课程设计---单位功率因数低成本交一直一交变频电路的研究.doc

- 18 -电力电子技术 课程设计题目：单位功率因数低成本交一直一交变频电路的研究 姓 名：班 级：学 号：指导教师：仲伟堂李国华张继华 完成日期：2011年1月10日辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表学 期2009-2010第一学期姓 名宫家宝专 业自动化班 级自动化08-3课程名称电力电子技术论文题目单位功率因数低成本交一直一交变频电路的研究评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师张继华时 间2011年1月10日备 注课 程 设 计 任 务 书一、设计题目单位功率因数低成本交一直一交变频电路的研究二、设计任务基于低成本四开关逆变桥与pfc有源功率因数校正技术的交直一交变频改进电路。三、设计计划1、四开关逆变桥的实现2、升降压pfc有源功率因数校正电路的实现3、通过实现以上两种设计计划，从而改进交-直-交变频电路四、设计要求改进交直交变频电路指 导 教师：张继华教研室主任：仲伟堂时 间：2011年1月10日摘要交-交变频电路应用不广，交-直-交电路应用较广，本设计根据一般的交-直-交变换电路进行了改进，功率更高。本设计逆变电路比较普通，整流电路用了pfc控制电路提高了功率较低了电流的畸变程度。但由于我的水平有限学习的不够也有不足之处，如对整流侧的驱动不是很清楚只是构思了触发脉冲，但没有涉及到具体电路。关键词：交交变频电路、pfc控制电路、触发脉冲。 目录1、交-直-交变频电路62、交-直-交变频电路分析73、基于低成本四开关逆变桥与pfc有源功率因数校正技术的交直一交变频改进电路94、四开关逆变桥的实现105、升降压pfc有源功率因数校正电路的实现126、结论147、心得体会158、感谢169、参考文献171 交-直-交变频电路随着电力电子技术的快速发展，变频器领域内的技术竞争日益激烈。如何找到新的更为有效和简单的主电路拓扑结构，成为近期热点之一。文献中提出了一种新颖的低成本交一直一交变频器主电路结构。如图1所示，该电路使用一块标准六开关ipm模块。其中t3、t5、t6和t2四只开关组合与两只串联电容c1与c2一起构成低成本的四开关逆变电路。余下的t1与t4 两只开关组合与两只串联电容c1 和c2 一起构成单相倍压pwm整流电路，该电路可实现输入正弦电流，功率因数近似为单位1，且使能量双向流动。该电路结构紧凑、成本低。在逆变电路的拓扑结构上产生了突破，只用四只功率开关就实现了三相交流电路的逆变。图1 低成本交-直-交变频电路2 交-直-交变频电路分析在c1、c2右面为逆变电路，设在t1时刻前t3和t2导通，输出电压为ud,t1时刻t5和t2栅极信号反向，t2截止，而因负载电感中的电流不能突变，t5不能立刻导通，d5导通续流。到t2时刻t3和t6的栅极信号反向，t3截止而t6不能立刻导通，d6导通续流和d5形成续流通道，输出电压为-ud。到负载电流过零变负并开始反向时，d6和d5截止，t6和t5开始导通，输出为-ud。t3时刻，t5和t2栅极信号反向，t5截止，而t2不能立刻导通d2续流，输出为0。以后过程和前面类似。图2 逆变电路输出电压波形图 在c1和c2左面为整流电路vi上正下负时t4栅极电压为正，d1导通。当vi过零变负时，li电感作用使d1持续导通，li上能量转移到c1上。vi上负下正时t1栅极电压为正，d4导通。当vi过零变正时，li电感作用使d4持续导通，li上能量转移到c2上。整个过程为向c1和c2充电过程。但这种电路在中国使用遇到极大困难，原因是我国单相交流电压的有效值为22o v，是欧美国家所用110 v电压的两倍。考虑到boost升压斩波电路校正功率因数与构造正弦输入电流的需求，直流母线电压必须稳定在800 v左右，显然对ipm模块的耐压性能提出了过高的要求。尽管存在这些不尽如意之处，但图1电路方案的逆变器部分毕竟从标准六开关逆变桥中节省两只开关组合。本文试图充分利用这两只开关组合，研究适合中国国情的低成本交一直一交变频电路。3 基于低成本四开关逆变桥与pfc有源功率因数校正技术的交直一交变频改进电路如图3所示为技术方案，以c1 与c2 串联桥臂为界，电路分为左右两部分。