專利名稱：變頻器中的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及變頻器，并且尤其涉及對變頻器的輸入供電電流的波形的改進。
背景技術：
典型的單相或三相供電的二極管整流器的輸入供電電流是嚴重失真的。圖1示 出了待連接到單相供電網絡的變頻器的例子，該變頻器包括二極管整流器1、 DC (Direct Current，直流)中間電路2和可以向三相負載供電的逆變器。 在整流器的DC電壓側的中間電路的一個或多個電容器構成了逆變器的能量存儲 裝置。然而，電容器中的充電電壓限制了二極管電橋的導電時間，因為已知只有在供電網絡 的主電壓高于中間電路的DC電壓時，能量才被傳遞到DC電壓中間電路。從而，只有在接近 網絡電壓的峰值時刻的短暫時期能量才被傳遞到中間電路。因而，被傳遞到中間電路的能 量是以高而短的電流尖峰形式被傳遞的。 高電流尖峰增加了設備的輸入電流的有效值，因而例如線纜的熔斷保護和熱定值 必須比要被利用的實際性能更高。此外，高電流尖峰增加了所有暴露于高電流尖峰的部件 的壓力。圖2示出了在沒有附加濾波的情況下生成整流器(具有容性DC電壓電路能量存 儲裝置)的3. 3kW的DC功率的情形的例子，因而電流尖峰只受AC (Alternating Current, 交流)網絡的變壓器和線纜的阻抗的限制。電流尖峰的最大值約為IOOA而有效值約為 28. 8A。如果以與電壓具有相同相位的正弦電流來傳遞同樣的平均功率，則電流峰值將僅約 為20. 3A而有效值約為14. 3A。 為了降低電流尖峰，即對供電電流進行濾波，常常將無源扼流器添加到整流器。該 做法的缺陷在于所需扼流器的尺寸、重量和價格隨濾波的需求增加而顯著增加。此外，因為
濾波能力是通過增加扼流器電感L來加強的，所以在扼流器中發(fā)生的電壓損耗"=丄+隨濾 波需求的增加而增加。 —種降低電流失真的方式是用包括有源功率因數(shù)校正的整流器來替代二極管整 流器，因而該設備總是具有高質量的供電電流。有源功率因數(shù)校正的缺陷在于實際設備諸 如變頻器等的結構會改變，從而其制造成本也常常會增加。在客戶不關心供電電流的質量 并且增加的成本不為客戶提供任何實際的附加價值的情形中，成本的增加導致了特定的問 題。因為相同的產品可以在所流行的標準相差很大的地區(qū)使用，而在某些地區(qū)關于網絡效 果的標準更加嚴格，所以在供電電流的質量標準方面出現(xiàn)了相應的情形。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目標在于提供方法和實現(xiàn)所述方法的設備，使得以上問題得以解決。用 以獨立權利要求中聲明的內容為特征的方法和設備來實現(xiàn)該目標。在從屬權利要求中公開 了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。 本發(fā)明基于在變頻器和供電網絡之間連接單獨的電工設備來充當功率因數(shù)校正
3電路的思想?？梢詫⑦@種類型的任意設備直接連接在變頻器和供電網絡之間，而不需要在 實際變頻器中進行改變。 根據(jù)本發(fā)明的思想，功率因數(shù)校正電路在其輸出端形成DC電壓。該DC電壓被進 一步供應給逆變器的整流部分，該整流部分包括在典型逆變器的傳統(tǒng)配置中。典型逆變器 的整流部分包括其二極管被設計為以供電頻率工作的二極管電橋。換言之，標準變頻器的 網絡電橋的二極管不適合以更高的頻率使用。根據(jù)本發(fā)明的方案，利用能夠以高于基礎網 絡頻率的所述頻率工作并因而能夠校正功率因數(shù)的開關部件，實現(xiàn)了連接在網絡電橋和供 電網絡之間的設備。因為被供應給變頻器的輸入的電壓是DC電壓，所以可以這樣利用將在 輸入電橋中使用的二極管。 本發(fā)明的方法和設備的優(yōu)點在于，提供了考慮到了各種需求的能夠利用傳統(tǒng)變頻
器的簡單配置，在存在不同需求的情況下，在應用中不需要在變頻器中做出改變。 此外，本發(fā)明的方案避免了由于大扼流器部件而導致的缺點，并且變頻器中供電
電流的曲線形狀可以被修正為與網絡電壓的曲線形狀和相位角相對應。
在下文中將參照附圖并針對優(yōu)選實施例來更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中 圖l是變頻器的框圖； 圖2示出了提供有二極管電橋的變頻器的供電電流和電壓； 圖3示出了本發(fā)明的功率因數(shù)校正單元； 圖4示出了用于校正功率因數(shù)的替代結構； 圖5是連接到變頻器的本發(fā)明的功率因數(shù)校正單元的框圖； 圖6示出了用于單相供電網絡的功率因數(shù)校正電路的例子；以及 圖7示出了用于三相供電網絡的功率因數(shù)校正電路的例子。
