CN102055352A - 三开关单电容的高功率因数三相ac-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，包括：与三相电源的三相相连接的LC整流电路；与所述LC整流电路相连接的三相整流器；并联在不控三相整流器的输出端的电容；连接在所述不控三相整流器的输出端的功率检测电路；与所述三相电源的三相连接的过零检测电路；与过零检测电路输出端及功率检测电路相连接的数字控制电路；与数字控制电路输出端相连接的驱动电路；以及，与所述驱动电路、LC整流电路及所述三相电源的中线相连接受控开关电路，其通过控制受控开关电路中各开关在各相的电压零点附近的开闭，使LC整流器的开关整流和不控整流器的自然整流相配合，可有效提高电路的功率因数，同时此电路结构简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相AC-DC变换器，特别涉及一种三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器。
背景技术
低压三相交流电源供电的变频器在工业、农业和家庭得到了越来越广泛的应用，变频器的前级电路都采用了不控三相整流器。现有的不控三相整流器-电解电容系统，对于三相电网而言属于非线性负载，工作时会向电网传导大量的低次谐波电流，如此极不利于电力环保，而且也难以符合IEC61000-3-2/12谐波电流限度标准。为此需要使用高功率因数的三相AC-DC变换器，即可控整流器来代替现有的不控三相整流器。截至目前，出现了大量的可控整流器方案，如PWM电压源整流器、PWM电流源整流器和矩阵整流器等。这些整流器虽然功率因数很高，但是控制原理复杂，实现困难，器件电力应力大，成本较高，电磁干扰(即EMI)设计有一定困难。
为此设计一种附加器件少、器件电力应力小和数字控制等技术特征的低成本三相AC-DC变换器，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路简单且成本低的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器。
本发明的另一目的在于提供一种三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，以有效改善功率因数。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，包括：与三相电源的三相相连接且用于滤除各相电流的高次谐波的LC整流电路；与所述LC整流电路相连接且用于将经过所述LC整流电路处理的所述三相电源进行整流以向直流负载供电的不控三相整流器；并联在所述不控三相整流器的输出端以使所述不控三相整流器输出稳定的直流电压的电容；连接在所述不控三相整流器的输出端且用以检测所述不控三相整流器向所述直流负载提供的直流电压与直流电流的功率检测电路；与所述三相电源的三相连接、用于根据所述三相电源各相的电压的变化同步生成相应的三路脉冲信号、且使每一脉冲信号的零点与对应的相电压的零点同步的过零检测电路；与所述过零检测电路及所述功率检测电路相连接、用于根据所述功率检测电路输出的直流电压和直流电流计算所述直流负载当前的有功功率，再根据所述有功功率、预设的所述LC整流电路各元件的参数、及所述过零检测电路输出的三路脉冲信号计算出待生成的三路数字序列需要持续的时间，，并进而以所述三路脉冲信号各自的零点为同步点生成相应的三路数字序列的数字控制电路，其中，各数字序列是以同步点为中心分布；与所述数字控制电路的输出端相连接且用于根据所述数字控制电路输出的三路数字序列生成相应三路驱动脉冲的驱动电路；以及，具有三开关、其受控端与所述驱动电路的输出端相连接、各开关两端分别与所述LC整流电路及所述三相电源的中线相连接、且用于根据所述驱动电路输出的三路驱动脉冲开闭所述三开关，以使所述LC整流电路在各相电压的零点附近时通过所述各开闭的开关形成与所述中线连接的回路，来改善各相电路电流在各相电压零点附近的整流值的受控开关电路。
较佳的，所述LC整流电路可包括分别串联在各相的三电感及两两并联在相应两相间的三电容。
较佳的，所述电容为电解电容。
较佳的，所述功率检测电路包括：连接在所述不控整流器两输出端且用于测量直流电压的第一分压电路、及连接在所述不控整流器一输出端和地之间且用于测量直流电流的直流电阻。
较佳的，所述数字控制电路包括数字信号处理器。
较佳的，所述驱动电路包括三个隔离驱动器。
较佳的，所述开关电路包括三个双向可控硅开关。
较佳的，所述过零检测电路包括三路由电阻和光电耦合器构成的检测电路。
较佳的，所述过零检测电路根据各相的相电压或线电压生成相应的三路脉冲信号。
较佳的，三路数字序列需要持续的时间都为π/6。
综上所述，本发明的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器通过LC整流电路在各相电压零点附近的开关整流和不控整流器的自然整流相配合，可有效提高电路的功率因数，同时此电路结构简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器的电路结构示意图。
具体实施方式
以下将通过具体实施例来对本发明的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器进行详细说明。
