現代逆變電源中有源功率因數校正技術的應用
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，現代逆變器體系對功率因數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校對在現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功用的逆變器構成計劃，剖析結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 現代逆變電源體系的構成和構造
跟著各行各業操控技能的開展和對操作功用需求的進步，許多職業的用電設備都不是直接使用通用溝通電網供應的溝通電作為電動力，而是經過各種辦法對其進行改換，然后得到各自所需的電能辦法。現代逆變體系即是一種經過整流和逆變組合電路，來完結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。現代逆變體系根本構造如圖1所示。
圖1 逆變體系根本構造框圖
現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器材，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關斷開關器材等，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調整功用。
2. 逆變電路：逆變電路的功用是將直流電改換成溝通電，即經過操控逆變電路的作業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備作業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作和調理一系列的操控脈沖來操控逆變開關管的導通和關斷，然后合作逆變器主電路完結逆變功用。
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需求的直流電壓。關于溝通電網輸入，能夠選用工頻降壓、整流、線性穩壓等辦法，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及諧波攪擾疑問剖析
關于逆變器的整流環節（AC-DC），傳統的辦法仍選用不控整流將通用溝通電網供應的溝通電經整流改換為直流。盡管不控整流器電路簡略牢靠，但它會從電網中吸取高峰值電流，使輸入端電流和溝通電壓均發作畸變。也即是說，很多的電器設備本身的穩壓電源，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，因而在電網輸入端發作失真很大的諧波峰值攪擾，如圖1.2所示。
圖2 傳統整流電路輸入端電網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，發現它不只富含基波，還富含豐厚的高次諧波重量。這些高次諧波倒流入電網，導致嚴峻的諧波污染，使輸入端功率因數下降，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、傳輸和利用的功率下降，使得電器設備過熱、發作振蕩和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，乃至發作故障或焚毀。
（2）可導致電力體系部分并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，形成電容器等設備焚毀。
（3）使丈量儀器發作附加諧波差錯。慣例的丈量儀器是設計并作業在正弦電壓、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備誤動作，使電能計量呈現紊亂。
現代逆變電源體系對功率因數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作的噪聲和對電網發作的諧波污染，以確保電網供電質量，進步電網的牢靠性；一起也為了進步輸入功率因數，以到達節能的作用，不少國家和世界學術安排都制定了約束電力體系諧波和用電設備諧波的規范和規則，如世界電氣電子工程師協會（IEEE）、世界電工委員會（IEC）和世界大電網會議（CIGRE）都推出了各自主張的諧波規范，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則和國家規范。
因而在現代逆變電源體系中，功率因數校對電路是一個不可或缺的重要構成部分。功率因數校對能夠分為無源功率因數校對技能（Passive PFC）和有源功率因數校對技能（Active PFC）。無源功率因數校對技能是選用無源器材，如電感和電容構成得諧振濾波器來完結PFC功用；有源功率因數校對技能則選用了有源器材，如開關管和操控電路來完結PFC功用。現代逆變電源體系使用的多為有源功率因數校對技能，能夠將輸入電流校對成與輸入電壓同相的正弦波，將功率因數進步至挨近1。
3 帶有PFC功用的逆變器構成計劃
具有功率因數校對功用的逆變器構成計劃通常有三種：三級構成計劃Ⅰ、三級構成計劃Ⅱ和兩級構成計劃。
1. 三級構成計劃Ⅰ。其構造如圖3所示。榜首級是50Hz工頻變壓器，用來完結電氣阻隔功用，然后確保電源設備的安全性，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，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，用來完結逆變功用，即經過操控逆變電路的作業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備作業的需求來靈活地改變。
圖3三級構成計劃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造簡略，完結較為簡單。首要缺陷是電能經過三級改換，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域都需求110V的正弦溝通電輸出，若選用這種構成計劃，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. 三級構成計劃Ⅱ。其構造如圖4所示。榜首級是PFC級，其構造功用與三級構成計劃Ⅰ中的PFC電路一樣。第二級是DC-DC級，用來調理PFC輸出電壓和完結電氣阻隔。第三級是DC-AC模塊，其構造功用與三級構成計劃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節，使得該電路具有良好的功用；DC-AC的輸入電壓可根據逆變輸出的不一樣需求進行調整，適用于各種功率場合，功率較三級構成計劃Ⅰ有所進步。缺陷是各級都需求一套獨立的操控電路，增加了器材數目和操控電路的復雜性；因為電能同樣經過三級改換，使得逆變器的牢靠性和功率依然不能令人滿意。
3.兩級構成計劃。 針對以上兩種計劃的缺乏，大家提出了一種兩級構成計劃。該計劃將三級構成計劃Ⅱ中的前兩級合并為一級，使PFC和DC-DC級共用開關管和操控電路（如圖5所示），并經過高頻變壓器得到可調PFC輸出直流電壓，完結電氣阻隔,如圖5所示。這種計劃堅持了三級構成計劃Ⅱ中的長處，并且改進了三級構成計劃Ⅱ的缺乏之處。總歸，牢靠性高、功率高、本錢低是這種逆變器構成計劃最明顯的長處。
圖6 兩級逆變器構成計劃主電路框圖
4 定論
