三開關單電容的高功率因數三相ac-dc變換器的製作方法

2024-02-11 05:57:15

專利名稱：三開關單電容的高功率因數三相ac-dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三相AC-DC變換器，特別涉及一種三開關單電容的高功率因數三 相AC-DC變換器。
背景技術：
低壓三相交流電源供電的變頻器在工業、農業和家庭得到了越來越廣泛的應用， 變頻器的前級電路都採用了不控三相整流器。現有的不控三相整流器-電解電容系統，對 於三相電網而言屬於非線性負載，工作時會向電網傳導大量的低次諧波電流，如此極不利 於電力環保，而且也難以符合IEC61000-3-2/12諧波電流限度標準。為此需要使用高功率 因數的三相AC-DC變換器，即可控整流器來代替現有的不控三相整流器。截至目前，出現了 大量的可控整流器方案，如PWM電壓源整流器、PWM電流源整流器和矩陣整流器等。這些整 流器雖然功率因數很高，但是控制原理複雜，實現困難，器件電力應力大，成本較高，電磁幹 擾(即EMI)設計有一定困難。為此設計一種附加器件少、器件電力應力小和數字控制等技術特徵的低成本三相 AC-DC變換器，實已成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種電路簡單且成本低的三開關單電容的高功率因數三 相AC-DC變換器。本發明的另一目的在於提供一種三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器， 以有效改善功率因數。為了達到上述目的及其他目的，本發明提供三開關單電容的高功率因數三相 AC-DC變換器，包括與三相電源的三相相連接且用於濾除各相電流的高次諧波的LC整流 電路；與所述LC整流電路相連接且用於將經過所述LC整流電路處理的所述三相電源進行 整流以向直流負載供電的不控三相整流器；並聯在所述不控三相整流器的輸出端以使所述 不控三相整流器輸出穩定的直流電壓的電容；連接在所述不控三相整流器的輸出端且用以 檢測所述不控三相整流器向所述直流負載提供的直流電壓與直流電流的功率檢測電路；與 所述三相電源的三相連接、用於根據所述三相電源各相的電壓的變化同步生成相應的三路 脈衝信號、且使每一脈衝信號的零點與對應的相電壓的零點同步的過零檢測電路；與所述 過零檢測電路及所述功率檢測電路相連接、用於根據所述功率檢測電路輸出的直流電壓和 直流電流計算所述直流負載當前的有功功率，再根據所述有功功率、預設的所述LC整流電 路各元件的參數、及所述過零檢測電路輸出的三路脈衝信號計算出待生成的三路數字序列 需要持續的時間，，並進而以所述三路脈衝信號各自的零點為同步點生成相應的三路數字 序列的數字控制電路，其中，各數字序列是以同步點為中心分布；與所述數字控制電路的輸 出端相連接且用於根據所述數字控制電路輸出的三路數字序列生成相應三路驅動脈衝的 驅動電路；以及，具有三開關、其受控端與所述驅動電路的輸出端相連接、各開關兩端分別與所述LC整流電路及所述三相電源的中線相連接、且用於根據所述驅動電路輸出的三路 驅動脈衝開閉所述三開關，以使所述LC整流電路在各相電壓的零點附近時通過所述各開 閉的開關形成與所述中線連接的迴路，來改善各相電路電流在各相電壓零點附近的整流值 的受控開關電路。較佳的，所述LC整流電路可包括分別串聯在各相的三電感及兩兩並聯在相應兩 相間的三電容。較佳的，所述電容為電解電容。較佳的，所述功率檢測電路包括連接在所述不控整流器兩輸出端且用於測量直 流電壓的第一分壓電路、及連接在所述不控整流器一輸出端和地之間且用於測量直流電流 的直流電阻。較佳的，所述數字控制電路包括數位訊號處理器。較佳的，所述驅動電路包括三個隔離驅動器。較佳的，所述開關電路包括三個雙向可控矽開關。較佳的，所述過零檢測電路包括三路由電阻和光電耦合器構成的檢測電路。較佳的，所述過零檢測電路根據各相的相電壓或線電壓生成相應的三路脈衝信號。較佳的，三路數字序列需要持續的時間都為π/6。綜上所述，本發明的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器通過LC整流電 路在各相電壓零點附近的開關整流和不控整流器的自然整流相配合，可有效提高電路的功 率因數，同時此電路結構簡單，成本低廉。


