現(xiàn)代逆變電源中有源功率因數(shù)校正技術(shù)的應用
因為對功用需求的不斷進步，特別是當前“綠色”電源的呼聲越來越高，現(xiàn)代逆變器體系對功率因數(shù)校對和電流諧波按捺提出的更高的需求。這篇文章對功率因數(shù)校對在現(xiàn)代逆變電源中的使用作了扼要介紹。剖析對比了幾種帶有PFC功用的逆變器構(gòu)成計劃，剖析結(jié)果表明帶單級阻隔型PFC電路的兩級逆變器具有更高的牢靠性，更高的功率和更低的本錢。
1 現(xiàn)代逆變電源體系的構(gòu)成和構(gòu)造
跟著各行各業(yè)操控技能的開展和對操作功用需求的進步，許多職業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用溝通電網(wǎng)供應的溝通電作為電動力，而是經(jīng)過各種辦法對其進行改換，然后得到各自所需的電能辦法�，F(xiàn)代逆變體系即是一種經(jīng)過整流和逆變組合電路，來完結(jié)逆變功用的電源體系。逆變體系除了整流電路和逆變電路外，還要有操控電路、維護電路和輔佐電路等�，F(xiàn)代逆變體系根本構(gòu)造如圖1所示。
圖1 逆變體系根本構(gòu)造框圖
現(xiàn)代逆變體系各部分功用如下：
1. 整流電路：整流電路即是利用整流開關(guān)器材，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關(guān)斷開關(guān)器材等，將溝通電改換為直流電。除此之外，整流電路還應具有按捺電流諧波和功率因數(shù)調(diào)整功用。
2. 逆變電路：逆變電路的功用是將直流電改換成溝通電，即經(jīng)過操控逆變電路的作業(yè)頻率和輸出時刻份額，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值依照大家的志愿或設(shè)備作業(yè)的需求來靈活地改變。
3. 操控電路：操控電路的功用是按需求發(fā)作和調(diào)理一系列的操控脈沖來操控逆變開關(guān)管的導通和關(guān)斷，然后合作逆變器主電路完結(jié)逆變功用。
4. 輔佐電路：輔佐電路的功用是將逆變器的輸入電壓改換成合適操控電路作業(yè)需求的直流電壓。關(guān)于溝通電網(wǎng)輸入，能夠選用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓等辦法，當然也能夠選用DC-DC改換器。
5. 維護電路：維護電路要完結(jié)的功用首要包含：輸入過壓、欠壓維護；輸出過壓、欠壓維護；過載維護；過流和短路維護；過熱維護等。
2 逆變電源體系功率因數(shù)及諧波攪擾疑問剖析
關(guān)于逆變器的整流環(huán)節(jié)（AC-DC），傳統(tǒng)的辦法仍選用不控整流將通用溝通電網(wǎng)供應的溝通電經(jīng)整流改換為直流。盡管不控整流器電路簡略牢靠，但它會從電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使輸入端電流和溝通電壓均發(fā)作畸變。也即是說，很多的電器設(shè)備本身的穩(wěn)壓電源，其輸入前置級電路實際上是一個峰值檢波器，在高壓電容濾波器上的充電電壓，使得整流器的導通角縮短三倍，電流脈沖成了非正弦波的窄脈沖，因而在電網(wǎng)輸入端發(fā)作失真很大的諧波峰值攪擾，如圖1.2所示。
圖2 傳統(tǒng)整流電路輸入端電網(wǎng)電壓和電流失真與諧波攪擾重量圖
由此可見，很多整流電路的使用使電網(wǎng)供應嚴峻畸變的非正弦電流，對此畸變的輸入電流進行傅立葉剖析，發(fā)現(xiàn)它不只富含基波，還富含豐厚的高次諧波重量。這些高次諧波倒流入電網(wǎng)，導致嚴峻的諧波污染，使輸入端功率因數(shù)下降，將形成無窮的浪費和嚴峻危害。輸入電流諧波的危害首要有：
（1）使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的功率下降，使得電器設(shè)備過熱、發(fā)作振蕩和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，乃至發(fā)作故障或焚毀。
