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            現(xiàn)代逆變電源中有源功率因數(shù)校正技術(shù)的應(yīng)用

            因?yàn)閷?duì)功用需求的不斷進(jìn)步,特別是當(dāng)前“綠色”電源的呼聲越來越高,現(xiàn)代逆變器體系對(duì)功率因數(shù)校對(duì)和電流諧波按捺提出的更高的需求。這篇文章對(duì)功率因數(shù)校對(duì)在現(xiàn)代逆變電源中的使用作了扼要介紹。剖析對(duì)比了幾種帶有PFC功用的逆變器構(gòu)成計(jì)劃,剖析結(jié)果表明帶單級(jí)阻隔型PFC電路的兩級(jí)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(duì)操作功用需求的進(jìn)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(yīng)的溝通電作為電動(dòng)力,而是經(jīng)過各種辦法對(duì)其進(jìn)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(hù)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(dǎo)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(yīng)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(shí)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(dǎo)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(dāng)然也能夠選用DC-DC改換器。
            5. 維護(hù)電路:維護(hù)電路要完結(jié)的功用首要包含:輸入過壓、欠壓維護(hù);輸出過壓、欠壓維護(hù);過載維護(hù);過流和短路維護(hù);過熱維護(hù)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(yīng)的溝通電經(jīng)整流改換為直流。盡管不控整流器電路簡(jiǎn)略牢靠,但它會(huì)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(jí)電路實(shí)際上是一個(gè)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(dǎo)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(yīng)嚴(yán)峻畸變的非正弦電流,對(duì)此畸變的輸入電流進(jìn)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(dǎo)致嚴(yán)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(fèi)和嚴(yán)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(dǎo)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?jī)x器發(fā)作附加諧波差錯(cuò)。慣例的丈量?jī)x器是設(shè)計(jì)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(shí)能確保其精度,但是這些外表用于丈量非正弦量時(shí),會(huì)發(fā)作附加差錯(cuò),影響丈量精度。
            (4)諧波還會(huì)導(dǎo)致繼電維護(hù)和電動(dòng)設(shè)備誤動(dòng)作,使電能計(jì)量呈現(xiàn)紊亂。
            現(xiàn)代逆變電源體系對(duì)功率因數(shù)校對(duì)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(duì)電網(wǎng)發(fā)作的諧波污染,以確保電網(wǎng)供電質(zhì)量,進(jìn)步電網(wǎng)的牢靠性;一起也為了進(jìn)步輸入功率因數(shù),以到達(dá)節(jié)能的作用,不少國(guó)家和世界學(xué)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(huì)(IEEE)、世界電工委員會(huì)(IEC)和世界大電網(wǎng)會(huì)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(guó)也先后于1984年和1993年別離制定了約束諧波的規(guī)則和國(guó)家規(guī)范。
            因而在現(xiàn)代逆變電源體系中,功率因數(shù)校對(duì)電路是一個(gè)不可或缺的重要構(gòu)成部分。功率因數(shù)校對(duì)能夠分為無源功率因數(shù)校對(duì)技能(Passive PFC)和有源功率因數(shù)校對(duì)技能(Active PFC)。無源功率因數(shù)校對(duì)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(duì)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,F(xiàn)代逆變電源體系使用的多為有源功率因數(shù)校對(duì)技能,能夠?qū)⑤斎腚娏餍?duì)成與輸入電壓同相的正弦波,將功率因數(shù)進(jìn)步至挨近1。
            3  帶有PFC功用的逆變器構(gòu)成計(jì)劃
            具有功率因數(shù)校對(duì)功用的逆變器構(gòu)成計(jì)劃通常有三種:三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅰ、三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅱ和兩級(jí)構(gòu)成計(jì)劃。
            1. 三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅰ。其構(gòu)造如圖3所示。榜首級(jí)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(fēng)險(xiǎn)。第二級(jí)是功率因數(shù)校對(duì)電路,用來逼迫線電流跟從線電壓,使線電流正弦化,進(jìn)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(jí)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(shí)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(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅰ主電路框圖
            這是一種較早選用的計(jì)劃,技能也對(duì)比老練,其首要長(zhǎng)處是電路構(gòu)造簡(jiǎn)略,完結(jié)較為簡(jiǎn)單。首要缺陷是電能經(jīng)過三級(jí)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(jí)的輸出,即DC-AC的輸入為400V擺布的高壓直流電,這就對(duì)許多需求逆變級(jí)具有低壓輸入的使用場(chǎng)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(gè)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(jì)劃,則不只牢靠性難以得到確保,并且逆變器的功率會(huì)進(jìn)一步下降,通常不會(huì)超越80%。
            2. 三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅱ。其構(gòu)造如圖4所示。榜首級(jí)是PFC級(jí),其構(gòu)造功用與三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅰ中的PFC電路一樣。第二級(jí)是DC-DC級(jí),用來調(diào)理PFC輸出電壓和完結(jié)電氣阻隔。第三級(jí)是DC-AC模塊,其構(gòu)造功用與三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅰ中的DC-AC電路一樣。這是當(dāng)前使用較多的一種計(jì)劃,是中大功率使用的最好挑選。
            圖4 三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅱ主電路框圖
            這種計(jì)劃的首要長(zhǎng)處是去掉了粗笨巨大的工頻變壓器;每一級(jí)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(jìn)行調(diào)整,適用于各種功率場(chǎng)合,功率較三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅰ有所進(jìn)步。缺陷是各級(jí)都需求一套獨(dú)立的操控電路,增加了器材數(shù)目和操控電路的復(fù)雜性;因?yàn)殡娔芡瑯咏?jīng)過三級(jí)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(jí)構(gòu)成計(jì)劃。 針對(duì)以上兩種計(jì)劃的缺乏,大家提出了一種兩級(jí)構(gòu)成計(jì)劃。該計(jì)劃將三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅱ中的前兩級(jí)合并為一級(jí),使PFC和DC-DC級(jí)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(jì)劃堅(jiān)持了三級(jí)構(gòu)成計(jì)劃Ⅱ中的長(zhǎng)處,并且改進(jìn)了三級(jí)構(gòu)成計(jì)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(jì)劃最明顯的長(zhǎng)處。
            圖6 兩級(jí)逆變器構(gòu)成計(jì)劃主電路框圖
            4 定論
            將這三種逆變器的構(gòu)成計(jì)劃進(jìn)行對(duì)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(duì)后的(可調(diào))直流電壓,來作為逆變級(jí)的輸入。因?yàn)閱渭?jí)PFC電路將PFC級(jí)和DC-DC級(jí)聯(lián)系在一起,能量只被處置一次,用一個(gè)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(jí)整流環(huán)節(jié)。 
             

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