有源濾波網(wǎng)絡(luò)抑制BUS電壓紋波應(yīng)用于ConverMode

1、有源濾波網(wǎng)絡(luò)抑制BUS電壓紋波應(yīng)用于ConverMode彭世東 張玉林 林新春2006.1.262內(nèi)容介紹n概念介紹n實(shí)驗(yàn)裝置介紹n輸入BUS電容PFC電流的獲取n實(shí)驗(yàn)結(jié)果nBUS電壓紋波的理論解釋n結(jié)論n討論3一、概念介紹 nConverterMode工作模式： 是指市電輸入頻率與逆變輸出頻率不一致的一種工作模式 。n特點(diǎn)： 輸入輸出瞬時(shí)功率不一致，導(dǎo)致BUS電壓紋波大，市電輸入電流波動(dòng)大，逆變輸出電壓、負(fù)載電流波動(dòng)也大。4二、實(shí)驗(yàn)裝置搭建現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷：n在52 內(nèi)DSP運(yùn)行逆變控制程序、PFC控制程序、有源濾波網(wǎng)絡(luò)控制程序以及時(shí)序程式，時(shí)間資源不夠。n原有實(shí)驗(yàn)裝置中帶濾波網(wǎng)絡(luò)的功率板

2、中沒有PFC部分的功率電路。S5二、實(shí)驗(yàn)裝置搭建圖1 ConverterMode工作模式實(shí)驗(yàn)裝置圖6二、實(shí)驗(yàn)裝置搭建n實(shí)驗(yàn)裝置介紹 整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括UPS1、正負(fù)BUS電容及UPS2。UPS1（Emerson3KVA功率板）的PFC部分工作，逆邊部分不工作；正負(fù)BUS電容是UPS1和UPS2的連接橋梁； UPS2（帶有源濾波網(wǎng)絡(luò)而沒有PFC電路的功率板）的DC-DC部分不工作，有源濾波網(wǎng)絡(luò)和逆變電路工作。n機(jī)器工作時(shí)序 UPS1輸入包括電池輸入和市電輸入，UPS2只有電池輸入，電池輸入為兩臺(tái)UPS的SPS提供電源。先開啟UPS1， BUS電壓建立起來后再開啟UPS2。7三、輸入BUS電容PFC

3、電流的 獲取圖2 有源濾波網(wǎng)絡(luò)控制框圖n控制中需要電流補(bǔ)償信號(hào) ，如圖3市電工作模式下，此信號(hào)包含有PFC輸入到BUS電容的信號(hào)，其表達(dá)式為：NiNPFCINViii8圖3 帶濾波網(wǎng)絡(luò)的UPS工作于市電模式的電路架構(gòu)三、輸入BUS電容PFC電流的 獲取9n從PFC輸入正負(fù)BUS電容的真實(shí)電流是以半波正弦為包絡(luò)線的脈寬不等脈沖，可以用輸入市電電流乘以PFC續(xù)流二極管的導(dǎo)通占空比來近似，但PFC濾波網(wǎng)絡(luò)的控制程序運(yùn)行在不同的控制板上，真實(shí)的PFC開關(guān)管的占空比沒法獲取，但實(shí)驗(yàn)表明PFC開環(huán)計(jì)算出的占空比與閉環(huán)的非常接近，可以用開環(huán)占空比代替。為此需要將UPS1的市電電壓信號(hào)和輸入市電電流信號(hào)引入U(xiǎn)

4、PS2，如圖1。三、輸入BUS電容PFC電流的 獲取10圖4 Emerson3K的PFC功率電路結(jié)構(gòu)圖 三、輸入BUS電容PFC電流的 獲取11 根據(jù)圖4，設(shè)d 為PFC開關(guān)管的占空比,理想狀況下對(duì)于電感L根據(jù) 平衡有： 可以導(dǎo)出PFC開環(huán)時(shí)續(xù)流二極管導(dǎo)通占空比為： 輸入BUS電容的平均電流可以近似表示為：V S|(|) (1)LineBUSLineVd TVVdT |1LineBUSVdV|LinePFCLineBUSViiV三、輸入BUS電容PFC電流的 獲取12四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5 有濾波網(wǎng)絡(luò)前后帶R滿載（2.4KW）BUS電壓紋波波形圖CH1、CH2為正負(fù)BUS電壓，CH3為負(fù)載電流無濾波

5、網(wǎng)絡(luò)BUS電壓紋波為100V，有濾波網(wǎng)絡(luò)（不含中線電流補(bǔ)償）BUS電壓紋波為54V13四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖6 有濾波網(wǎng)絡(luò)前后帶RCD滿載（1KW/2200uF）BUS電壓紋波波形圖CH1、CH2為正負(fù)BUS電壓，CH3為負(fù)載電流無濾波網(wǎng)絡(luò)BUS電壓紋波為76V，有濾波網(wǎng)絡(luò)（不含中線電流補(bǔ)償）BUS電壓紋波為54V14四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7 有電流補(bǔ)償前后帶R滿載（2.4KW）BUS電壓紋波波形圖CH1、CH2為正負(fù)BUS電壓，CH3為負(fù)載電流無電流補(bǔ)償BUS電壓紋波為54V，有濾波網(wǎng)絡(luò)BUS電壓紋波為36V15四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8 有電流補(bǔ)償前后帶RCD滿載（1KW/2200uF）BUS電壓紋波波形圖CH1、

