专利名称：变频器中的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及变频器，并且尤其涉及对变频器的输入供电电流的波形的改进。
背景技术：
典型的单相或三相供电的二极管整流器的输入供电电流是严重失真的。图1示 出了待连接到单相供电网络的变频器的例子，该变频器包括二极管整流器1、 DC (Direct Current，直流)中间电路2和可以向三相负载供电的逆变器。 在整流器的DC电压侧的中间电路的一个或多个电容器构成了逆变器的能量存储 装置。然而，电容器中的充电电压限制了二极管电桥的导电时间，因为已知只有在供电网络 的主电压高于中间电路的DC电压时，能量才被传递到DC电压中间电路。从而，只有在接近 网络电压的峰值时刻的短暂时期能量才被传递到中间电路。因而，被传递到中间电路的能 量是以高而短的电流尖峰形式被传递的。 高电流尖峰增加了设备的输入电流的有效值，因而例如线缆的熔断保护和热定值 必须比要被利用的实际性能更高。此外，高电流尖峰增加了所有暴露于高电流尖峰的部件 的压力。图2示出了在没有附加滤波的情况下生成整流器(具有容性DC电压电路能量存 储装置)的3. 3kW的DC功率的情形的例子，因而电流尖峰只受AC (Alternating Current, 交流)网络的变压器和线缆的阻抗的限制。电流尖峰的最大值约为IOOA而有效值约为 28. 8A。如果以与电压具有相同相位的正弦电流来传递同样的平均功率，则电流峰值将仅约 为20. 3A而有效值约为14. 3A。 为了降低电流尖峰，即对供电电流进行滤波，常常将无源扼流器添加到整流器。该 做法的缺陷在于所需扼流器的尺寸、重量和价格随滤波的需求增加而显著增加。此外，因为
滤波能力是通过增加扼流器电感L来加强的，所以在扼流器中发生的电压损耗"=丄+随滤 波需求的增加而增加。 —种降低电流失真的方式是用包括有源功率因数校正的整流器来替代二极管整 流器，因而该设备总是具有高质量的供电电流。有源功率因数校正的缺陷在于实际设备诸 如变频器等的结构会改变，从而其制造成本也常常会增加。在客户不关心供电电流的质量 并且增加的成本不为客户提供任何实际的附加价值的情形中，成本的增加导致了特定的问 题。因为相同的产品可以在所流行的标准相差很大的地区使用，而在某些地区关于网络效 果的标准更加严格，所以在供电电流的质量标准方面出现了相应的情形。
发明内容
本发明的目标在于提供方法和实现所述方法的设备，使得以上问题得以解决。用 以独立权利要求中声明的内容为特征的方法和设备来实现该目标。在从属权利要求中公开 了本发明的优选实施例。 本发明基于在变频器和供电网络之间连接单独的电工设备来充当功率因数校正
3电路的思想。可以将这种类型的任意设备直接连接在变频器和供电网络之间，而不需要在 实际变频器中进行改变。 根据本发明的思想，功率因数校正电路在其输出端形成DC电压。该DC电压被进 一步供应给逆变器的整流部分，该整流部分包括在典型逆变器的传统配置中。典型逆变器 的整流部分包括其二极管被设计为以供电频率工作的二极管电桥。换言之，标准变频器的 网络电桥的二极管不适合以更高的频率使用。根据本发明的方案，利用能够以高于基础网 络频率的所述频率工作并因而能够校正功率因数的开关部件，实现了连接在网络电桥和供 电网络之间的设备。因为被供应给变频器的输入的电压是DC电压，所以可以这样利用将在 输入电桥中使用的二极管。 本发明的方法和设备的优点在于，提供了考虑到了各种需求的能够利用传统变频
器的简单配置，在存在不同需求的情况下，在应用中不需要在变频器中做出改变。 此外，本发明的方案避免了由于大扼流器部件而导致的缺点，并且变频器中供电
电流的曲线形状可以被修正为与网络电压的曲线形状和相位角相对应。
在下文中将参照附图并针对优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中 图l是变频器的框图； 图2示出了提供有二极管电桥的变频器的供电电流和电压； 图3示出了本发明的功率因数校正单元； 图4示出了用于校正功率因数的替代结构； 图5是连接到变频器的本发明的功率因数校正单元的框图； 图6示出了用于单相供电网络的功率因数校正电路的例子；以及 图7示出了用于三相供电网络的功率因数校正电路的例子。
具体实施例方式
图3示出了根据本发明的设备的框图，该设备可作为单元连接在供电AC电压网络
和变频器的整流器电桥之间。旨在用于单相系统的本发明的设备PFC包括输入极ACinl和
ACin2。相应地，旨在用于三相系统的设备包括三个输入极，稍后会在下文中参照图7描述。
此外，图3的设备包括两个输出极DCoutl和DCout2，并且根据本发明，通过它们可将DC电
压供应给变频器的输入端，或者更确切地说，供应给网络转换器(即，变频器的整流器)的
输入。图3也示出了将在下文中描述的AC电压输出ACoutl和ACout2。 图5示出了连接在变频器输入端和供电网络之间的本发明的设备。功率因数校正
电路PFC接收单相电压，并根据该电压形成DC电压，该DC电压将被供应给变频器的二极管
电桥51(S卩，被供应给变频器的输入端)。因为由功率因数校正电路产生的电压是DC电压，