请参阅图1，本发明的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器至少包括：LC整流电路11、不控三相整流器12、电容E1、功率检测电路3、过零检测电路2、数字控制电路4、驱动电路5、以及受控开关电路13等。
所述LC整流电路11与三相电源的三相(即R、S和T相)相连接，用于滤除各相的高次谐波电流，在本实施例中，其包括分别串联在各相的三电感L1、L2、L3和两两并联在相应两相间的三电容C1、C2、C3，其中，电感L1串联在R相中，电感L2串联在S相中，电感L3串联在T相中，电容C1与C2形成的串联电路并联在R相和S相之间，电容C1与C3形成的串联电路并联在R相和T相之间，电容C3与C2形成的串联电路并联在T相和S相之间。
所述不控整流器12与所述LC整流电路11相连接，用于对所述三相电源进行整流以向直流负载(即负载6)供电，由于不控整流器的结构、功能等已为本领域技术人员所知悉，故在此不再详述，而所述负载6可为逆变器-电动机传动系统，也可为其它直流负载，在此不再例举。
所述电容E1并联在所述不控三相整流器12的输出端，以使所述不控三相整流器12输出稳定的直流电压，其可为电解电容。
所述功率检测电路3连接在所述不控三相整流器12的输出端，用以检测所述不控三相整流器12向所述负载6提供的直流电压与直流电流，其可包括连接在所述不控整流器12两输出端且用于测量直流电压的第一分压电路(即电阻R10和R11形成的分压电路)、及连接在所述不控整流器12一输出端和地之间且用于测量负载6的直流电流的直流电阻R12，其中，直流电阻R12和电阻R11相连接。
所述过零检测电路2与所述三相电源的三相连接，用于根据所述三相电源各相的电压(可为相电压，也可为线电压)的变化同步生成相应的三路脉冲信号，且每一脉冲信号的零点与对应的相电压的零点同步，其可包括三路由电阻和光电耦合器构成的检测电路，即由连接在R相和中线之间的电阻R1和R2、原边二极管阳极连接在电阻R1和R2公共点而副边三极管发射极与电阻R7相连接的光电耦合器OP1、及电阻R7另一端与地连接的第一路检测电路；由连接在S相和中线之间的电阻R3和R4、原边二极管阳极连接在电阻R3和R4公共点而副边三极管发射极与电阻R8相连接的光电耦合器OP2、及电阻R8另一端与地连接的第二路检测电路；由连接在T相和中线之间的电阻R5和R6、原边二极管阳极连接在电阻R5和R6公共点而副边三极管发射极与电阻R9相连接的光电耦合器OP3、及电阻R9另一端与地连接的第三路检测电路，在这三路检测电路中，光电耦合器OP1、OP2与OP3各自的原边二极管阴极都与三相电源的中线相连接，而各自的副边三极管的集电极与+5V电源相连。此外，也可采用线电压的过零检测电路，本领域技术人员可根据上述说明，对各元件的连接方式进行相应调整以完成对线电压的过零检测，当然，也可采用其他电路来实现所述过零检测电路的功能，在此不再一一举例说明。
所述数字控制电路4与所述过零检测电路2及所述功率检测电路3的相连接，用于根据所述功率检测电路3输出的直流电压和直流电流计算所述负载6当前的有功功率，再根据所述有功功率、预设的所述LC整流电路各元件的参数、及所述过零检测电路3输出的三路脉冲信号计算出待生成的三路数字序列需要持续的时间，并进而以所述三路脉冲信号各自的零点为同步点生成相应的三路数字序列，且各数字序列是以同步点为中心分布。在本实施例中，所述数字控制电路包括：具有模数转换端口ADC1、模数转换端口ADC2、捕捉端口ZC1、捕捉端口ZC2、捕捉端口ZC3、3个输出端口P1、P2、P3的数字信号处理器(即DSP)、以及DSP必要的外围电路，其中，所述模数转换端口ADC1连接在电阻R10和电阻R11的公共连接点，模数转换端口ADC2连接在电阻R12和电阻R11的公共连接点，捕捉端口ZC1连接在光电耦合器OP1的副边三极管发射极，捕捉端口ZC2连接在光电耦合器OP2的副边三极管发射极，捕捉端口ZC3连接在光电耦合器OP3的副边三极管发射极。
所述驱动电路5与所述数字控制电路4的输出端(即P1、P2、和P3)相连接，用于根据所述数字控制电路4输出的三路数字序列生成相应三路驱动脉冲，其可包括三个隔离驱动器，即DR1、DR2、和DR3，其中，隔离驱动器DR1的输入端与所述数字控制电路4的输出端口P1相连，隔离驱动器DR2的输入端与所述数字控制电路4的输出端口P2相连，隔离驱动器DR3的输入端与所述数字控制电路4的输出端口P3相连。
所述受控开关电路13具有三开关，其受控端与所述驱动电路5的输出端相连接，各开关两端分别与所述LC整流电路及所述三相电源的中线相连接，用于根据所述驱动电路5输出的三路驱动脉冲开闭所述三开关，以使所述LC整流电路11在各相电压的零点附近时通过各开闭的开关形成与所述中线连接的回路，以改善各相电路电流在各相电压零点附近的整流值，在本实施例中，所述三开关都为双向可控硅开关，即双向可控硅开关S1、S2与S3，其中，双向可控硅开关S1的输入端连接在电感L1和所述不控整流器12的公共连接点，其门极与所述隔离驱动器DR1的输出端相连，所述双向可控硅开关S2的输入端连接在电感L2和所述不控整流器12的公共连接点，其门极与所述隔离驱动器DR2的输出端相连，所述双向可控硅开关S3的输入端连接在电感L3和所述不控整流器12的公共连接点，其门极与所述隔离驱动器DR3的输出端相连，双向可控硅开关S1、S2、和S3的输出端连接在所述三相电源的中线上。