右边部分由标准六开关ipm模块中的t3、t6 、t5 和t2 四只开关组合与两只串联电容c1 与c2 一起构成低成本的逆变桥；而左边部分是技术比较成熟的单管pfc(power factorcorrection)有源功率因数校正电路。这部分电路使用从ipm模块中余下的开关t4 作为pfc的主控开关，和电抗器l一起进行功率因数校正和构造正弦波形的输入电流，t1的反并联二极管d1用于将pfc电路和直流母线电路单向隔离。当电机负载出现能量反馈时，可由t1 和r一起构成泻能电路，当回馈能量引起直流母线上电容电压泵升时，为防止母线电压过高威胁ipm模块安全，这时可打开t1 ，经电阻r释放存储在电容c中能量，使直流母线电压降低到安全区域 。图3 交-直-交变频改进电路值得注意的是，所有这些改进都没有增加新的成本，而是在标准六开关ipm逆变模块上做的，因而对低成本的工业标准化生产设计十分有利。4 四开关逆变桥的实现为实现如图4所示的低成本四开关逆变电路，设想需要产生两路相差0电角度相位的双向spwm信号，如图5所示。分别用来控制t3和t 6构成的桥臂与t 5和t 2构成的桥臂，从而形成圆形旋转磁场，有效地驱动电动机的运行。图4 四开关逆变桥图5 设想的驱动信号实际运行的pwm变频器输出的线电压vab 与vac ，其中线电压vac 应是两电平电压波形，而线电压vab 应是三电平电压波形，由于形成了圆形旋转磁场，输入电机的三个线电流却相互呈120电角度对称并为正弦波形，如图6所示。图6 输入电机的线电流呈正弦波形5 升降压pfc有源功率因数校正电路的实现随着有源功率因数校正技术的意义被各界所认识，各种专用的有源功率因数校正芯片大量涌现，不仅性能优良且制作成本低。本文的pfc电路部分采用l6560专用控制芯片构成pfc实际控制电路，其结构如图7所示。图7 pfc控制电路其基本工作原理是：主回路直流母线输出电压vo和基准电压vref 比较后，偏差输入给电压误差放大器va，整流电压检测值vrec 和va的输出信号电压信号verr 共同加到乘法器m的输入端，乘法器m的输出作为电流反馈控制的基准信号。电流误差放大器ca的输出与电感零电流检测器(zcd)的输出作为开关管驱动器的输入信号，控制开关管的开通与关断，保证电感电流的峰值跟踪整流电压，从而使输入电流(电感电流的平均值)与输入电压波形基本一致，用于提高功率因数、降低电流畸变程度。由于电感电流检测器的引入，开关管只能在电感电流下降为零时开通，boost电路工作介于ccm和dcm之间的临界导通模式，其电感电路形成如图7所示的冲放电波形。这样，一方面降低了vd1 。关断时反向恢复电流对开关管的冲击作用；另一方面将输入电流限定为电感电流峰值的12，且由图可知，稳态时输出电压v0为：v0=( r9/r10+1) vref。可见，调节r9 和r10。两电阻便可以调节输出电压vo的大小。图7中曲线1是电感电流峰值包络线，曲线2是电感电流平均值包络线，曲线3是电感电流瞬时值包络线。图8 电感电流和开关管门极驱动波形6 结论本文提出了一种基于低成本四开关逆变器与有源功率因数校正技术的新型交一直一交变频电路解决方案。该电路pfc与逆变两部分电路只使用了一块六开关标准ipm模块，因此成本低，易于实现标准化工业生产。心得体会学习了交-直-交变频电路复习了其逆变侧的逆变电路，但对开关管的驱动疑问很大。学习了整流侧的pwm整流电路，对升压斩波电路对器件的要求有了一些了解。对改进电路的整流侧有了认识，对pfc及其校正电路有了了解。 对pfc有了一些了解，pfc有两种，一种是无源pfc（也称被动式pfc），一种是有源pfc（也称主动式pfc）。无源pfc一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源pfc的功率因数不是很高，只能达到0.70.8；有源pfc由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源pfc一些。感谢在这次课程设计中，我要感谢一学期来教我的张继华老师，没有他一学期来细致的讲解我是无论如何也做不出课程设计来的。回想起上课张老师的耐心和不厌其烦都对我的课程设计中遇到的困难有很大的帮助，电力电子技术是很费脑筋的。还要感谢我的同学，感谢他为我讲解某些电路，还要感谢我的同学借我铁通电脑查资料。感谢大家我一定会出色的完成我的设计。参考文献1 王兆安，黄俊，电力电子技术，机械工业出版社，20072孙梅生等，电力电子技