具體實施例方式
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的框圖，該設備可作為單元連接在供電AC電壓網絡
和變頻器的整流器電橋之間。旨在用于單相系統(tǒng)的本發(fā)明的設備PFC包括輸入極ACinl和
ACin2。相應地，旨在用于三相系統(tǒng)的設備包括三個輸入極，稍后會在下文中參照圖7描述。
此外，圖3的設備包括兩個輸出極DCoutl和DCout2，并且根據(jù)本發(fā)明，通過它們可將DC電
壓供應給變頻器的輸入端，或者更確切地說，供應給網絡轉換器(即，變頻器的整流器)的
輸入。圖3也示出了將在下文中描述的AC電壓輸出ACoutl和ACout2。 圖5示出了連接在變頻器輸入端和供電網絡之間的本發(fā)明的設備。功率因數(shù)校正
電路PFC接收單相電壓，并根據(jù)該電壓形成DC電壓，該DC電壓將被供應給變頻器的二極管
電橋51(S卩，被供應給變頻器的輸入端)。因為由功率因數(shù)校正電路產生的電壓是DC電壓，
所以二極管電橋使該電壓通過以到達中間電路的電容器52。此外，逆變部分(即逆變器53)
可以根據(jù)中間電路的該DC電壓，形成用于以傳統(tǒng)方式控制負載的AC電壓。 根據(jù)本發(fā)明，因為供應給整流器的電壓是DC電壓，所以在單相供電的情況中，在
二極管電橋中只有兩個二極管有負載。對問題的研究揭示出，盡管負載不均勻，但是考慮到
二極管固有的效用，有負載的這些二極管的負載并不顯著改變。這是由于以下事實在使用功率因數(shù)校正單元時，輸入電流幾乎是正弦的，因而對比于不使用功率因數(shù)校正電路的情 形，電流的有效值接近于減半。 圖6示出了適合用于校正功率因數(shù)的電路。所示電路是升壓型(boost-type)的， 即電壓上升電路，其中，一個可控半導體開關61以期望的方式提供功率因數(shù)校正。在該電 路中運行有獨立元件62，該獨立元件62接收來自供電的必要工作電壓、進行必要的測量并 且獨立控制所需的功率半導體61以提供期望的效果。由元件62進行的必要的測量包括 示出的輸入電壓Uin、輸出電壓Uout和輸入電流Iin的測量。為了進行控制，該元件可能也 需要關于構成PFC電路的負載的中間電路的電壓的信息，其中在通過連接器ACinl和ACin2 的電流偏離零時，在有源開關61處于非導通狀態(tài)的情況下，通過測量在示出的輸出連接器 ACoutl和ACout2之間的電壓來確定該電壓。因此，只有該單元的外部連接器是用于連接該 單元所需的輸入和輸出連接器。 圖6示出的電路包括構成整流器電橋的二極管D1、D2、D3和D4，以及二極管D5和 D6。此外，該電路包括連接到用于接收控制數(shù)據(jù)sw的元件62的所述可控開關61。而且該 電路具有升壓電路典型的比較低的電感。圖6未示出待連接在該電路的輸出端DCoutl和 DCout2之間的濾波。包括電容器和電感的輕容感型(light CL-type)濾波器已足夠用來濾 波。 因為本發(fā)明的設備是電壓上升的所謂升壓型設備，所以其也允許電壓不同的兩個 系統(tǒng)以簡單的方式彼此適配，因而也實現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)點。例如，用于連接到115V的供電 網絡的本發(fā)明的設備可供設計用于230V電壓的變頻器使用。 圖3和圖6也用虛線示出了本發(fā)明的設備中的輸出ACoutl和ACout2。這些輸出 用于變頻器的輸入電橋包括快速二極管的替代方案。在圖4中示出了根據(jù)該原理的框圖， 其中連接在變頻器前面的設備產生連接到變頻器的二極管電橋的輸入端的AC電壓。然后， 功率因數(shù)校正電路在其輸出處產生待在逆變器中被整流的高頻AC電壓。如上文所述，逆變 器的輸入電橋由通常能夠以網絡頻率整流的二極管形成，因此，一般而言，變頻器的輸入電 橋不能以期望的方式處理這樣的高頻AC電壓。 但是，如果網絡電橋包括快速二極管(例如快速恢復二極管)，則可以想到，功率 因數(shù)校正電路為變頻器產生AC電壓。根據(jù)圖6的電路可見，在該電路中通過用二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6將AC電壓輸出ACoutl和ACout2整流，形成了 DC電壓輸出DCoutl和 DCout2。