圖1為本發明的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器的電路結構示意 圖。
具體實施例方式以下將通過具體實施例來對本發明的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變 換器進行詳細說明。請參閱圖1，本發明的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器至少包括LC 整流電路11、不控三相整流器12、電容E1、功率檢測電路3、過零檢測電路2、數字控制電路 4、驅動電路5、以及受控開關電路13等。所述LC整流電路11與三相電源的三相(即R、S和T相)相連接，用於濾除各相 的高次諧波電流，在本實施例中，其包括分別串聯在各相的三電感Li、L2、L3和兩兩並聯在 相應兩相間的三電容Cl、C2、C3，其中，電感Ll串聯在R相中，電感L2串聯在S相中，電感 L3串聯在T相中，電容Cl與C2形成的串聯電路並聯在R相和S相之間，電容Cl與C3形成 的串聯電路並聯在R相和T相之間，電容C3與C2形成的串聯電路並聯在T相和S相之間。所述不控整流器12與所述LC整流電路11相連接，用於對所述三相電源進行整流 以向直流負載(即負載6)供電，由於不控整流器的結構、功能等已為本領域技術人員所知 悉，故在此不再詳述，而所述負載6可為逆變器-電動機傳動系統，也可為其它直流負載，在此不再例舉。所述電容El並聯在所述不控三相整流器12的輸出端，以使所述不控三相整流器 12輸出穩定的直流電壓，其可為電解電容。所述功率檢測電路3連接在所述不控三相整流器12的輸出端，用以檢測所述不控 三相整流器12向所述負載6提供的直流電壓與直流電流，其可包括連接在所述不控整流器 12兩輸出端且用於測量直流電壓的第一分壓電路(即電阻RlO和Rll形成的分壓電路)、 及連接在所述不控整流器12 —輸出端和地之間且用於測量負載6的直流電流的直流電阻 R12，其中，直流電阻R12和電阻Rll相連接。所述過零檢測電路2與所述三相電源的三相連接，用於根據所述三相電源各相的 電壓(可為相電壓，也可為線電壓)的變化同步生成相應的三路脈衝信號，且每一脈衝信號 的零點與對應的相電壓的零點同步，其可包括三路由電阻和光電耦合器構成的檢測電路， 即由連接在R相和中線之間的電阻Rl和R2、原邊二極體陽極連接在電阻Rl和R2公共點而 副邊三極體發射極與電阻R7相連接的光電耦合器0P1、及電阻R7另一端與地連接的第一 路檢測電路；由連接在S相和中線之間的電阻R3和R4、原邊二極體陽極連接在電阻R3和 R4公共點而副邊三極體發射極與電阻R8相連接的光電耦合器0P2、及電阻R8另一端與地 連接的第二路檢測電路；由連接在T相和中線之間的電阻R5和R6、原邊二極體陽極連接在 電阻R5和R6公共點而副邊三極體發射極與電阻R9相連接的光電耦合器0P3、及電阻R9另 一端與地連接的第三路檢測電路，在這三路檢測電路中，光電耦合器OPl、0P2與0P3各自的 原邊二極體陰極都與三相電源的中線相連接，而各自的副邊三極體的集電極與+5V電源相 連。此外，也可採用線電壓的過零檢測電路，本領域技術人員可根據上述說明，對各元件的 連接方式進行相應調整以完成對線電壓的過零檢測，當然，也可採用其他電路來實現所述 過零檢測電路的功能，在此不再一一舉例說明。所述數字控制電路4與所述過零檢測電路2及所述功率檢測電路3的相連接，用 於根據所述功率檢測電路3輸出的直流電壓和直流電流計算所述負載6當前的有功功率， 再根據所述有功功率、預設的所述LC整流電路各元件的參數、及所述過零檢測電路3輸出 的三路脈衝信號計算出待生成的三路數字序列需要持續的時間，並進而以所述三路脈衝信 號各自的零點為同步點生成相應的三路數字序列，且各數字序列是以同步點為中心分布。 