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3种高效可靠的低成本PFC正弦波逆变器方案构成

跟着各行各业操控技能的开展和对操作功用要求的进步,许多职业的用电设备都不是直接运用通用沟通电网供应的沟通电作为电能源,而是通过各种办法对其进行改换,然后得到各自所需的电能办法。现代逆变体系就是一种通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。现代逆变体系根本结构如图1所示。
现代逆变体系各部分功用如下:
1. 整流电路:整流电路就是使用整流开关器材,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。
3种高效可靠的低成本PFC正弦波逆变器方案构成

2. 逆变电路:逆变电路的功用是将直流电改换成沟通电,即通过操控逆变电路的作业频率和输出时刻份额,使正弦波逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的志愿或设备作业的要求来灵敏地改变。

3. 操控电路:操控电路的功用是按要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,然后合作正弦波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正弦波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问题剖析
3种高效可靠的低成本PFC正弦波逆变器方案构成

关于正弦波逆变器的整流环节(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。虽然不控整流器电路简略牢靠,但它会从电网中汲取高峰值电流,使输入端电流和沟通电压均发作畸变。也就是说,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2所示。
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,发现它不只含有基波,还含有丰厚的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网,引起严峻的谐波污染,使输入端功率因数下降,将形成巨大的浪费和严峻危害。输入电流谐波的危害首要有:

(1)使电能的出产、传输和使用的功率下降,使得电器设备过热、发作振荡和噪声并使绝缘老化,运用寿命缩短,乃至发作毛病或焚毁。
(2)可引起电力体系局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量扩大,形成电容器等设备焚毁。
(3)使丈量仪器发作附加谐波差错。惯例的丈量仪器是规划并作业在正弦电压、电流波形的,因而在丈量正弦电压和电流时能确保其精度,可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)谐波还会引起继电维护和电动设备误动作,使电能计量呈现混乱。

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要求。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,以达到节能的作用,不少国家和世界学术安排都拟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年分别拟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组成部分。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,如电感和电容组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功用的正弦波逆变器构成计划

具有功率因数校对功用的正弦波逆变器构成计划一般有三种: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。

其结构如图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,用来逼迫线电流跟随线电压,使线电流正弦化,进步功率因数,减少谐波含量,其输出是400V左右的高压直流。第三级是DC-AC模块,用来完结逆变功用,即通过操控逆变电路的作业频率和输出时刻份额,使正弦波逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的志愿或设备作业的要求来灵敏地改变。

这是一种较早选用的计划,技能也比较老练,其首要长处是电路结构简略,完结较为简单。首要缺陷是电能通过三级改换,下降了正弦波逆变器的牢靠性和功率;工频阻隔变压器体积巨大、粗笨、消耗资料多;PFC级的输出,即DC-AC的输入为400V左右的高压直流电,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。比方铁路用正弦波逆变器和航空用正弦波逆变器等多个重要的正弦波逆变器使用范畴都需求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,并且正弦波逆变器的功率会进一步下降,一般不会超越80%。

2. 三级构成计划Ⅱ。

其结构如图4所示。榜首级是PFC级,其结构功用与三级构成计划Ⅰ中的PFC电路相同。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,其结构功用与三级构成计划Ⅰ中的DC-AC电路相同。这是现在使用较多的一种计划,是中大功率使用的最佳挑选。

3.两级构成计划。

针对以上两种计划的不足,人们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),并通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的不足之处。总之,牢靠性高、功率高、成本低是这种正弦波逆变器构成计划最明显的长处。

4 定论
将这三种正弦波逆变器的构成计划进行比较后不难发现,它们的逆变部分结构和功用完全相同,差异仅在于整流环节,即通过不同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级结合在一起,能量只被处理一次,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。选用单级PFC电路的正弦波逆变器具有更高的牢靠性,更高的功率和更低的成本。所以,带单级PFC电路的两级逆变技能成为电力电子范畴研讨的一个抢手课题。

虽然单级PFC电路具有上述长处,可是与传统的两级式PFC改换器比较,它要接受更高的电压应力,有更多的功率损耗。这些问题在开关频率较高时显得尤为杰出,影响了改换器作业的牢靠性和开关频率的进一步进步,也约束了其在大功率场合的使用。为此,近些年又提出了各种软开关技能,如零电流开关(ZCS)、零电压开关(ZVS)、零电压改换-脉宽调制(ZVT-PWM)、零电流改换-脉宽调制(ZCT-PWM)等,有效地解决了这些问题,使得单级PFC电路在逆变电源体系中具有了更宽广的使用远景。

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,使得该电路具有杰出的功用;DC-AC的输入电压可根据逆变输出的不同要求进行调整,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;因为电能同样通过三级改换,使得正弦波逆变器的牢靠性和功率仍然不能令人满意。

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