（2）可導致電力體系部分并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，形成電容器等設(shè)備焚毀。
（3）使丈量儀器發(fā)作附加諧波差錯。慣例的丈量儀器是設(shè)計并作業(yè)在正弦電壓、電流波形的，因而在丈量正弦電壓和電流時能確保其精度，但是這些外表用于丈量非正弦量時，會發(fā)作附加差錯，影響丈量精度。
（4）諧波還會導致繼電維護和電動設(shè)備誤動作，使電能計量呈現(xiàn)紊亂。
現(xiàn)代逆變電源體系對功率因數(shù)校對和電流諧波按捺提出了更高的需求。為了減小AC-DC溝通電路輸入端諧波發(fā)作的噪聲和對電網(wǎng)發(fā)作的諧波污染，以確保電網(wǎng)供電質(zhì)量，進步電網(wǎng)的牢靠性；一起也為了進步輸入功率因數(shù)，以到達節(jié)能的作用，不少國家和世界學術(shù)安排都制定了約束電力體系諧波和用電設(shè)備諧波的規(guī)范和規(guī)則，如世界電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）、世界電工委員會（IEC）和世界大電網(wǎng)會議（CIGRE）都推出了各自主張的諧波規(guī)范，其間最有影響力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2，我國也先后于1984年和1993年別離制定了約束諧波的規(guī)則和國家規(guī)范。
因而在現(xiàn)代逆變電源體系中，功率因數(shù)校對電路是一個不可或缺的重要構(gòu)成部分。功率因數(shù)校對能夠分為無源功率因數(shù)校對技能（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校對技能（Active PFC）。無源功率因數(shù)校對技能是選用無源器材，如電感和電容構(gòu)成得諧振濾波器來完結(jié)PFC功用；有源功率因數(shù)校對技能則選用了有源器材，如開關(guān)管和操控電路來完結(jié)PFC功用。現(xiàn)代逆變電源體系使用的多為有源功率因數(shù)校對技能，能夠?qū)⑤斎腚娏餍Τ膳c輸入電壓同相的正弦波，將功率因數(shù)進步至挨近1。
3 帶有PFC功用的逆變器構(gòu)成計劃
具有功率因數(shù)校對功用的逆變器構(gòu)成計劃通常有三種：三級構(gòu)成計劃Ⅰ、三級構(gòu)成計劃Ⅱ和兩級構(gòu)成計劃。
1. 三級構(gòu)成計劃Ⅰ。其構(gòu)造如圖3所示。榜首級是50Hz工頻變壓器，用來完結(jié)電氣阻隔功用，然后確保電源設(shè)備的安全性，免受來自高壓饋電線的風險。第二級是功率因數(shù)校對電路，用來逼迫線電流跟從線電壓，使線電流正弦化，進步功率因數(shù)，削減諧波含量，其輸出是400V擺布的高壓直流。第三級是DC-AC模塊，用來完結(jié)逆變功用，即經(jīng)過操控逆變電路的作業(yè)頻率和輸出時刻份額，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值依照大家的志愿或設(shè)備作業(yè)的需求來靈活地改變。
圖3三級構(gòu)成計劃Ⅰ主電路框圖
這是一種較早選用的計劃，技能也對比老練，其首要長處是電路構(gòu)造簡略，完結(jié)較為簡單。首要缺陷是電能經(jīng)過三級改換，下降了逆變器的牢靠性和功率；工頻阻隔變壓器體積巨大、粗笨、消耗材料多；PFC級的輸出，即DC-AC的輸入為400V擺布的高壓直流電，這就對許多需求逆變級具有低壓輸入的使用場合發(fā)作了約束。比方鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個重要的逆變器使用領(lǐng)域都需求110V的正弦溝通電輸出，若選用這種構(gòu)成計劃，則不只牢靠性難以得到確保，并且逆變器的功率會進一步下降，通常不會超越80%。