在本實施例中，所述數字控制電路包括具有模數轉換埠 ADC1、模數轉換埠 ADC2、捕捉 埠 ZC1、捕捉埠 ZC2、捕捉埠 ZC3、3個輸出埠 P1、P2、P3的數位訊號處理器(即DSP)、 以及DSP必要的外圍電路，其中，所述模數轉換埠 ADCl連接在電阻RlO和電阻Rll的公 共連接點，模數轉換埠 ADC2連接在電阻R12和電阻Rll的公共連接點，捕捉埠 ZCl連 接在光電耦合器OPl的副邊三極體發射極，捕捉埠 ZC2連接在光電耦合器0P2的副邊三 極管發射極，捕捉埠 ZC3連接在光電耦合器0P3的副邊三極體發射極。所述驅動電路5與所述數字控制電路4的輸出端(即P1、P2、和P3)相連接，用於 根據所述數字控制電路4輸出的三路數字序列生成相應三路驅動脈衝，其可包括三個隔離 驅動器，即DR1、DR2、和DR3，其中，隔離驅動器DRl的輸入端與所述數字控制電路4的輸出 埠 Pl相連，隔離驅動器DR2的輸入端與所述數字控制電路4的輸出埠 P2相連，隔離驅 動器DR3的輸入端與所述數字控制電路4的輸出埠 P3相連。所述受控開關電路13具有三開關，其受控端與所述驅動電路5的輸出端相連接，各開關兩端分別與所述LC整流電路及所述三相電源的中線相連接，用於根據所述驅動電 路5輸出的三路驅動脈衝開閉所述三開關，以使所述LC整流電路11在各相電壓的零點附 近時通過各開閉的開關形成與所述中線連接的迴路，以改善各相電路電流在各相電壓零點 附近的整流值，在本實施例中，所述三開關都為雙向可控矽開關，即雙向可控矽開關Si、S2 與S3，其中，雙向可控矽開關Sl的輸入端連接在電感Ll和所述不控整流器12的公共連接 點，其門極與所述隔離驅動器DRl的輸出端相連，所述雙向可控矽開關S2的輸入端連接在 電感L2和所述不控整流器12的公共連接點，其門極與所述隔離驅動器DR2的輸出端相連， 所述雙向可控矽開關S3的輸入端連接在電感L3和所述不控整流器12的公共連接點，其門 極與所述隔離驅動器DR3的輸出端相連，雙向可控矽開關Si、S2、和S3的輸出端連接在所 述三相電源的中線上。所述三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器的工作原理如下(1)在所述過零檢測電路2中，電阻Rl與電阻R2分壓後獲得三相電源中R相電 壓波形，經過光電耦合器OPl將R相電壓過零信息隔離輸出至副邊，即當R相電壓正半周時 輸出正脈衝，R相電壓負半周時輸出負脈衝，所述正負脈衝信號由電阻R7輸出至數字控制 電路4的捕捉埠 ZCl ；而電阻R3與電阻R4分壓後獲得三相電源中S相電壓波形，經過光 電耦合器0P2將S相電壓過零信息隔離輸出至副邊，即當S相電壓正半周時輸出正脈衝，S 相電壓負半周時輸出負脈衝，所述正負脈衝信號由電阻R8輸出至數字控制電路4的捕捉端 口 ZC2 ；而電阻R5與電阻R6分壓後獲得三相電源中T相電壓波形，經過光電耦合器0P3將 T相電壓過零信息隔離輸出至副邊，即當T相電壓正半周時輸出正脈衝，T相電壓負正半周 時輸出負脈衝，所述正負脈衝信號由電阻R9輸出至控制電路4的捕捉埠 ZC3。(2)在所述功率檢測電路3中，電阻RlO與電阻Rll串聯分壓，由其公共端引出與 直流電壓瞬時值成正比的電壓信號，輸出至數字控制電路4中的模數轉換埠 ADC1，電阻 R12為線性無感功率電阻，其壓降反映了直流電流的大小，由電阻R12與電阻Rll的公共點 引出信號輸出至數字控制電路4中的模數轉換埠 ADC2。