換言之，同一功率因數(shù)校正電路只使用一個可控部件就產生了 DC電壓輸出和AC 電壓輸出。 圖7示出了適合用于三相供電電壓的本發(fā)明的設備的例子。該設備包括由二極管 Dp D2、 D3、 D4、 D5和D6構成的三相二極管電橋和被連接到該電橋的可控開關1\、 T2、 T3、 T4、 T5 和T6，通過這些開關可以瞬間使輸入相短路，使得可以設定連接到電橋的輸入端的電感L的 電壓以便實現(xiàn)期望的功率因數(shù)校正操作。圖7的電路包括兩個輸出DCoutl和DCout2，根 據(jù)本發(fā)明，這兩個輸出被連接到變頻器的三相二極管電橋的輸入，使得留下所述輸入中的 一個不使用。從而，變頻器的三相整流器電橋只使用六個二極管中的兩個，但最終結果是 在沒有改動實際變頻器并且能夠以通常的方式使用變頻器的情況下實現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)點 (即改進的網絡特性)。用與圖6相同的方式，濾波器將被連接到圖7中電路的輸出端。
如果變頻器的三相輸入電橋被提供有快速二極管，則可以用功率因數(shù)校正單元通過使用以虛線表示的輸出ACoutl、ACout2和ACout3來向變頻器的輸入電橋供應三相AC電 壓。如圖7所示，由使用功率因數(shù)校正電路的二極管來將這些AC輸出的電壓整流以形成DC 輸出。因此，同一開關控制允許生成AC輸出電壓和DC輸出電壓。 顯然，通過進行功率因數(shù)校正并且任意地連接在變頻器和供電網絡之間的任意單
元，都可以實現(xiàn)本發(fā)明的思想。根據(jù)本發(fā)明，變頻器用DC電壓供電，因而不需要在變頻器的
輸入電橋中做出改變。本發(fā)明的設備以所述方式耦合的事實使得可以在電壓饋電中使用更
小的熔斷器尺寸，并且不需要為了逆變器產生的諧波而強化供電網絡。 本領域的技術人員顯然可以認識到，可以用各種方式實現(xiàn)本發(fā)明的基本思想。因
而，本發(fā)明及其實施例不限于上文描述的例子，而可以在權利要求的范圍內變化。
權利要求
一種針對變頻器的用于校正所述變頻器的功率因數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括在所述變頻器的整流器電橋(51)和供電AC電壓網絡之間連接功率因數(shù)校正單元(PFC)，利用所述功率因數(shù)校正單元(PFC)根據(jù)所述供電網絡的AC電壓生成DC電壓，經由所述變頻器的整流器電橋(51)向所述變頻器提供所生成的DC電壓。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述功率因數(shù)校正單元生成DC電壓 還包括相對于經整流的網絡電壓的量值來提高DC電壓的量值的步驟。
3. 根據(jù)權力要求1或2所述的方法，其特征在于，利用所述功率因數(shù)校正單元生成DC 電壓包括在所述功率因數(shù)校正單元中進行一個或多個電壓或者電流的測量，以及 基于在所述功率因數(shù)校正單元中進行的所述測量，控制包括在所述功率因數(shù)校正單元 中的功率因數(shù)校正電路的一個或多個可控開關部件。
4. 一種用于變頻器的功率因數(shù)校正單元，包括 輸入連接器，用于連接到AC電壓供電裝置(ACinl、ACin2)，一個或多個電流和/或者電壓測量裝置，其被配置成測量所述功率因數(shù)校正單元 (PFC)的內部量，功率因數(shù)校正電路，其被配置成基于所述功率因數(shù)校正單元的內部測量來進行功率因 數(shù)校正，以及輸出連接器，用于將所述功率因數(shù)校正單元連接到所述變頻器的整流器電橋；其特征 在于，所述功率因數(shù)校正電路被配置成為其輸出連接器生成DC電壓，所述DC電壓被配置成 供給到所述變頻器的所述整流器電橋。
全文摘要
公開了變頻器中的方法和設備，具體地，是一種針對變頻器的用于校正所述變頻器的功率因數(shù)的方法以及一種功率因數(shù)校正單元。所述方法包括在所述變頻器的整流器電橋(51)和供電AC電壓網絡之間連接所述功率因數(shù)校正單元(PFC)；利用所述功率因數(shù)校正單元(PFC)根據(jù)所述供電網絡的AC電壓生成DC電壓；以及經由所述變頻器的整流器電橋(51)向所述變頻器提供所生成的DC電壓。
文檔編號H02M5/00GK101753041SQ20091022570
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權日2008年11月28日
發(fā)明者泰勒·維塔寧 申請人:Abb公司