2. 三級構(gòu)成計劃Ⅱ。其構(gòu)造如圖4所示。榜首級是PFC級，其構(gòu)造功用與三級構(gòu)成計劃Ⅰ中的PFC電路一樣。第二級是DC-DC級，用來調(diào)理PFC輸出電壓和完結(jié)電氣阻隔。第三級是DC-AC模塊，其構(gòu)造功用與三級構(gòu)成計劃Ⅰ中的DC-AC電路一樣。這是當前使用較多的一種計劃，是中大功率使用的最好挑選。
圖4 三級構(gòu)成計劃Ⅱ主電路框圖
這種計劃的首要長處是去掉了粗笨巨大的工頻變壓器；每一級均有各自的操控環(huán)節(jié)，使得該電路具有良好的功用；DC-AC的輸入電壓可根據(jù)逆變輸出的不一樣需求進行調(diào)整，適用于各種功率場合，功率較三級構(gòu)成計劃Ⅰ有所進步。缺陷是各級都需求一套獨立的操控電路，增加了器材數(shù)目和操控電路的復雜性；因為電能同樣經(jīng)過三級改換，使得逆變器的牢靠性和功率依然不能令人滿意。
3.兩級構(gòu)成計劃。 針對以上兩種計劃的缺乏，大家提出了一種兩級構(gòu)成計劃。該計劃將三級構(gòu)成計劃Ⅱ中的前兩級合并為一級，使PFC和DC-DC級共用開關(guān)管和操控電路（如圖5所示），并經(jīng)過高頻變壓器得到可調(diào)PFC輸出直流電壓，完結(jié)電氣阻隔,如圖5所示。這種計劃堅持了三級構(gòu)成計劃Ⅱ中的長處，并且改進了三級構(gòu)成計劃Ⅱ的缺乏之處�？倸w，牢靠性高、功率高、本錢低是這種逆變器構(gòu)成計劃最明顯的長處。
圖6 兩級逆變器構(gòu)成計劃主電路框圖
4 定論
將這三種逆變器的構(gòu)成計劃進行對比后不難發(fā)現(xiàn)，它們的逆變部分構(gòu)造和功用完全一樣，區(qū)別僅在于整流環(huán)節(jié)，即經(jīng)過不一樣辦法發(fā)作經(jīng)阻隔和功率因數(shù)校對后的（可調(diào)）直流電壓，來作為逆變級的輸入。因為單級PFC電路將PFC級和DC-DC級聯(lián)系在一起，能量只被處置一次，用一個操控器就能完結(jié)輸入PFC和輸出電壓調(diào)理功用，因而十分適用于逆變電源的前級整流環(huán)節(jié)。
1 現(xiàn)代逆變電源體系的構(gòu)成和構(gòu)造
跟著各行各業(yè)操控技能的開展和對操作功用需求的進步，許多職業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用溝通電網(wǎng)供應的溝通電作為電動力，而是經(jīng)過各種辦法對其進行改換，然后得到各自所需的電能辦法�，F(xiàn)代逆變體系即是一種經(jīng)過整流和逆變組合電路，來完結(jié)逆變功用的電源體系。逆變體系除了整流電路和逆變電路外，還要有操控電路、維護電路和輔佐電路等�，F(xiàn)代逆變體系根本構(gòu)造如圖1所示。
圖1 逆變體系根本構(gòu)造框圖
現(xiàn)代逆變體系各部分功用如下：
1. 整流電路：整流電路即是利用整流開關(guān)器材，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關(guān)斷開關(guān)器材等，將溝通電改換為直流電。除此之外，整流電路還應具有按捺電流諧波和功率因數(shù)調(diào)整功用。
2. 逆變電路：逆變電路的功用是將直流電改換成溝通電，即經(jīng)過操控逆變電路的作業(yè)頻率和輸出時刻份額，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值依照大家的志愿或設(shè)備作業(yè)的需求來靈活地改變。
3. 操控電路：操控電路的功用是按需求發(fā)作和調(diào)理一系列的操控脈沖來操控逆變開關(guān)管的導通和關(guān)斷，然后合作逆變器主電路完結(jié)逆變功用。
4. 輔佐電路：輔佐電路的功用是將逆變器的輸入電壓改換成合適操控電路作業(yè)需求的直流電壓。關(guān)于溝通電網(wǎng)輸入，能夠選用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓等辦法，當然也能夠選用DC-DC改換器。
