先进电动机驱动中功率因数校正的应用

开关磁阻电动机（SRM）是一个先进的调速装置，但不能直接与主电路相连，需要电力电子接口来使其最优运行。目前已提出各种电力电子拓扑，其中C-dump变换器拓扑是常用的驱动SRM的拓扑之一，此拓扑中包含无源元件的数目和复杂性最高。通常在最坏情况下，用于检验先进驱动的功率因数校正功能。图3-19给出了SRM模型及其驱动电路。

图3-19 SRM驱动的C-dump变换器

图3-19中，直流电源为变换器和电动机供电。尽管在现实情况中，通常用交流供电，但通过不可控或可控整流器可将交流电转化为直流电。如3.3节所述，当只有在驱动和应用之间具有二极管桥式整流器（DBR）时，平波电容才能在高电平周期内充电和放电，同时在应用侧产生大尖峰电流。这将使得功率因数和系统整体性能下降。图3-20和图3-21所示为一个不可控直流侧的功率级以及工作波形。从电源电压和电流波形可看出，在电源侧发生扩展失真。

图3-20 简单DBR作为直流侧的SRM驱动

图3-21 DBR作为直流侧时SRM的输入电压和电流

正如前面所述，升压变换器是最适用于有源功率因数校正的拓扑。图3-22给出了升压变换器作为功率因数校正电路的SRM驱动的功率级框图。(www.xing528.com)

图3-22 升压变换器作为前端功率因数校正的SRM驱动

从图3-23所示的波形可看出，采用DC-DC升压变换器，功率因数几乎可达到1，并且无论包含多少无源元件，变换器的负载基本上为阻性负载，在电源电流波形中没有电流峰值。有关升压变换器工作的详细介绍可参见相关参考文献。

图3-23 升压变换器作为前端功率因数校正的SRM的V_in和I_in

这里，升压变换器的开关是可控的，考虑变换器的输出电压，无需控制SRM主驱动电路的开关。在动态情况下，需观测整体系统是否不稳定。有时，需要系统中的所有开关同步来避免这种问题。通过调节升压变换器开关的占空比，可控制输入电流来跟踪输入电压。在电流和电压具有低失真率和精确跟踪的条件下，增加一个前端升压变换器，通常可使功率因数大于99%，输入电流的THD低于5%。

本章讨论了采用功率因数校正技术的原因和各种方法以及各自的性能，并给出了仿真结果来验证理论分析。国际和IEEE标准强调谐波电压和谐波电流的限制，这里提出了各种电力电子电路的设计方案来满足这些标准，同时也利用计算机仿真对IEC标准进行了研究。通常，有源功率因数校正的有效性不是问题，但所需的电力电子电路成本是影响广泛应用的一个主要障碍。最简单的功率因数校正方法是通过无源方法实现IEC和IEEE标准，如采用一个LC滤波器。尽管利用这些无源功率因数校正方法可满足这些标准，但EMI问题、EMC问题以及无源元件的尺寸大小还需验证。由此，本章的结束语是“对于电力电子工程师，如何设计一个满足谐波标准的成本低廉且没有副作用和系统干扰等问题的电力电子装置还是一个挑战。”