CN107979275A - 一种新型的三相单级有源功率因数校正装置 - Google Patents

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韩业华
徐忠文
黄轶群
刘泽宇
赵雨清
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Abstract

本发明公开了一种新型的三相单级有源功率因数校正装置，其组成包括：三相三线制输入电源(1)，三相输入整流电路(2)，移相桥(3)，平面变压器(4)以及输出滤波整流电路(5)，其特征在于：输出滤波整流电路(5)中的变压器T采用旋转式变压器，电感Lf采用开气隙磁芯直流电感器。改善了三相功率因数校正装置中的功率因数校正效果；对基于全桥拓扑的三相单级功率因数校正装置电路的改进，改动量小，易于实现；特别是旋转变压器克服了现有的旋转变压器的固有气隙与方波电压的快速变化相耦合而引起的问题，减小了电磁干扰(EMI)对电路的影响，提高了整个系统的工作完好性。

Description

一种新型的三相单级有源功率因数校正装置
技术领域
本发明属于开关电源中的功率因数校正，应用航天航空领域、科学仪表、太阳能电池阵列等。
背景技术
三相功率因数校正装置由于其电路结构、工作机理和控制都比较复杂，目前仍处于发展阶段。
特别是变压器基本都是采用普通变压器，普通变压器中一次所看到的电压尖峰是由漏感引起的。为设计出使其漏感最小的变换器变压器，一次和二次之间必须有最小的距离。
现在在三相功率因数校正装置设计中通常采用通过各种方法以得到合适的电感器设计。例如，在许多情况下，用安排电流密度的经验法。安排200A/cm2(100CM/A)就能得到很要的工作水平。在许多时候，这个方法是令人满意的。但是，用来满足这个要求的导线尺寸可能比希望或需要的大且重。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于漏感最小化将减小对有功率损耗吸收电路的需要,本发明采用扁平型旋转式变压器；避免利用这样那样的经验法而开发出一个经济且更好的设计方法，本发明采用开气隙磁芯直流电感器。
实现本发明目的的技术解决方案为：
1.一种新型三相单级有源功率因数校正装置，其组成包括：三相三线制输入电源1，三相输入整流电路2，移相桥3，平面变压器4以及输出滤波整流电路5，其中:输出滤波整流电路5中的变压器T采用旋转式变压器，电感Lf采用开气隙磁芯直流电感器。
2.输出滤波整流电路5中的变压器T采用扁平型旋转式变压器。
3.扁平型旋转式变压器，其组成部分包括：定子，轴承，一次绕组，气隙，二次绕组，旋转部件。
4.输出滤波整流电路5中的电感Lf采用开气隙磁芯直流电感器，开气隙磁芯采用铁合金和铁氧化体，气隙可以调整到任何长度。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1)旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
2)以为旋转式变压器存在固有气隙，所以旋转式变压器的一次将是一个理想的电感器。储存在旋转气隙中的能量可被回收并被用于谐振槽路中，旋转变压器不需要任何损耗功率的吸收网络。把谐振槽电路与旋转式变压器结合在一起有几个优点：
(1)使功率级元件数最小化
(2)逆变器的输出是一个自然地正弦波，一般不需再加滤波器
(3)任何一个功率开关管截止时，变压器空气隙中存储的能量都被释放，这个能量在谐振槽路内被交换，这就提供了谐振槽路与负载之间直接交换的能力。
3)本发明旋转变压器克服了现有的旋转变压器的固有气隙与方波电压的快速变化相耦合而引起的问题，减小了电磁干扰(EMI)对电路的影响，提高了整个系统的工作完好性。
附图说明
图1结构框图。
图2主电路拓扑图。
图3工作波形图。
图4扁平型旋转式变压器。
图中：1.三相三线制输入电源，2.三相输入整流部分，3.移相桥，4.高频变压器，5.输出滤波整流电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
1)主电路及工作过程
主电路如图1所示，本发明的结构框图，是本发明的组成部分。
主电路包括：三相三线制输入电源1，三相输入整流电路2，移相桥3，平面变压器4以及输出滤波整流电路5。
其工作原理：本发明采用改进后的基于全桥拓扑的三相单级APFC电路。利用VT2,VT4的开关以及La，Lb，Lc的充放电能量，既能实现功率因数校正，又能改善VT2，VT4软开关。该电路在一个开关周期内有六个工作模态。
