現(xiàn)代逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及其對(duì)功率因數(shù)校正

0 引言
由于對(duì)性能要求的不斷提高，特別是當(dāng)前“綠色”電源的呼聲越來(lái)越高，現(xiàn)代逆變器系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)校正和電流諧波抑制提出的更高的要求。本文對(duì)功率因數(shù)校正在現(xiàn)代逆變電源中的應(yīng)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(gòu)成方案，分析結(jié)果表明帶單級(jí)隔離型PFC電路的兩級(jí)逆變器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。
1 現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)
隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)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(duì)其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式?，F(xiàn)代逆變系統(tǒng)就是一種通過(guò)整流和逆變組合電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變功能的電源系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)除了整流電路和逆變電路外，還要有控制電路、保護(hù)電路和輔助電路等?，F(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。



圖1 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖
現(xiàn)代逆變系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)具有抑制電流諧波和功率因數(shù)調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)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(duì)于交流電網(wǎng)輸入，可以采用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓等方式，當(dāng)然也可以采用DC-DC變換器。
5. 保護(hù)電路：保護(hù)電路要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)；輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)；過(guò)載保護(hù)；過(guò)流和短路保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)等。
2 逆變電源系統(tǒng)功率因數(shù)及諧波干擾問(wèn)題分析
對(duì)于逆變器的整流環(huán)節(jié)（AC-DC），傳統(tǒng)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(shè)備自身的穩(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(tǒng)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(yīng)用使電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電流，對(duì)此畸變的輸入電流進(jìn)行傅立葉分析，發(fā)現(xiàn)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(yán)重的諧波污染，使輸入端功率因數(shù)下降，將造成巨大的浪費(fèi)和嚴(yán)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(shè)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(tǒng)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(shè)備燒毀。
（3）使測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生附加諧波誤差。常規(guī)的測(cè)量?jī)x器是設(shè)計(jì)并工作在正弦電壓、電流波形的，因此在測(cè)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(cè)量非正弦量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加誤差，影響測(cè)量精度。
（4）諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和電動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。
現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)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(duì)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(shù)，以達(dá)到節(jié)能的效果，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，如國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）都推出了各自建議的諧波標(biāo)準(zhǔn)，其中最有影響力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2，我國(guó)也先后于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規(guī)定和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
因此在現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)中，功率因數(shù)校正電路是一個(gè)不可或缺的重要組成部分。功率因數(shù)校正可以分為無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校正技術(shù)（Active PFC）。無(wú)源功率因數(shù)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(xiàn)PFC功能；有源功率因數(shù)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(xiàn)PFC功能?，F(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)應(yīng)用的多為有源功率因數(shù)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(shù)提高至接近1。
3 帶有PFC功能的逆變器構(gòu)成方案
具有功率因數(shù)校正功能的逆變器構(gòu)成方案通常有三種：三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ、三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ和兩級(jí)構(gòu)成方案。
1. 三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一級(jí)是50Hz工頻變壓器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能，從而保證電源設(shè)備的安全性，免受來(lái)自高壓饋電線的危險(xiǎn)。第二級(jí)是功率因數(shù)校正電路，用來(lái)強(qiáng)迫線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，提高功率因數(shù)，減少諧波含量，其輸出是400V左右的高壓直流。第三級(jí)是DC-AC模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shè)備工作的要求來(lái)靈活地變化。



圖3三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ主電路框圖