課程設計---單位功率因數(shù)低成本交一直一交變頻電路的研究

1、<p>　　電力電子技術 課程設計</p><p>　　題目：單位功率因數(shù)低成本交一直一交變頻電路的研究</p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　學 號：</b><

2、/p><p>　　完成日期：2011年1月10日</p><p><b>　　課程設計成績評定表</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　交-交變頻電路應用不廣，交-直-交電路應用較廣，本設計根據(jù)一般的交-直-交變換電路進行了改進，功率更高。本設計逆變電路比較普通，整流電路

3、用了PFC控制電路提高了功率較低了電流的畸變程度。但由于我的水平有限學習的不夠也有不足之處，如對整流側的驅動不是很清楚只是構思了觸發(fā)脈沖，但沒有涉及到具體電路。</p><p>　　關鍵詞：交交變頻電路、PFC控制電路、觸發(fā)脈沖。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、交-直-交變頻電路··

4、83;·················6</p><p>　　2、交-直-交變頻電路分析·············

5、·····7</p><p>　　3、基于低成本四開關逆變橋與PFC有源功率因數(shù)校正技術的交—直一交變頻改進電路·····················&

6、#183;···················9</p><p>　　4、四開關逆變橋的實現(xiàn)···········

7、·······10</p><p>　　5、升降壓PFC有源功率因數(shù)校正電路的實現(xiàn)·········12</p><p>　　6、結論········&

8、#183;················14</p><p>　　7、心得體會··············

9、3;········15</p><p>　　8、感謝·······················

10、83;·························16</p><p>　　9、參考文獻······

11、·················17</p><p>　　1 交-直-交變頻電路</p><p>　　隨著電力電子技術的快速發(fā)展，變頻器領域內(nèi)的技術競爭日益激烈。如何找到新的更為有效和簡單的主電路拓撲結構，成為近期熱點之

12、一。文獻中提出了一種新穎的低成本交一直一交變頻器主電路結構。如圖1所示，該電路使用一塊標準六開關IPM模塊。其中T3、T5、T6和T2四只開關組合與兩只串聯(lián)電容C1與C2一起構成低成本的四開關逆變電路。余下的T1與T4 兩只開關組合與兩只串聯(lián)電容C1 和C2 一起構成單相倍壓PWM整流電路，該電路可實現(xiàn)輸入正弦電流，功率因數(shù)近似為單位1，且使能量雙向流動。該電路結構緊湊、成本低。在逆變電路的拓撲結構上產(chǎn)生了突破，只用四只功率開關就實現(xiàn)了

13、三相交流電路的逆變。</p><p>　　圖1 低成本交-直-交變頻電路</p><p>　　2 交-直-交變頻電路分析</p><p>　　在C1、C2右面為逆變電路，設在t1時刻前T3和T2導通，輸出電壓為Ud,t1時刻T5和T2柵極信號反向，T2截止，而因負載電感中的電流不能突變，T5不能立刻導通，D5導通續(xù)流。到t2時刻T3和T6的柵極信號反向，T3截止而T

14、6不能立刻導通，D6導通續(xù)流和D5形成續(xù)流通道，輸出電壓為-Ud。到負載電流過零變負并開始反向時，D6和D5截止，T6和T5開始導通，輸出為-Ud。t3時刻，T5和T2柵極信號反向，T5截止，而T2不能立刻導通D2續(xù)流，輸出為0。以后過程和前面類似。</p><p>　　圖2 逆變電路輸出電壓波形圖</p><p>　　在C1和C2左面為整流電路</p><p>　

15、　Vi上正下負時T4柵極電壓為正，D1導通。當Vi過零變負時，Li電感作用使D1持續(xù)導通，Li上能量轉移到C1上。</p><p>　　Vi上負下正時T1柵極電壓為正，D4導通。當Vi過零變正時，Li電感作用使D4持續(xù)導通，</p><p>　　Li上能量轉移到C2上。整個過程為向C1和C2充電過程。</p><p>　　但這種電路在中國使用遇到極大困難，原因是我國

16、單相交流電壓的有效值為22O V，是歐美國家所用110 V電壓的兩倍。考慮到Boost升壓斬波電路校正功率因數(shù)與構造正弦輸入電流的需求，直流母線電壓必須穩(wěn)定在800 V左右，顯然對IPM模塊的耐壓性能提出了過高的要求。</p><p>　　盡管存在這些不盡如意之處，但圖1電路方案的逆變器部分畢竟從標準六開關逆變橋中節(jié)省兩只開關組合。本文試圖充分利用這兩只開關組合，研究適合中國國情的低成本交一直一交變頻電路。<

17、;/p><p>　　3 基于低成本四開關逆變橋與PFC有源功率因數(shù)校正技術的交—直一交變頻改進電路</p><p>　　如圖3所示為技術方案，以C1 與C2 串聯(lián)橋臂為界，電路分為左右兩部分。右邊部分由標準六開關IPM模塊中的T3、T6 、T5 和T2 四只開關組合與兩只串聯(lián)電容C1 與C2 一起構成低成本的逆變橋；而左邊部分是技術比較成熟的單管PFC(Power FactorCorrecti

