现代逆变电源中有源功率因数校正技术的应用

因为对功用需求的不断进步,特别是当前“绿色”电源的呼声越来越高,现代逆变器体系对功率因数校对和电流谐波按捺提出的更高的需求。这篇文章对功率因数校对在现代逆变电源中的使用作了扼要介绍。剖析对比了几种带有PFC功用的逆变器构成计划,剖析结果表明带单级阻隔型PFC电路的两级逆变器具有更高的牢靠性,更高的功率和更低的本钱。
1   现代逆变电源体系的构成和构造
跟着各行各业操控技能的开展和对操作功用需求的进步,许多职业的用电设备都不是直接使用通用沟通电网供应的沟通电作为电动力,而是经过各种办法对其进行改换,然后得到各自所需的电能办法。现代逆变体系即是一种经过整流和逆变组合电路,来完结逆变功用的电源体系。逆变体系除了整流电路和逆变电路外,还要有操控电路、维护电路和辅佐电路等。现代逆变体系根本构造如图1所示。
图1 逆变体系根本构造框图
现代逆变体系各部分功用如下:
 1. 整流电路:整流电路即是利用整流开关器材,如半导体二极管、晶闸管(可控硅)和自关断开关器材等,将沟通电改换为直流电。除此之外,整流电路还应具有按捺电流谐波和功率因数调整功用。
 2. 逆变电路:逆变电路的功用是将直流电改换成沟通电,即经过操控逆变电路的作业频率和输出时刻份额,使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值依照大家的志愿或设备作业的需求来灵活地改变。
3. 操控电路:操控电路的功用是按需求发作和调理一系列的操控脉冲来操控逆变开关管的导通和关断,然后合作逆变器主电路完结逆变功用。
4. 辅佐电路:辅佐电路的功用是将逆变器的输入电压改换成合适操控电路作业需求的直流电压。关于沟通电网输入,能够选用工频降压、整流、线性稳压等办法,当然也能够选用DC-DC改换器。
5. 维护电路:维护电路要完结的功用首要包含:输入过压、欠压维护;输出过压、欠压维护;过载维护;过流和短路维护;过热维护等。
2 逆变电源体系功率因数及谐波搅扰疑问剖析
关于逆变器的整流环节(AC-DC),传统的办法仍选用不控整流将通用沟通电网供应的沟通电经整流改换为直流。尽管不控整流器电路简略牢靠,但它会从电网中吸取高峰值电流,使输入端电流和沟通电压均发作畸变。也即是说,很多的电器设备本身的稳压电源,其输入前置级电路实际上是一个峰值检波器,在高压电容滤波器上的充电电压,使得整流器的导通角缩短三倍,电流脉冲成了非正弦波的窄脉冲,因而在电网输入端发作失真很大的谐波峰值搅扰,如图1.2所示。
图2  传统整流电路输入端电网电压和电流失真与谐波搅扰重量图