以0≤ωt≤π/3阶段为例进行分析。该电路在一个开关周期内共有6个工作模态，工作波形如图3所示。
模态1(t0-t1)：开关VT3已经导通，在t0时刻VT2导通，VT1、VT4截止。A、C相电流iLs、iLc近似线性地从零增加，B相电流开始给滤波电容C、C1及C4并联充电。变压器一次UAB＝-UC，一次向二次输送能量。在开关周期内，认为各相电压不变。所以：
式中，d1为滞后臂开关管(包括反并联二极管的导通时间)的占空比。因ubn<0，所以有：
当t＝t1＝-ubn/(ubn+UC)d1T时，iLb＝0。状态1结束。
设T是开关周期，Um时输入相电压的幅值，由式(6)可知，最极端的情况是t1＝(1-d1)T时，电流iLb＝0且ubn＝-Um，故(UC+Ubn)(1-d1)T+ubnd1T≥0，输入电感工作于DCM的条件是
UC≥Um(1-d1) (8)
模态2(t1-t2)：到t1时刻，B相断开，iLa、iLc继续线性上升，电容C、C1及C4并联向次级输送能量。到t2时刻，VT3零电压关断。
模态3(t2-t3)：该状态B相仍然断开，iLa、iLc继续线性上升，变压器一次电流使C3充电，C1放电。变压器圆边漏感LIk与输出滤波电感Lf串联，一次电流iP近似不变，为iP0，于是
UC3＝iP0t/2C3 (9)
UC1＝UC-iP0t/2C3 (10)
所以UC1下降到零的时间t32是
t32＝t3-t2＝2C3UC/iP0 (11)
这样VT1的反并联二极管VDS1自然导通，状态2结束。t3时刻变压器一次电压为零。
模态4(t3-t4)：该状态B相仍然断开，iLa、iLc继续线性上升。但VT1并未导通，直到t4时刻。
模态5(t4-t5)：该状态B相仍然断开，iLa、iLc继续线性上升。这期间二次绕组不足以提供负载电流，变压器二次侧的高频整流二极管全部导通，到t5时刻，VT2零电压关断。
状态6(t5-t6)：该状态B相仍然断开，C与C3并联后与C4反串联，再与C2并联，由iLa、iLc及iP对C2充电，iLa、iLc开始线性下降。由该状态等效电路可得知如下方程
初始条件：
UC2(t5)＝0 (16)
由式(12)—(15)可得到
可得到
其中
忽略式(19)中第二项，即可得出VT4导通时间
2)旋转式变压器
旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。如图4所示的扁平型旋转式变压器。功率变换时通过空气隙以电磁原理完成的。
旋转变压器具有内在的气隙及一次二次之间的空隙，这个气隙和空隙导致了一次电感量低，这个低的一次电感导致了磁化电流加大，通过公式可计算出轴型和扁平型两种旋转式变压器的漏感。两种变压器的绕组尺寸计算如式(21)所示。
3)开气隙的磁心直流(DC)电感器设计
我们可以通过各种方法以得到合适的电感器设计。例如，在许多情况下，用安排电流密度的经验法。安排200A/cm2(100CM/A)就能得到很要的工作水平。在许多时候，这个方法是令人满意的。但是，用来满足这个要求的导线尺寸可能比希望或需要的大且重。
LC滤波器时减小纹波的基本方法。为了使电感器正常工作，通过输入电感器L1中的电流必须是连续的。
被称为临界电感L(crit)的最小电感法是
式中，ω＝2πf，f为输入电源的频率。
负载越高，保持电流的连续流动越难。滤波电感器以如下方式工作，当Ro区域无穷大，在无载情况下，Io＝0，滤波电容器将充电到峰值电压Vpk，因此，输出电压将等于输入电压峰值。
根据公式(27)，可以计算由单级LC滤波导致的纹波降低。

Claims (4)

1.一种新型的三相单级有源功率因数校正装置，其组成包括：三相三线制输入电源(1)，三相输入整流电路(2)，移相桥(3)，平面变压器(4)以及输出滤波整流电路(5)，其特征在于：输出滤波整流电路(5)中的变压器T采用旋转式变压器，电感Lf采用开气隙磁芯直流电感器。
2.根据权利要求1所述的三相单级有源功率因数校正装置，其特征在于：所述的输出滤波整流电路(5)中的变压器T采用扁平型旋转式变压器。
3.根据权利要求2所述的三相单级有源功率因数校正装置，其特征在于：所述的扁平型旋转式变压器，其组成部分包括：定子，轴承，一次绕组，气隙，二次绕组，旋转部件。
4.根据权利要求1所述的三相单级有源功率因数校正装置，其特征在于：所述的输出滤波整流电路(5)中的电感Lf采用开气隙磁芯直流电感器，开气隙磁芯采用铁合金和铁氧化体，气隙可以调整到任何长度。
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