(3)在所述數字控制電路4中，數位訊號處理器DSP與外圍電路一方面通過捕捉 埠 ZCl、ZC2與ZC3接收來自過零檢測電路2發送的三路反映所述三相電源各相電壓的脈 衝信號，同時通過模數轉換埠 ADC1、ADC2檢測直流電壓和電流信號，由此計算出負載6所 需的有功功率大小，並在三個輸入相電壓過零點前後，各發出一個數字序列，各數字序列的 總寬度的變化規律不僅決定於負載瞬時功率大小，還取決於電網電壓瞬時值大小和各電感 Li、L2、L3的參數，且各數字序列由各相電壓過零點位置處向兩端呈現逐漸減少的趨勢，在 本實施例中，各數字序列持續時間為η/6。對應R相輸入相電壓過零點的數字序列經過端 口 Pl輸出至驅動電路5中的隔離驅動器DR1，對應S相輸入相電壓過零點的數字序列經過 埠 Ρ2輸出至驅動電路5中的隔離驅動器DR2，對應T相輸入相電壓過零點的數字序列經 過埠 Ρ3輸出至驅動電路5中的隔離驅動器DR3。 (4)在所述驅動電路4中，隔離驅動器DRl將來自數字控制電路4中輸出埠 Pl 的數字序列進行隔離和驅動後形成驅動脈衝，輸出至雙向可控開關Sl的門極G1，隔離驅動 器DR2將來自數字控制電路4中埠 Ρ2的數字序列進行隔離和驅動後形成驅動脈衝，輸出 至雙向可控開關S2的門極G2，隔離驅動器DR3將來自數字控制電路4中埠 Ρ3的數字序 列進行隔離和驅動後形成驅動脈衝，輸出至雙向可控開關S3的門極G3。
(5)在所述受控開關電路11中，三隻雙向可控開關Si、S2與S3的門極Gl、G2與 G3接收到驅動脈衝後，處於開關整流狀態，即高電平時雙向可控開關Si、S2與S3閉合，低 電平時雙向可控開關Si、S2與S3斷開。如此，三相電源的每相電壓將在過零前後JI/6角 度內通過各自線路上的濾波電感與所述中線(即N相)連接和斷開。即當三隻雙向可控 開關Sl、S2與S3閉合時，各電感Ll、L2、L3的電流直接流向N相，導致各電感Ll、L2、L3的 電流上升，而當三隻雙向可控開關Si、S2與S3斷開時，各電感Li、L2、L3的電流流向與所 述不控整流器12Ν相，導致各電感Li、L2、L3的電流下降，各電感Li、L2、L3的電流的升降 傳輸至不控三相整流器後級電解電容Ε1。而三相電源的每相電壓在過零前後η/6角度外 則處於自然整流狀態，。濾波電容Cl、C2、C3吸收高頻紋波電流，防止進入電網。上述各元器件的參數可為輸出三相交流輸入線電壓為380V，期望輸出的直流電 壓為535V，額定輸出功率5kW。不控整流器12參數為15A/1200V，電容C1、C2、C3參數都為 5 μ F/600V,電感L1、L2、L3參數都為7. 5mH/15A。數位訊號處理器DSP型號為TMS320F2801， 各隔離驅動器參數都為HCPL316J，光電耦合器OPl 0P3為TLP421，雙向可控開關Sl S3 由IGBT與單相整流器並聯構成，IGBT參數為15A/1200V。電阻Rl R6均為插件電阻，電 阻Rl、R3與R5的取值範圍為IOOkQ，電阻R2、R4與R6的取值範圍為5k Ω，電阻R7 R9 均為貼片電阻，電阻R7 R9為汕Ω。綜上所述，本發明的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器根據負載瞬時 輸出功率的要求和電網電壓的大小，在三相電壓過零點附近η/6電角度內，使三隻雙向可 控矽開關在驅動脈衝作用下進行開關作用，使得三相線路上的三隻濾波電感做儲能與放能 作用，以維持過零點前後各相電流波形的正限度，並與η/6電角度範圍外的自然整流有機 配合，在三相三開關的共同作用下獲得三相正弦度較高、且與各自的相電壓波形同步的各 電流波形，從而可有效改善輸入功率因數。此外，本發明的技術方案具有設計構思新穎、通 用性強等特徵，同時具有結構簡單、成本低、實現容易等優點，還可以支持較寬範圍功率輸 出，尤其適用於較大功率變頻器的前級整流器。上述實施例僅列示性說明本發明的原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟悉 此項技術的人員均可在不違背本發明的精神及範圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發 明的權利保護範圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於包括LC整流電路，與三相電源的三相相連接，用於濾除各相電流的高次諧波；與所述LC整流電路相連接的不控三相整流器，用於將經過所述LC整流電路處理的所 述三相電源進行整流以向直流負載供電；電容，並聯在所述不控三相整流器的輸出端，以使所述不控三相整流器輸出穩定的直 