將這三種逆變器的構成計劃進行對比后不難發現，它們的逆變部分構造和功用完全一樣，區別僅在于整流環節，即經過不一樣辦法發作經阻隔和功率因數校對后的（可調）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級聯系在一起，能量只被處置一次，用一個操控器就能完結輸入PFC和輸出電壓調理功用，因而十分適用于逆變電源的前級整流環節。
1 現代逆變電源體系的構成和構造
跟著各行各業操控技能的開展和對操作功用需求的進步，許多職業的用電設備都不是直接使用通用溝通電網供應的溝通電作為電動力，而是經過各種辦法對其進行改換，然后得到各自所需的電能辦法。現代逆變體系即是一種經過整流和逆變組合電路，來完結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。現代逆變體系根本構造如圖1所示。
圖1 逆變體系根本構造框圖
現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器材，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關斷開關器材等，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調整功用。
2. 逆變電路：逆變電路的功用是將直流電改換成溝通電，即經過操控逆變電路的作業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備作業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作和調理一系列的操控脈沖來操控逆變開關管的導通和關斷，然后合作逆變器主電路完結逆變功用。
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需求的直流電壓。關于溝通電網輸入，能夠選用工頻降壓、整流、線性穩壓等辦法，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及諧波攪擾疑問剖析
關于逆變器的整流環節（AC-DC），傳統的辦法仍選用不控整流將通用溝通電網供應的溝通電經整流改換為直流。盡管不控整流器電路簡略牢靠，但它會從電網中吸取高峰值電流，使輸入端電流和溝通電壓均發作畸變。也即是說，很多的電器設備本身的穩壓電源，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，因而在電網輸入端發作失真很大的諧波峰值攪擾，如圖1.2所示。
圖2 傳統整流電路輸入端電網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，發現它不只富含基波，還富含豐厚的高次諧波重量。這些高次諧波倒流入電網，導致嚴峻的諧波污染，使輸入端功率因數下降，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、傳輸和利用的功率下降，使得電器設備過熱、發作振蕩和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，乃至發作故障或焚毀。
（2）可導致電力體系部分并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，形成電容器等設備焚毀。
（3）使丈量儀器發作附加諧波差錯。慣例的丈量儀器是設計并作業在正弦電壓、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備誤動作，使電能計量呈現紊亂。
現代逆變電源體系對功率因數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作的噪聲和對電網發作的諧波污染，以確保電網供電質量，進步電網的牢靠性；一起也為了進步輸入功率因數，以到達節能的作用，不少國家和世界學術安排都制定了約束電力體系諧波和用電設備諧波的規范和規則，如世界電氣電子工程師協會（IEEE）、世界電工委員會（IEC）和世界大電網會議（CIGRE）都推出了各自主張的諧波規范，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則和國家規范。
因而在現代逆變電源體系中，功率因數校對電路是一個不可或缺的重要構成部分。功率因數校對能夠分為無源功率因數校對技能（Passive PFC）和有源功率因數校對技能（Active PFC）。無源功率因數校對技能是選用無源器材，如電感和電容構成得諧振濾波器來完結PFC功用；有源功率因數校對技能則選用了有源器材，如開關管和操控電路來完結PFC功用。現代逆變電源體系使用的多為有源功率因數校對技能，能夠將輸入電流校對成與輸入電壓同相的正弦波，將功率因數進步至挨近1。
3 帶有PFC功用的逆變器構成計劃
具有功率因數校對功用的逆變器構成計劃通常有三種：三級構成計劃Ⅰ、三級構成計劃Ⅱ和兩級構成計劃。
1. 三級構成計劃Ⅰ。其構造如圖3所示。榜首級是50Hz工頻變壓器，用來完結電氣阻隔功用，然后確保電源設備的安全性，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，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，用來完結逆變功用，即經過操控逆變電路的作業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備作業的需求來靈活地改變。
圖3三級構成計劃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造簡略，完結較為簡單。首要缺陷是電能經過三級改換，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域都需求110V的正弦溝通電輸出，若選用這種構成計劃，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. 三級構成計劃Ⅱ。其構造如圖4所示。榜首級是PFC級，其構造功用與三級構成計劃Ⅰ中的PFC電路一樣。第二級是DC-DC級，用來調理PFC輸出電壓和完結電氣阻隔。第三級是DC-AC模塊，其構造功用與三級構成計劃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節，使得該電路具有良好的功用；DC-AC的輸入電壓可根據逆變輸出的不一樣需求進行調整，適用于各種功率場合，功率較三級構成計劃Ⅰ有所進步。缺陷是各級都需求一套獨立的操控電路，增加了器材數目和操控電路的復雜性；因為電能同樣經過三級改換，使得逆變器的牢靠性和功率依然不能令人滿意。
3.兩級構成計劃。 針對以上兩種計劃的缺乏，大家提出了一種兩級構成計劃。該計劃將三級構成計劃Ⅱ中的前兩級合并為一級，使PFC和DC-DC級共用開關管和操控電路（如圖5所示），并經過高頻變壓器得到可調PFC輸出直流電壓，完結電氣阻隔,如圖5所示。這種計劃堅持了三級構成計劃Ⅱ中的長處，并且改進了三級構成計劃Ⅱ的缺乏之處。總歸，牢靠性高、功率高、本錢低是這種逆變器構成計劃最明顯的長處。
圖6 兩級逆變器構成計劃主電路框圖
4 定論
將這三種逆變器的構成計劃進行對比后不難發現，它們的逆變部分構造和功用完全一樣，區別僅在于整流環節，即經過不一樣辦法發作經阻隔和功率因數校對后的（可調）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級聯系在一起，能量只被處置一次，用一個操控器就能完結輸入PFC和輸出電壓調理功用，因而十分適用于逆變電源的前級整流環節。
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