所述三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器的工作原理如下：
(1)在所述过零检测电路2中，电阻R1与电阻R2分压后获得三相电源中R相电压波形，经过光电耦合器OP1将R相电压过零信息隔离输出至副边，即当R相电压正半周时输出正脉冲，R相电压负半周时输出负脉冲，所述正负脉冲信号由电阻R7输出至数字控制电路4的捕捉端口ZC1；而电阻R3与电阻R4分压后获得三相电源中S相电压波形，经过光电耦合器OP2将S相电压过零信息隔离输出至副边，即当S相电压正半周时输出正脉冲，S相电压负半周时输出负脉冲，所述正负脉冲信号由电阻R8输出至数字控制电路4的捕捉端口ZC2；而电阻R5与电阻R6分压后获得三相电源中T相电压波形，经过光电耦合器OP3将T相电压过零信息隔离输出至副边，即当T相电压正半周时输出正脉冲，T相电压负正半周时输出负脉冲，所述正负脉冲信号由电阻R9输出至控制电路4的捕捉端口ZC3。
(2)在所述功率检测电路3中，电阻R10与电阻R11串联分压，由其公共端引出与直流电压瞬时值成正比的电压信号，输出至数字控制电路4中的模数转换端口ADC1，电阻R12为线性无感功率电阻，其压降反映了直流电流的大小，由电阻R12与电阻R11的公共点引出信号输出至数字控制电路4中的模数转换端口ADC2。
(3)在所述数字控制电路4中，数字信号处理器DSP与外围电路一方面通过捕捉端口ZC1、ZC2与ZC3接收来自过零检测电路2发送的三路反映所述三相电源各相电压的脉冲信号，同时通过模数转换端口ADC1、ADC2检测直流电压和电流信号，由此计算出负载6所需的有功功率大小，并在三个输入相电压过零点前后，各发出一个数字序列，各数字序列的总宽度的变化规律不仅决定于负载瞬时功率大小，还取决于电网电压瞬时值大小和各电感L1、L2、L3的参数，且各数字序列由各相电压过零点位置处向两端呈现逐渐减少的趋势，在本实施例中，各数字序列持续时间为π/6。对应R相输入相电压过零点的数字序列经过端口P1输出至驱动电路5中的隔离驱动器DR1，对应S相输入相电压过零点的数字序列经过端口P2输出至驱动电路5中的隔离驱动器DR2，对应T相输入相电压过零点的数字序列经过端口P3输出至驱动电路5中的隔离驱动器DR3。
(4)在所述驱动电路4中，隔离驱动器DR1将来自数字控制电路4中输出端口P1的数字序列进行隔离和驱动后形成驱动脉冲，输出至双向可控开关S1的门极G1，隔离驱动器DR2将来自数字控制电路4中端口P2的数字序列进行隔离和驱动后形成驱动脉冲，输出至双向可控开关S2的门极G2，隔离驱动器DR3将来自数字控制电路4中端口P3的数字序列进行隔离和驱动后形成驱动脉冲，输出至双向可控开关S3的门极G3。
(5)在所述受控开关电路11中，三只双向可控开关S1、S2与S3的门极G1、G2与G3接收到驱动脉冲后，处于开关整流状态，即高电平时双向可控开关S1、S2与S3闭合，低电平时双向可控开关S1、S2与S3断开。如此，三相电源的每相电压将在过零前后π/6角度内通过各自线路上的滤波电感与所述中线(即N相)连接和断开。即：当三只双向可控开关S1、S2与S3闭合时，各电感L1、L2、L3的电流直接流向N相，导致各电感L1、L2、L3的电流上升，而当三只双向可控开关S1、S2与S3断开时，各电感L1、L2、L3的电流流向与所述不控整流器12N相，导致各电感L1、L2、L3的电流下降，各电感L1、L2、L3的电流的升降传输至不控三相整流器后级电解电容E1。而三相电源的每相电压在过零前后π/6角度外则处于自然整流状态，。滤波电容C1、C2、C3吸收高频纹波电流，防止进入电网。
上述各元器件的参数可为：输出三相交流输入线电压为380V，期望输出的直流电压为535V，额定输出功率5kW。不控整流器12参数为15A/1200V，电容C1、C2、C3参数都为5μF/600V，电感L1、L2、L3参数都为7.5mH/15A。数字信号处理器DSP型号为TMS320F2801，各隔离驱动器参数都为HCPL316J，光电耦合器OP1～OP3为TLP421，双向可控开关S1～S3由IGBT与单相整流器并联构成，IGBT参数为15A/1200V。电阻R1～R6均为插件电阻，电阻R1、R3与R5的取值范围为100kΩ，电阻R2、R4与R6的取值范围为5kΩ，电阻R7～R9均为贴片电阻，电阻R7～R9为5kΩ。
综上所述，本发明的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器根据负载瞬时输出功率的要求和电网电压的大小，在三相电压过零点附近π/6电角度内，使三只双向可控硅开关在驱动脉冲作用下进行开关作用，使得三相线路上的三只滤波电感做储能与放能作用，以维持过零点前后各相电流波形的正限度，并与π/6电角度范围外的自然整流有机配合，在三相三开关的共同作用下获得三相正弦度较高、且与各自的相电压波形同步的各电流波形，从而可有效改善输入功率因数。此外，本发明的技术方案具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低、实现容易等优点，还可以支持较宽范围功率输出，尤其适用于较大功率变频器的前级整流器。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于包括：