6、CH2為正負(fù)BUS電壓，CH3為負(fù)載電流無電流補(bǔ)償BUS電壓紋波為54V，有電流補(bǔ)償BUS電壓紋波為51V16四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖9 有濾波網(wǎng)絡(luò)前后帶R滿載（2.4KW）市電輸入電流波形圖CH1、CH2為正負(fù)BUS電壓，CH3為負(fù)載電流17四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖10 有濾波網(wǎng)絡(luò)前后帶RCD滿載（1KW/2200uF）市電輸入電流波形圖CH1、CH2為正負(fù)BUS電壓，CH3為負(fù)載電流18ConverterMode工作模式下，有濾波網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：nBUS電壓紋波明顯減小。n輸入電流波動(dòng)大大減小，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。n輸出電壓的波動(dòng)也大大減小，提高了UPS的輸出性能四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果19五、理論解釋 為了便

7、于近似這里只對(duì)帶R滿載的情況做理論計(jì)算，為此需要做一些假設(shè)：n系統(tǒng)沒有損耗，即：n計(jì)算PFC輸入BUS電容電流時(shí)忽略BUS電壓波動(dòng)，認(rèn)為其為恒定值n正負(fù)BUS電壓完全一致inoutPP20 五、理論解釋根據(jù)BUS電壓的計(jì)算公式：BUS電壓紋波部分的表達(dá)式為：為此還需求出從BUS電容流出為逆變提供能量的電流平均值，PFC流入BUS電容的真實(shí)電流在第二部分已經(jīng)推導(dǎo)過。01( )(0)()tPFCinvccV tViidtC01()tPFCinviidtC21在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)從BUS電容流出的平均電流為：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過續(xù)流二極管續(xù)流到BUS電容的電流為： 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，從BUS電容流出的真

8、實(shí)的電流為： ( )1(1)2outINVoutoutbusVtiiV( )1(1)2outINV inoutbusVtiiV( )outINVINVoutINV inoutbusVtiiiiV五、理論解釋22五、理論解釋圖11 有濾波網(wǎng)絡(luò)帶R滿載（2.4KW）BUS電壓紋波波形圖上圖為實(shí)驗(yàn)波形（p-p值28.1V），下圖為理論計(jì)算波形（ p-p值21V ）23五、理論解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比，電壓紋波波形幾乎一致，但計(jì)算的紋波峰峰值21V比實(shí)驗(yàn)28.1V的要小一些，這與計(jì)算時(shí)做的假設(shè)有關(guān)：n實(shí)際中市電輸入功率與逆變輸出功率并不是所假設(shè)的那樣實(shí)際中市電輸入功率與逆變輸出功率并不是所假設(shè)的

9、那樣相等，效率為相等，效率為88%88%。n實(shí)際中正負(fù)實(shí)際中正負(fù)BUSBUS電壓也并非所假設(shè)的那樣完全一致，正負(fù)電壓也并非所假設(shè)的那樣完全一致，正負(fù)BUSBUS電壓存在一定的差值，這個(gè)差值正好提供控制器的給電壓存在一定的差值，這個(gè)差值正好提供控制器的給定量。定量。n實(shí)際中實(shí)際中BUSBUS電壓是有波動(dòng)的，不是假設(shè)中的恒定值。電壓是有波動(dòng)的，不是假設(shè)中的恒定值。24六、結(jié)論n濾波網(wǎng)絡(luò)控制中加入中線電流補(bǔ)償，可以大大提高控制性能。n通過用開環(huán)計(jì)算的PFC開關(guān)管占空比求得的輸入BUS電容的平均值電流完全可以代替真實(shí)流入BUS電容的電流脈沖，實(shí)驗(yàn)效果不錯(cuò)。n加入濾波網(wǎng)絡(luò)后，在ConverterMode工作模式下，BUS電壓紋波明顯減?。豢梢源蟠鬁p小輸入市電電流的波動(dòng)，減少對(duì)市電的污染；輸出電壓波動(dòng)也大大減小。25七、討論效率問題：n用T-8磁芯資料計(jì)算結(jié)果表明電感損耗占據(jù)濾波網(wǎng)絡(luò)損耗的三分之二左右，采用損耗小的磁芯整機(jī)效率還有提升的空間，采用Kool M磁芯的電感整機(jī)效率帶R滿載確實(shí)有1.1%26 的提高 ，RCD滿載效率提高0.5%；但與沒有濾波網(wǎng)絡(luò)相