輸入電流與電壓不同相時(shí)，均會(huì)降低功率因數(shù)。因此要提高功率因數(shù)就要盡量使電源電流和電壓同相，并且保持正弦波波形。

1 提高功率因數(shù)的意義

2 濾波電感式無(wú)源PFC的工作原理

濾波電感式無(wú)源PFC電路，即是在整流器和濾波電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感。其基本電路如圖1所示。

圖1 電感式無(wú)源PFC基本電路

當(dāng)變化的電流流過濾波電感時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻止該電流發(fā)生變化的感生電動(dòng)勢(shì)，因此充電電流的峰值比未加電感前要低。同時(shí)由于反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在，使得輸入電壓達(dá)到峰值后，二極管兩端的電勢(shì)差仍能維持其繼續(xù)導(dǎo)通，即增大了輸入電流的導(dǎo)通角。該電路的一個(gè)主要缺點(diǎn)是流過它的電流是整流后的脈動(dòng)電流，電感鐵芯容易達(dá)到飽和而影響使用，故實(shí)際電路如圖2所示。

圖2 電感式無(wú)源PFC實(shí)際電路

3 濾波電感式無(wú)源PFC的仿真

為驗(yàn)證濾波電感式無(wú)源PFC電路對(duì)電流的校正效果，采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，仿真電路如圖3所示。圖3中交流電源端串聯(lián)的10Ω電阻用于采樣獲得交流電流波形，示波器1用來(lái)測(cè)量輸入電壓、電流波形，示波器2用來(lái)測(cè)量輸出電壓波形，功率表用來(lái)測(cè)量電源功率和功率因數(shù)。由于視在功率是一次確定的，因此在仿真過程中保持電源功率（200W）不變，僅改變負(fù)載電阻。圖4和圖5是電感值分別為0mH和100mH時(shí)，經(jīng)過仿真得到的該電路的交流輸入電流和電壓波形。由圖4可知，雖然橋式整流電路的輸入電壓為正弦波，但由于二極管和電容的存在，輸入電流并不是正弦波。

圖3 濾波電感式PFC仿真電路

圖4 L=0 m H時(shí)的輸入電壓和電流波形

圖5 L=100 m H時(shí)的輸入電壓和電流波形

通過圖4和圖5的對(duì)比可以看出，在保持電源功率不變的前提下，橋式整流電路在添加了濾波電感式無(wú)源PFC后，整流二級(jí)管的導(dǎo)通角變大了，輸入電流更接近正弦波。

圖6和圖7分別是電感值為0mH和100 mH時(shí)，經(jīng)過仿真得到的該電路的直流輸出電壓波形。通過兩圖的對(duì)比可以看出，橋式整流電路在添加了濾波電感式無(wú)源PFC后，輸出紋波變得更小。

圖6 L=0 m H時(shí)的輸出電壓波形

圖7 L=100 m H時(shí)的輸出電壓波形

表1列出了在保持電源功率200W不變的前提下，補(bǔ)償電感取值不同時(shí)的功率因數(shù)。從表1可知，濾波電感L取值不同，校正后的功率因數(shù)也不同。值得注意的是，并不是L取值越大功率因數(shù)就越大，只有當(dāng)取值合適時(shí)，校正效果才能達(dá)到最佳。

表1 不同補(bǔ)償電感情況下的功率因數(shù)

4 結(jié)論

濾波電感式功率因數(shù)校正電路雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)，但很多電源實(shí)際上并不工作在額定狀態(tài)，這就會(huì)使實(shí)際的功率因數(shù)值比設(shè)計(jì)值要低些，從而使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

［1］ 韓向陽(yáng).開關(guān)電源功率因數(shù)校正的研究與仿真［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2005.

［2］ 李月玲，何毓敏.功率因數(shù)提高的研究［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（4）：93-95.

［3］ 酆達(dá)，姜珊.感性負(fù)載功率因數(shù)提高的Multisim2001仿真分析［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010（2）：5-7.

［4］ 張仁紅，劉躍，周克，等.電力系統(tǒng)中功率因數(shù)提高的方法和仿真［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012（8）：114-115.

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【責(zé)任編輯 黃艷芹】

Research and Simulation on Filter Inductance PFC Circuit

ZHANG Qingzhi1，CAO Shuai2
（1.College ofMechanical and Electrical Engineering，Xinxiang University，Xinxiang 453003，China；2.College of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Based on the introduction to power factor concept，this paper pointed out themeaning of raising power factor，studied the working principle of inductance type PFC circuit，simulated and analysed the circuit using Multisim software.It finally drew the conclusion that after being added to a filter inductance PFC circuit，the rectifier diode conduction angle of the bridge rectifier circuit was greatened，the input current distortion was greatly reduced and thus the ripple voltage further diminished.

power factor；Multisim；simulation；filter inductance PFC circuit

TM714.3；TP391.9

A

2095-7726（2015）06-0052-03

2014-11-25

張清枝（1970-），女，河南滑縣人，副教授，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)及其自動(dòng)化。

曹帥（1995-），男，河南新鄉(xiāng)人，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。