5. 維護電路：維護電路要完結(jié)的功用首要包含：輸入過壓、欠壓維護；輸出過壓、欠壓維護；過載維護；過流和短路維護；過熱維護等。
2 逆變電源體系功率因數(shù)及諧波攪擾疑問剖析
關(guān)于逆變器的整流環(huán)節(jié)（AC-DC），傳統(tǒng)的辦法仍選用不控整流將通用溝通電網(wǎng)供應的溝通電經(jīng)整流改換為直流。盡管不控整流器電路簡略牢靠，但它會從電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使輸入端電流和溝通電壓均發(fā)作畸變。也即是說，很多的電器設(shè)備本身的穩(wěn)壓電源，其輸入前置級電路實際上是一個峰值檢波器，在高壓電容濾波器上的充電電壓，使得整流器的導通角縮短三倍，電流脈沖成了非正弦波的窄脈沖，因而在電網(wǎng)輸入端發(fā)作失真很大的諧波峰值攪擾，如圖1.2所示。
圖2 傳統(tǒng)整流電路輸入端電網(wǎng)電壓和電流失真與諧波攪擾重量圖
由此可見，很多整流電路的使用使電網(wǎng)供應嚴峻畸變的非正弦電流，對此畸變的輸入電流進行傅立葉剖析，發(fā)現(xiàn)它不只富含基波，還富含豐厚的高次諧波重量。這些高次諧波倒流入電網(wǎng)，導致嚴峻的諧波污染，使輸入端功率因數(shù)下降，將形成無窮的浪費和嚴峻危害。輸入電流諧波的危害首要有：
（1）使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的功率下降，使得電器設(shè)備過熱、發(fā)作振蕩和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，乃至發(fā)作故障或焚毀。
（2）可導致電力體系部分并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，形成電容器等設(shè)備焚毀。
（3）使丈量儀器發(fā)作附加諧波差錯。慣例的丈量儀器是設(shè)計并作業(yè)在正弦電壓、電流波形的，因而在丈量正弦電壓和電流時能確保其精度，但是這些外表用于丈量非正弦量時，會發(fā)作附加差錯，影響丈量精度。
（4）諧波還會導致繼電維護和電動設(shè)備誤動作，使電能計量呈現(xiàn)紊亂。
現(xiàn)代逆變電源體系對功率因數(shù)校對和電流諧波按捺提出了更高的需求。為了減小AC-DC溝通電路輸入端諧波發(fā)作的噪聲和對電網(wǎng)發(fā)作的諧波污染，以確保電網(wǎng)供電質(zhì)量，進步電網(wǎng)的牢靠性；一起也為了進步輸入功率因數(shù)，以到達節(jié)能的作用，不少國家和世界學術(shù)安排都制定了約束電力體系諧波和用電設(shè)備諧波的規(guī)范和規(guī)則，如世界電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）、世界電工委員會（IEC）和世界大電網(wǎng)會議（CIGRE）都推出了各自主張的諧波規(guī)范，其間最有影響力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2，我國也先后于1984年和1993年別離制定了約束諧波的規(guī)則和國家規(guī)范。
因而在現(xiàn)代逆變電源體系中，功率因數(shù)校對電路是一個不可或缺的重要構(gòu)成部分。功率因數(shù)校對能夠分為無源功率因數(shù)校對技能（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校對技能（Active PFC）。無源功率因數(shù)校對技能是選用無源器材，如電感和電容構(gòu)成得諧振濾波器來完結(jié)PFC功用；有源功率因數(shù)校對技能則選用了有源器材，如開關(guān)管和操控電路來完結(jié)PFC功用。現(xiàn)代逆變電源體系使用的多為有源功率因數(shù)校對技能，能夠?qū)⑤斎腚娏餍Τ膳c輸入電壓同相的正弦波，將功率因數(shù)進步至挨近1。
