現代逆變電源中有源功率因數校正技術的應用

摘要：本文對現代逆變器系統的結構功能及其對功率因數校正和電流諧波抑制提出的要求作了簡要介紹。分析比較了幾種帶有PFC功能的逆變器構成方案，指出了各個方案的優缺點。
關鍵詞：有源功率因數校正；逆變電源
The Application of APFC on Modern Inverter Power Supplies
Wang Shao-kun Hou Zhen-yi
(The Telecommunication Engineering Institue,AFEU.,Xi’an Shannxi 710077 China)
Abstract: The paper introduces the structure and functions of modern inverter system and its demands on power factor correction (PFC) and current harmonic restraint briefly, analyses and compares several composing schemes of the inverter.
Key Words: Active Power Factor Correction; Inverter Power Supplies
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
隨著各行各業控制技術的發展和對操作性能要求的提高，許多行業的用電設備都不是直接使用通用交流電網提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。現代逆變系統就是一種通過整流和逆變組合電路，來實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。現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關器件，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關斷開關器件等，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，即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時間比例，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靈活地變化。
3. 控制電路：控制電路的功能是按要求產生和調節一系列的控制脈沖來控制逆變開關管的導通和關斷，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。對于交流電網輸入，可以采用工頻降壓、整流、線性穩壓等方式，當然也可以采用DC-DC變換器。
5. 保護電路：保護電路要實現的功能主要包括：輸入過壓、欠壓保護；輸出過壓、欠壓保護；過載保護；過流和短路保護；過熱保護等。
2 逆變電源系統功率因數及諧波干擾問題分析
對于逆變器的整流環節（AC-DC），傳統的方法仍采用不控整流將通用交流電網提供的交流電經整流變換為直流。雖然不控整流器電路簡單可靠，但它會從電網中吸取高峰值電流，使輸入端電流和交流電壓均發生畸變。也就是說，大量的電器設備自身的穩壓電源，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，因而在電網輸入端產生失真很大的諧波峰值干擾，如圖1.2所示。


(a) 電網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電壓和電流失真與諧波干擾分量圖

由此可見，大量整流電路的應用使電網供給嚴重畸變的非正弦電流，對此畸變的輸入電流進行傅立葉分析，發現它不僅含有基波，還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波倒流入電網，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、傳輸和利用的效率降低，使得電器設備過熱、產生振動和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。
（2）可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。
（3）使測量儀器產生附加諧波誤差。常規的測量儀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能保證其精度，但是這些儀表用于測量非正弦量時，會產生附加誤差，影響測量精度。
（4）諧波還會引起繼電保護和電動裝置誤動作，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生的噪聲和對電網產生的諧波污染，以保證電網供電質量，提高電網的可靠性；同時也為了提高輸入功率因數，以達到節能的效果，不少國家和國際學術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會（IEEE）、國際電工委員會（IEC）和國際大電網會議（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不可或缺的重要組成部分。功率因數校正可以分為無源功率因數校正技術（Passive PFC）和有源功率因數校正技術（Active PFC）。無源功率因數校正技術是采用無源器件，如電感和電容組成得諧振濾波器來實現PFC功能；有源功率因數校正技術則采用了有源器件，如開關管和控制電路來實現PFC功能。現代逆變電源系統應用的多為有源功率因數校正技術，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，用來實現電氣隔離功能，從而保證電源設備的安全性，免受來自高壓饋電線的危險。第二級是功率因數校正電路，用來強迫線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，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，用來實現逆變功能，即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時間比例，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靈活地變化。



圖3三級構成方案Ⅰ主電路框圖