流電壓；功率檢測電路，連接在所述不控三相整流器的輸出端，用以檢測所述不控三相整流器 向所述直流負載提供的直流電壓與直流電流；過零檢測電路，與所述三相電源的三相連接，用於根據所述三相電源各相的電壓的變 化同步生成相應的三路脈衝信號，且每一脈衝信號的零點與對應的相電壓的零點同步；數字控制電路，與所述過零檢測電路及所述功率檢測電路相連接，用於根據所述功率 檢測電路輸出的直流電壓和直流電流計算所述直流負載當前的有功功率，再根據所述有功 功率、預設的所述LC整流電路各元件的參數、及所述過零檢測電路輸出的三路脈衝信號計 算出待生成的三路數字序列需要持續的時間，並進而以所述三路脈衝信號各自的零點為同 步點生成相應的三路數字序列，且各數字序列是以同步點為中心分布的；驅動電路，與所述數字控制電路的輸出端相連接，用於根據所述數字控制電路輸出的 三路數字序列生成相應三路驅動脈衝；具有三開關的受控開關電路，其受控端與所述驅動電路的輸出端相連接，各開關兩端 分別與所述LC整流電路及所述三相電源的中線相連接，用於根據所述驅動電路輸出的三 路驅動脈衝開閉所述三開關，以使所述LC整流電路在各相電壓的零點附近時通過所述各 開閉的開關形成與所述中線連接的迴路，以改善各相電路電流在各相電壓零點附近的整流 值。
2.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述LC整流電路包括分別串聯在各相的三電感及兩兩並聯在相應兩相間的三電容。
3.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述電容為電解電容。
4.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述功率檢測電路包括連接在所述不控整流器兩輸出端且用於測量直流電壓的第一分壓 電路、及連接在所述不控整流器一輸出端和地之間且用於測量直流電流的直流電阻。
5.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述數字控制電路包括數位訊號處理器。
6.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述驅動電路包括三個隔離驅動器。
7.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述開關電路包括三個雙向可控矽開關。
8.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 所述過零檢測電路包括三路由電阻和光電耦合器構成的檢測電路。
9.如權利要求1或8所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在 於所述過零檢測電路根據各相的相電壓或線電壓生成相應的三路脈衝信號。
10.如權利要求1所述的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特徵在於 三路數字序列需要持續的時間都為η/6。
全文摘要
本發明提供的三開關單電容的高功率因數三相AC-DC變換器，包括與三相電源的三相相連接的LC整流電路；與所述LC整流電路相連接的三相整流器；並聯在不控三相整流器的輸出端的電容；連接在所述不控三相整流器的輸出端的功率檢測電路；與所述三相電源的三相連接的過零檢測電路；與過零檢測電路輸出端及功率檢測電路相連接的數字控制電路；與數字控制電路輸出端相連接的驅動電路；以及，與所述驅動電路、LC整流電路及所述三相電源的中線相連接受控開關電路，其通過控制受控開關電路中各開關在各相的電壓零點附近的開閉，使LC整流器的開關整流和不控整流器的自然整流相配合，可有效提高電路的功率因數，同時此電路結構簡單，成本低廉。
文檔編號H02M3/06GK102055352SQ20091019805
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者朱俊, 管洪飛, 馬少才 申請人:上海儒競電子科技有限公司