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  • 如何通过 Vienna PFC 满足三相交流输入系统对功率因数和 iTHD 的严格要求

    • ZHCAE90 July   2024 TMS320F2800135 , TMS320F2800137

       

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  • 如何通过 Vienna PFC 满足三相交流输入系统对功率因数和 iTHD 的严格要求
  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1引言
  5. 2三相 PFC 系统的技术趋势
  6. 3通过三相 PFC 满足对功率因数和 iTHD 的严格要求
    1. 3.1 电流谐波要求
    2. 3.2 三相 PFC 拓扑
  7. 4Vienna PFC 系统解决方案和仿真
    1. 4.1 Vienna PFC 系统解决方案
    2. 4.2 仿真
    3. 4.3 基于 MATLAB/Simulink 的 C2000 代码生成
  8. 5参考资料
  9. 重要声明
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Technical White Paper

如何通过 Vienna PFC 满足三相交流输入系统对功率因数和 iTHD 的严格要求

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摘要

三相交流/直流整流器是电网与电气设备之间的重要接口。其良好的运行特性可以提高设备的效率和电网电能的质量。为了满足三相系统对高功率因数和低电流谐波的严格要求,三相功率因数校正 (PFC) 技术被越来越多地应用于三相设备。本白皮书分析了三相 PFC 系统的技术趋势,介绍了 EN/IEC 61000-3-2 等国际标准中对电流谐波的要求,并比较和分析了各种 PFC 拓扑的优缺点。然后介绍了具有低成本、高性能、高可靠性和高功率密度特点的 Vienna PFC 系统解决方案,并提供了 Matlab®/Simulink® 的仿真结果,以验证控制策略的有效性。最后,介绍了德州仪器 (TI) 提供的基于 Matlab/Simulink 的 C2000™ 微控制器单元 (MCU) 代码生成函数。该函数可以大幅缩短项目开发周期并降低成本。

商标

C2000™ and Code Composer Studio™are TMs ofTI corporate name.

Matlab® and Simulink®are reg TMs ofThe MathWoks, Inc.

Other TMs

1 引言

由于化石燃料短缺和环境污染,加之电力电子技术的进步,越来越多的电力电子设备接入到电网中。传统的交流/直流转换整流器件,比如二极管整流器、相控整流器,不仅会造成更高的无功功率损耗,而且会在电网中引入大量谐波,严重影响电网的稳定性和质量。为保证电网的电力质量,全球组织制定了一系列标准来规范电气设备的电流谐波和功率因数,包括国际电工委员会 (IEC) 的 EN/IEC 61000-3-2 和中国的 GB17625.1。

大型功率器件,通常是三相系统,对电网的谐波振幅和功率因数具有更明显的影响。随着热泵和大功率空调的快速发展,接入电网的三相器件的数量不断增加。因此,为了保持电能质量并节约能源,对三相系统的功率因数和 iTHD 的要求变得越来越严格。

高效、高性能功率因数校正 (PFC) 技术广泛应用于三相交流/直流整流器件,以符合电流谐波标准。Vienna PFC 拓扑以低成本、高可靠性和高功率密度而闻名,被广泛应用于三相交流/直流整流器。德州仪器 (TI) 为全球客户提供各种 PFC 技术参考设计,并提供了全面的模拟器件和微控制器单元 (MCU) 选项,大幅降低了工程项目的研发周期和相关成本。

 三相交流输入系统框图图 1-1 三相交流输入系统框图

2 三相 PFC 系统的技术趋势

随着热泵、大功率空调和 EV 充电站市场的增长,三相输入设备的规模正在迅速扩大。例如,全球热泵市场增长率为 12%,欧洲热泵市场增长率高达 20%。在蓬勃的市场前景的推动下,对三相系统的 PFC 技术的研究不断加深,这些系统的标准规范也在不断更新。

三相 PFC 系统的技术趋势包括:

