現代逆變器系統的結構功能及其對功率因數校正

0 引言
由于對性能要求的不斷提高，特別是當前“綠色”電源的呼聲越來(lái)越高，現代逆變器系統對功率因數校正和電流諧波抑制提出的更高的要求。本文對功率因數校正在現代逆變電源中的應用作了簡(jiǎn)要介紹。分析比較了幾種帶有PFC功能的逆變器構成方案，分析結果表明帶單級隔離型PFC電路的兩級逆變器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。
1 現代逆變電源系統的組成和結構
隨著(zhù)各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過(guò)各種形式對其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式?，F代逆變系統就是一種通過(guò)整流和逆變組合電路，來(lái)實(shí)現逆變功能的電源系統。逆變系統除了整流電路和逆變電路外，還要有控制電路、保護電路和輔助電路等?，F代逆變系統基本結構如圖1所示。



圖1 逆變系統基本結構框圖
現代逆變系統各部分功能如下：
1. 整流電路：整流電路就是利用整流開(kāi)關(guān)器件，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件等，將交流電變換為直流電。除此之外，整流電路還應具有抑制電流諧波和功率因數調整功能。
2. 逆變電路：逆變電路的功能是將直流電變換成交流電，即通過(guò)控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間比例，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設備工作的要求來(lái)靈活地變化。
3. 控制電路：控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調節一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導通和關(guān)斷，從而配合逆變器主電路完成逆變功能。
4. 輔助電路：輔助電路的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作需要的直流電壓。對于交流電網(wǎng)輸入，可以采用工頻降壓、整流、線(xiàn)性穩壓等方式，當然也可以采用DC-DC變換器。
5. 保護電路：保護電路要實(shí)現的功能主要包括：輸入過(guò)壓、欠壓保護；輸出過(guò)壓、欠壓保護；過(guò)載保護；過(guò)流和短路保護；過(guò)熱保護等。
2 逆變電源系統功率因數及諧波干擾問(wèn)題分析
對于逆變器的整流環(huán)節（AC-DC），傳統的方法仍采用不控整流將通用交流電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)整流變換為直流。雖然不控整流器電路簡(jiǎn)單可靠，但它會(huì )從電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使輸入端電流和交流電壓均發(fā)生畸變。也就是說(shuō)，大量的電器設備自身的穩壓電源，其輸入前置級電路實(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)輸入端產(chǎn)生失真很大的諧波峰值干擾，如圖1.2所示。


(a) 電網(wǎng)輸入端電流和電壓的畸變 (b)峰值電流中的各次諧波分量頻譜
圖2 傳統整流電路輸入端電網(wǎng)電壓和電流失真與諧波干擾分量圖

由此可見(jiàn)，大量整流電路的應用使電網(wǎng)供給嚴重畸變的非正弦電流，對此畸變的輸入電流進(jìn)行傅立葉分析，發(fā)現它不僅含有基波，還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波倒流入電網(wǎng)，引起嚴重的諧波污染，使輸入端功率因數下降，將造成巨大的浪費和嚴重危害。輸入電流諧波的危害主要有：
（1）使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使得電器設備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。
（2）可引起電力系統局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。
（3）使測量?jì)x器產(chǎn)生附加諧波誤差。常規的測量?jì)x器是設計并工作在正弦電壓、電流波形的，因此在測量正弦電壓和電流時(shí)能保證其精度，但是這些儀表用于測量非正弦量時(shí)，會(huì )產(chǎn)生附加誤差，影響測量精度。
（4）諧波還會(huì )引起繼電保護和電動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計量出現混亂。
現代逆變電源系統對功率因數校正和電流諧波抑制提出了更高的要求。為了減小AC-DC交流電路輸入端諧波產(chǎn)生的噪聲和對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染，以保證電網(wǎng)供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的可靠性；同時(shí)也為了提高輸入功率因數，以達到節能的效果，不少?lài)液蛧H學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定，如國際電氣電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）、國際電工委員會(huì )（IEC）和國際大電網(wǎng)會(huì )議（CIGRE）都推出了各自建議的諧波標準，其中最有影響力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2，我國也先后于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規定和國家標準。
因此在現代逆變電源系統中，功率因數校正電路是一個(gè)不可或缺的重要組成部分。功率因數校正可以分為無(wú)源功率因數校正技術(shù)（Passive PFC）和有源功率因數校正技術(shù)（Active PFC）。無(wú)源功率因數校正技術(shù)是采用無(wú)源器件，如電感和電容組成得諧振濾波器來(lái)實(shí)現PFC功能；有源功率因數校正技術(shù)則采用了有源器件，如開(kāi)關(guān)管和控制電路來(lái)實(shí)現PFC功能?，F代逆變電源系統應用的多為有源功率因數校正技術(shù)，可以將輸入電流校正成與輸入電壓同相的正弦波，將功率因數提高至接近1。
3 帶有PFC功能的逆變器構成方案
具有功率因數校正功能的逆變器構成方案通常有三種：三級構成方案Ⅰ、三級構成方案Ⅱ和兩級構成方案。
1. 三級構成方案Ⅰ。其結構如圖3所示。第一級是50Hz工頻變壓器，用來(lái)實(shí)現電氣隔離功能，從而保證電源設備的安全性，免受來(lái)自高壓饋電線(xiàn)的危險。第二級是功率因數校正電路，用來(lái)強迫線(xiàn)電流跟隨線(xiàn)電壓，使線(xiàn)電流正弦化，提高功率因數，減少諧波含量，其輸出是400V左右的高壓直流。第三級是DC-AC模塊，用來(lái)實(shí)現逆變功能，即通過(guò)控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間比例，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設備工作的要求來(lái)靈活地變化。



圖3三級構成方案Ⅰ主電路框圖