3 帶有PFC功用的逆變器構(gòu)成計劃
具有功率因數(shù)校對功用的逆變器構(gòu)成計劃通常有三種：三級構(gòu)成計劃Ⅰ、三級構(gòu)成計劃Ⅱ和兩級構(gòu)成計劃。
1. 三級構(gòu)成計劃Ⅰ。其構(gòu)造如圖3所示。榜首級是50Hz工頻變壓器，用來完結(jié)電氣阻隔功用，然后確保電源設(shè)備的安全性，免受來自高壓饋電線的風險。第二級是功率因數(shù)校對電路，用來逼迫線電流跟從線電壓，使線電流正弦化，進步功率因數(shù)，削減諧波含量，其輸出是400V擺布的高壓直流。第三級是DC-AC模塊，用來完結(jié)逆變功用，即經(jīng)過操控逆變電路的作業(yè)頻率和輸出時刻份額，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值依照大家的志愿或設(shè)備作業(yè)的需求來靈活地改變。
圖3三級構(gòu)成計劃Ⅰ主電路框圖
這是一種較早選用的計劃，技能也對比老練，其首要長處是電路構(gòu)造簡略，完結(jié)較為簡單。首要缺陷是電能經(jīng)過三級改換，下降了逆變器的牢靠性和功率；工頻阻隔變壓器體積巨大、粗笨、消耗材料多；PFC級的輸出，即DC-AC的輸入為400V擺布的高壓直流電，這就對許多需求逆變級具有低壓輸入的使用場合發(fā)作了約束。比方鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個重要的逆變器使用領(lǐng)域都需求110V的正弦溝通電輸出，若選用這種構(gòu)成計劃，則不只牢靠性難以得到確保，并且逆變器的功率會進一步下降，通常不會超越80%。
2. 三級構(gòu)成計劃Ⅱ。其構(gòu)造如圖4所示。榜首級是PFC級，其構(gòu)造功用與三級構(gòu)成計劃Ⅰ中的PFC電路一樣。第二級是DC-DC級，用來調(diào)理PFC輸出電壓和完結(jié)電氣阻隔。第三級是DC-AC模塊，其構(gòu)造功用與三級構(gòu)成計劃Ⅰ中的DC-AC電路一樣。這是當前使用較多的一種計劃，是中大功率使用的最好挑選。
圖4 三級構(gòu)成計劃Ⅱ主電路框圖
這種計劃的首要長處是去掉了粗笨巨大的工頻變壓器；每一級均有各自的操控環(huán)節(jié)，使得該電路具有良好的功用；DC-AC的輸入電壓可根據(jù)逆變輸出的不一樣需求進行調(diào)整，適用于各種功率場合，功率較三級構(gòu)成計劃Ⅰ有所進步。缺陷是各級都需求一套獨立的操控電路，增加了器材數(shù)目和操控電路的復雜性；因為電能同樣經(jīng)過三級改換，使得逆變器的牢靠性和功率依然不能令人滿意。
3.兩級構(gòu)成計劃。 針對以上兩種計劃的缺乏，大家提出了一種兩級構(gòu)成計劃。該計劃將三級構(gòu)成計劃Ⅱ中的前兩級合并為一級，使PFC和DC-DC級共用開關(guān)管和操控電路（如圖5所示），并經(jīng)過高頻變壓器得到可調(diào)PFC輸出直流電壓，完結(jié)電氣阻隔,如圖5所示。這種計劃堅持了三級構(gòu)成計劃Ⅱ中的長處，并且改進了三級構(gòu)成計劃Ⅱ的缺乏之處�？倸w，牢靠性高、功率高、本錢低是這種逆變器構(gòu)成計劃最明顯的長處。
圖6 兩級逆變器構(gòu)成計劃主電路框圖
4 定論
將這三種逆變器的構(gòu)成計劃進行對比后不難發(fā)現(xiàn)，它們的逆變部分構(gòu)造和功用完全一樣，區(qū)別僅在于整流環(huán)節(jié)，即經(jīng)過不一樣辦法發(fā)作經(jīng)阻隔和功率因數(shù)校對后的（可調(diào)）直流電壓，來作為逆變級的輸入。因為單級PFC電路將PFC級和DC-DC級聯(lián)系在一起，能量只被處置一次，用一個操控器就能完結(jié)輸入PFC和輸出電壓調(diào)理功用，因而十分適用于逆變電源的前級整流環(huán)節(jié)。
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