由此可见,很多整流电路的使用使电网供应严峻畸变的非正弦电流,对此畸变的输入电流进行傅立叶剖析,发现它不只富含基波,还富含丰厚的高次谐波重量。这些高次谐波倒流入电网,导致严峻的谐波污染,使输入端功率因数下降,将形成无穷的浪费和严峻危害。输入电流谐波的危害首要有:
(1)使电能的生产、传输和利用的功率下降,使得电器设备过热、发作振荡和噪声并使绝缘老化,使用寿命缩短,乃至发作故障或焚毁。
(2)可导致电力体系部分并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,形成电容器等设备焚毁。
(3)使丈量仪器发作附加谐波差错。惯例的丈量仪器是设计并作业在正弦电压、电流波形的,因而在丈量正弦电压和电流时能确保其精度,但是这些外表用于丈量非正弦量时,会发作附加差错,影响丈量精度。
(4)谐波还会导致继电维护和电动设备误动作,使电能计量呈现紊乱。
现代逆变电源体系对功率因数校对和电流谐波按捺提出了更高的需求。为了减小AC-DC沟通电路输入端谐波发作的噪声和对电网发作的谐波污染,以确保电网供电质量,进步电网的牢靠性;一起也为了进步输入功率因数,以到达节能的作用,不少国家和世界学术安排都制定了约束电力体系谐波和用电设备谐波的规范和规则,如世界电气电子工程师协会(IEEE)、世界电工委员会(IEC)和世界大电网会议(CIGRE)都推出了各自主张的谐波规范,其间最有影响力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2,我国也先后于1984年和1993年别离制定了约束谐波的规则和国家规范。
因而在现代逆变电源体系中,功率因数校对电路是一个不可或缺的重要构成部分。功率因数校对能够分为无源功率因数校对技能(Passive PFC)和有源功率因数校对技能(Active PFC)。无源功率因数校对技能是选用无源器材,如电感和电容构成得谐振滤波器来完结PFC功用;有源功率因数校对技能则选用了有源器材,如开关管和操控电路来完结PFC功用。现代逆变电源体系使用的多为有源功率因数校对技能,能够将输入电流校对成与输入电压同相的正弦波,将功率因数进步至挨近1。
3  带有PFC功用的逆变器构成计划
具有功率因数校对功用的逆变器构成计划通常有三种:三级构成计划Ⅰ、三级构成计划Ⅱ和两级构成计划。
1. 三级构成计划Ⅰ。其构造如图3所示。榜首级是50Hz工频变压器,用来完结电气阻隔功用,然后确保电源设备的安全性,免受来自高压馈电线的风险。第二级是功率因数校对电路,用来逼迫线电流跟从线电压,使线电流正弦化,进步功率因数,削减谐波含量,其输出是400V摆布的高压直流。第三级是DC-AC模块,用来完结逆变功用,即经过操控逆变电路的作业频率和输出时刻份额,使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值依照大家的志愿或设备作业的需求来灵活地改变。
图3三级构成计划Ⅰ主电路框图
这是一种较早选用的计划,技能也对比老练,其首要长处是电路构造简略,完结较为简单。首要缺陷是电能经过三级改换,下降了逆变器的牢靠性和功率;工频阻隔变压器体积巨大、粗笨、消耗材料多;PFC级的输出,即DC-AC的输入为400V摆布的高压直流电,这就对许多需求逆变级具有低压输入的使用场合发作了约束。比方铁路用逆变器和航空用逆变器等多个重要的逆变器使用领域都需求110V的正弦沟通电输出,若选用这种构成计划,则不只牢靠性难以得到确保,并且逆变器的功率会进一步下降,通常不会超越80%。
2. 三级构成计划Ⅱ。其构造如图4所示。榜首级是PFC级,其构造功用与三级构成计划Ⅰ中的PFC电路一样。第二级是DC-DC级,用来调理PFC输出电压和完结电气阻隔。第三级是DC-AC模块,其构造功用与三级构成计划Ⅰ中的DC-AC电路一样。这是当前使用较多的一种计划,是中大功率使用的最好挑选。
图4 三级构成计划Ⅱ主电路框图
这种计划的首要长处是去掉了粗笨巨大的工频变压器;每一级均有各自的操控环节,使得该电路具有良好的功用;DC-AC的输入电压可根据逆变输出的不一样需求进行调整,适用于各种功率场合,功率较三级构成计划Ⅰ有所进步。缺陷是各级都需求一套独立的操控电路,增加了器材数目和操控电路的复杂性;因为电能同样经过三级改换,使得逆变器的牢靠性和功率依然不能令人满意。
3.两级构成计划。 针对以上两种计划的缺乏,大家提出了一种两级构成计划。该计划将三级构成计划Ⅱ中的前两级合并为一级,使PFC和DC-DC级共用开关管和操控电路(如图5所示),并经过高频变压器得到可调PFC输出直流电压,完结电气阻隔,如图5所示。这种计划坚持了三级构成计划Ⅱ中的长处,并且改进了三级构成计划Ⅱ的缺乏之处。总归,牢靠性高、功率高、本钱低是这种逆变器构成计划最明显的长处。
图6 两级逆变器构成计划主电路框图
4 定论
将这三种逆变器的构成计划进行对比后不难发现,它们的逆变部分构造和功用完全一样,区别仅在于整流环节,即经过不一样办法发作经阻隔和功率因数校对后的(可调)直流电压,来作为逆变级的输入。因为单级PFC电路将PFC级和DC-DC级联系在一起,能量只被处置一次,用一个操控器就能完结输入PFC和输出电压调理功用,因而十分适用于逆变电源的前级整流环节。 
 

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