LC整流电路，与三相电源的三相相连接，用于滤除各相电流的高次谐波；
与所述LC整流电路相连接的不控三相整流器，用于将经过所述LC整流电路处理的所述三相电源进行整流以向直流负载供电；
电容，并联在所述不控三相整流器的输出端，以使所述不控三相整流器输出稳定的直流电压；
功率检测电路，连接在所述不控三相整流器的输出端，用以检测所述不控三相整流器向所述直流负载提供的直流电压与直流电流；
过零检测电路，与所述三相电源的三相连接，用于根据所述三相电源各相的电压的变化同步生成相应的三路脉冲信号，且每一脉冲信号的零点与对应的相电压的零点同步；
数字控制电路，与所述过零检测电路及所述功率检测电路相连接，用于根据所述功率检测电路输出的直流电压和直流电流计算所述直流负载当前的有功功率，再根据所述有功功率、预设的所述LC整流电路各元件的参数、及所述过零检测电路输出的三路脉冲信号计算出待生成的三路数字序列需要持续的时间，并进而以所述三路脉冲信号各自的零点为同步点生成相应的三路数字序列，且各数字序列是以同步点为中心分布的；
驱动电路，与所述数字控制电路的输出端相连接，用于根据所述数字控制电路输出的三路数字序列生成相应三路驱动脉冲；
具有三开关的受控开关电路，其受控端与所述驱动电路的输出端相连接，各开关两端分别与所述LC整流电路及所述三相电源的中线相连接，用于根据所述驱动电路输出的三路驱动脉冲开闭所述三开关，以使所述LC整流电路在各相电压的零点附近时通过所述各开闭的开关形成与所述中线连接的回路，以改善各相电路电流在各相电压零点附近的整流值。
2.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述LC整流电路包括分别串联在各相的三电感及两两并联在相应两相间的三电容。
3.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述电容为电解电容。
4.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述功率检测电路包括：连接在所述不控整流器两输出端且用于测量直流电压的第一分压电路、及连接在所述不控整流器一输出端和地之间且用于测量直流电流的直流电阻。
5.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述数字控制电路包括数字信号处理器。
6.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述驱动电路包括三个隔离驱动器。
7.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述开关电路包括三个双向可控硅开关。
8.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述过零检测电路包括三路由电阻和光电耦合器构成的检测电路。
9.如权利要求1或8所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述过零检测电路根据各相的相电压或线电压生成相应的三路脉冲信号。
10.如权利要求1所述的三开关单电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：三路数字序列需要持续的时间都为π/6。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: RUKING EMERSON CLIMATE TECHNOLOGY (SHANGHAI) CO., Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI RUKING ELECTRONIC SCIENCE + TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20140811 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140811 Address after: 200433 room 323, No. 1101-163, National Road, Shanghai, Yangpu District Patentee after: Emerson environment optimization technology (Shanghai) Co., Ltd. Address before: 200433 Shanghai City, Yangpu District National Road No. 335 Building No. 2, 1803, 1805, 1806, 1807. Patentee before: Shanghai Ruking Electronic Science & Technology Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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