18、on)有源功率因數(shù)校正電路。這部分電路使用從IPM模塊中余下的開關T4 作為PFC的主控開關，和電抗器L一起進行功率因數(shù)校正和構造正弦波形的輸入電流，T1的反并聯(lián)二極管D1用于將PFC電路和直流母線電路單向隔離。當電機負載出現(xiàn)能量反饋時，可由T1 和R一起構成瀉能電路，當回饋能量引起直流母線上電容電壓泵升時，為防止母線電壓過高威脅IPM模塊安全，這時可打開T1 ，經(jīng)電阻R釋放存儲在電容C中能量，使直流母線電壓降低到安全區(qū)域 。</

19、p><p>　　圖3 交-直-交變頻改進電路</p><p>　　值得注意的是，所有這些改進都沒有增加新的成本，而是在標準六開關IPM逆變模塊上做的，因而對低成本的工業(yè)標準化生產(chǎn)設計十分有利。</p><p>　　4 四開關逆變橋的實現(xiàn)</p><p>　　為實現(xiàn)如圖4所示的低成本四開關逆變電路，設想需要產(chǎn)生兩路相差0電角度相位的雙向SPWM信號

20、，如圖5所示。分別用來控制T3和T 6構成的橋臂與T 5和T 2構成的橋臂，從而形成圓形旋轉磁場，有效地驅動電動機的運行。</p><p><b>　　圖4 四開關逆變橋</b></p><p>　　圖5 設想的驅動信號</p><p>　　實際運行的PWM變頻器輸出的線電壓vab 與vac ，其中線電壓vac 應是兩電平電壓波形，而線電壓va

21、b 應是三電平電壓波形，由于形成了圓形旋轉磁場，輸入電機的三個線電流卻相互呈120~電角度對稱并為正弦波形，如圖6所示。</p><p>　　圖6 輸入電機的線電流呈正弦波形</p><p>　　5 升降壓PFC有源功率因數(shù)校正電路的實現(xiàn)</p><p>　　隨著有源功率因數(shù)校正技術的意義被各界所認識，各種專用的有源功率因數(shù)校正芯片大量涌現(xiàn)，不僅性能優(yōu)良且制作成本低

22、。本文的PFC電路部分采用L6560專用控制芯片構成PFC實際控制電路，其結構如圖7所示。</p><p>　　圖7 PFC控制電路</p><p>　　其基本工作原理是：主回路直流母線輸出電壓Vo和基準電壓vref 比較后，偏差輸入給電壓誤差放大器VA，整流電壓檢測值vrec 和VA的輸出信號電壓信號verr 共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出作為電流反饋控制的基準信號。電流誤差放

23、大器CA的輸出與電感零電流檢測器(ZCD)的輸出作為開關管驅動器的輸入信號，控制開關管的開通與關斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流(電感電流的平均值)與輸入電壓波形基本一致，用于提高功率因數(shù)、降低電流畸變程度。由于電感電流檢測器的引入，開關管只能在電感電流下降為零時開通，Boost電路工作介于CCM和DCM之間的臨界導通模式，其電感電路形成如</p><p>　　圖7所示的沖放電波形。這樣，一方面

24、降低了vd1 。關斷時反向恢復電流對開關管的沖擊作用；另一方面將輸入電流限定為電感電流峰值的1／2，且由圖</p><p>　　可知，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓V0為：V0=( R9/R10+1)× vref?？梢?，調(diào)節(jié)R9 和R10。。兩電阻便可以調(diào)節(jié)輸出電壓vo的大小。圖7中曲線1是電感電流峰值包絡線，曲線2是電感電流平均值包絡線，曲線3是電感電流瞬時值包絡線。</p><p>　　圖8

25、 電感電流和開關管門極驅動波形</p><p><b>　　6 結論</b></p><p>　　本文提出了一種基于低成本四開關逆變器與有源功率因數(shù)校正技術的新型交一直一交變頻電路解決方案。該電路PFC與逆變兩部分電路只使用了一塊六開關標準IPM模塊，因此成本低，易于實現(xiàn)標準化工業(yè)生產(chǎn)。</p><p><b>　　心得體會</

26、b></p><p>　　學習了交-直-交變頻電路復習了其逆變側的逆變電路，但對開關管的驅動疑問很大。學習了整流側的PWM整流電路，對升壓斬波電路對器件的要求有了一些了解。對改進電路的整流側有了認識，對PFC及其校正電路有了了解。 對PFC有了一些了解，PFC有兩種，一種是無源PFC（也稱被動式PFC），一種是有源PFC（也稱主動式PFC）。無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差

27、減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.7~0.8；有源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達到很高的功率因數(shù)，但成本要高出無源PFC一些。</p><p><b>　　感謝</b></p><p>　　在這次課程設計中，我要感謝一學期來教我的xx老師，沒有他一學期來細致的講解我是無論如何也做不出課程設計來的?；叵肫鹕险nxx老師的耐心

28、和不厭其煩都對我的課程設計中遇到的困難有很大的幫助，電力電子技術是很費腦筋的。還要感謝我的同學，感謝他為我講解某些電路，還要感謝我的同學借我鐵通電腦查資料。感謝大家我一定會出色的完成我的設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安，黃俊，《電力電子技術》，機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　

29、[2]孫梅生等，《電力電子技術基礎課程設計》，，2000</p><p>　　[3]高吉祥，《電力電子技術基礎實驗與課程設計》，電子工業(yè)出版，2003</p><p>　　[4] 楊首一，李守成，《交直交變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)異步電動機電參量測試的研究》，高等教育出版社，1996</p><p>　　[5] 張燕賓，《變頻調(diào)速應用實踐》，高等教育出版社，2001</