  • 开发新型 PFC 拓扑:借助电力电子器件和嵌入式处理器的发展,满足各种应用要求和系统性能需求。
  • 利用数字控制方法:这对于额定功率超过 3.3kW 的器件尤其重要,因为此类器件的高功率特性要求抗干扰性和可靠性,而模拟控制方案可能无法提供。采用高性能、具有成本效益的 MCU,如 C2000 系列:用于提升响应速度和控制精度,实现更复杂的策略。
  • 在由多个子系统组成的大型三相系统中集成有源电源滤波器 (APF) 和 PFC:在电网侧使用集中式有源电源滤波器进行谐波补偿,从而在电流超过 50A 的系统中节省成本并提高稳定性。
  • 追求高效率和高功率密度:使用 GaN 等第三代半导体帮助提高系统效率、减小散热器的尺寸和重量,并实现更高的开关频率,更大限度地减少大部分无源器件。
  • 遵守严格的全球谐波标准:应对能源危机和电网质量的影响。在欧洲,EN/IEC 61000-3-2: 2019+A1: 2021 标准已于 2024 年 4 月 9 日强制执行。在中国,更新后的 GB 17625.1-2022 于 2024 年 7 月 1 日生效,扩大了范围,涵盖了更多具有严格电流谐波要求的三相设备。

TI 提供了一整套强大的霍尔效应电流传感器、隔离式运算放大器、隔离式栅极驱动器和 C2000 系列 MCU,以及全面的辅助电源解决方案。这些解决方案为全球用户提供了具有成本效益、高性能的模拟组件和 MCU,满足实现三相 PFC 系统的硬件要求。此外,TI 还提供适用于各种 PFC 拓扑的成熟系统方案参考设计,并分享软件和硬件设计资源,以促进 PFC 技术的应用和发展。

3 通过三相 PFC 满足对功率因数和 iTHD 的严格要求

三相 PFC 系统拓扑主要分为两种主要类型:无源 PFC 和有源 PFC。无源 PFC 系统主要由电感滤波器组成,无需控制即可运行,其功率因数通常为 0.9,电流谐波水平约为 30%。有源 PFC 拓扑包含其他半导体电源开关器件,由 MCU 控制。这些系统可以轻易地将功率因数增加到接近 1,并将电流谐波减少到 5% 以下。配备有源 PFC 拓扑的系统更容易实现 0.99 以上的功率因数。因此,三相 PFC 拓扑的主要挑战是满足电流谐波的严格要求。

 三相无源 PFC 系统框图图 3-1 三相无源 PFC 系统框图
 三相有源 PFC 系统框图图 3-2 三相有源 PFC 系统框图

过去,三相系统的电流谐波标准不太严格,不太明确,会使用无源滤波器进行功率因数校正并抑制电流谐波。但是,谐波电流仍然很大,并且无源器件既大又重。近年来,随着谐波标准越来越明确和严格,尤其是对于每相额定电流不超过 16A 的设备,有源 PFC 拓扑的采用呈现出不断增长的趋势。发生这种变化的原因在于,需要在实现高功率因数的同时保持低电流谐波电平。

3.1 电流谐波要求

例如,根据标准 EN/IEC 61000-3-2: 2019+A1: 2021,设备可分为四类:A、B、C 和 D,并指定了它们各自的谐波电流限值。此处讨论的平衡三相交流输入系统为 A 类器件。根据标准(详见表 3-1),A 类器件的谐波电流限制。

表 3-1 A 类设备的限制
谐波次数 h允许的最大谐波电流 A
奇数谐波
32.30
51.14
70.77
90.40
110.33
130.21
15≤h≤390.15 × 15/h
偶数谐波
21.08
40.43
60.30
8≤h≤400.23 × 8/h

表中显示,IEC 主要设定截至第 40 次的谐波振幅限值,这些谐波振幅被视为绝对值,与基波电流振幅无关。该标准未规定总谐波失真的限制。然而,三相有源 PFC 的典型设计目标是实现低于 5% 的 iTHD。

 

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