所以二极管电桥使该电压通过以到达中间电路的电容器52。此外，逆变部分(即逆变器53)
可以根据中间电路的该DC电压，形成用于以传统方式控制负载的AC电压。 根据本发明，因为供应给整流器的电压是DC电压，所以在单相供电的情况中，在
二极管电桥中只有两个二极管有负载。对问题的研究揭示出，尽管负载不均匀，但是考虑到
二极管固有的效用，有负载的这些二极管的负载并不显著改变。这是由于以下事实在使用功率因数校正单元时，输入电流几乎是正弦的，因而对比于不使用功率因数校正电路的情 形，电流的有效值接近于减半。 图6示出了适合用于校正功率因数的电路。所示电路是升压型(boost-type)的， 即电压上升电路，其中，一个可控半导体开关61以期望的方式提供功率因数校正。在该电 路中运行有独立元件62，该独立元件62接收来自供电的必要工作电压、进行必要的测量并 且独立控制所需的功率半导体61以提供期望的效果。由元件62进行的必要的测量包括 示出的输入电压Uin、输出电压Uout和输入电流Iin的测量。为了进行控制，该元件可能也 需要关于构成PFC电路的负载的中间电路的电压的信息，其中在通过连接器ACinl和ACin2 的电流偏离零时，在有源开关61处于非导通状态的情况下，通过测量在示出的输出连接器 ACoutl和ACout2之间的电压来确定该电压。因此，只有该单元的外部连接器是用于连接该 单元所需的输入和输出连接器。 图6示出的电路包括构成整流器电桥的二极管D1、D2、D3和D4，以及二极管D5和 D6。此外，该电路包括连接到用于接收控制数据sw的元件62的所述可控开关61。而且该 电路具有升压电路典型的比较低的电感。图6未示出待连接在该电路的输出端DCoutl和 DCout2之间的滤波。包括电容器和电感的轻容感型(light CL-type)滤波器已足够用来滤 波。 因为本发明的设备是电压上升的所谓升压型设备，所以其也允许电压不同的两个 系统以简单的方式彼此适配，因而也实现了本发明的优点。例如，用于连接到115V的供电 网络的本发明的设备可供设计用于230V电压的变频器使用。 图3和图6也用虚线示出了本发明的设备中的输出ACoutl和ACout2。这些输出 用于变频器的输入电桥包括快速二极管的替代方案。在图4中示出了根据该原理的框图， 其中连接在变频器前面的设备产生连接到变频器的二极管电桥的输入端的AC电压。然后， 功率因数校正电路在其输出处产生待在逆变器中被整流的高频AC电压。如上文所述，逆变 器的输入电桥由通常能够以网络频率整流的二极管形成，因此，一般而言，变频器的输入电 桥不能以期望的方式处理这样的高频AC电压。 但是，如果网络电桥包括快速二极管(例如快速恢复二极管)，则可以想到，功率 因数校正电路为变频器产生AC电压。根据图6的电路可见，在该电路中通过用二极管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6将AC电压输出ACoutl和ACout2整流，形成了 DC电压输出DCoutl和 DCout2。换言之，同一功率因数校正电路只使用一个可控部件就产生了 DC电压输出和AC 电压输出。 图7示出了适合用于三相供电电压的本发明的设备的例子。该设备包括由二极管 Dp D2、 D3、 D4、 D5和D6构成的三相二极管电桥和被连接到该电桥的可控开关1\、 T2、 T3、 T4、 T5 和T6，通过这些开关可以瞬间使输入相短路，使得可以设定连接到电桥的输入端的电感L的 电压以便实现期望的功率因数校正操作。图7的电路包括两个输出DCoutl和DCout2，根 据本发明，这两个输出被连接到变频器的三相二极管电桥的输入，使得留下所述输入中的 一个不使用。从而，变频器的三相整流器电桥只使用六个二极管中的两个，但最终结果是 在没有改动实际变频器并且能够以通常的方式使用变频器的情况下实现了本发明的优点 (即改进的网络特性)。用与图6相同的方式，滤波器将被连接到图7中电路的输出端。
如果变频器的三相输入电桥被提供有快速二极管，则可以用功率因数校正单元通过使用以虚线表示的输出ACoutl、ACout2和ACout3来向变频器的输入电桥供应三相AC电 压。如图7所示，由使用功率因数校正电路的二极管来将这些AC输出的电压整流以形成DC 输出。因此，同一开关控制允许生成AC输出电压和DC输出电压。 显然，通过进行功率因数校正并且任意地连接在变频器和供电网络之间的任意单
元，都可以实现本发明的思想。根据本发明，变频器用DC电压供电，因而不需要在变频器的
输入电桥中做出改变。本发明的设备以所述方式耦合的事实使得可以在电压馈电中使用更
小的熔断器尺寸，并且不需要为了逆变器产生的谐波而强化供电网络。 本领域的技术人员显然可以认识到，可以用各种方式实现本发明的基本思想。因
而，本发明及其实施例不限于上文描述的例子，而可以在权利要求的范围内变化。
权利要求
一种针对变频器的用于校正所述变频器的功率因数的方法，其特征在于，所述方法包括在所述变频器的整流器电桥(51)和供电AC电压网络之间连接功率因数校正单元(PFC)，利用所述功率因数校正单元(PFC)根据所述供电网络的AC电压生成DC电压，经由所述变频器的整流器电桥(51)向所述变频器提供所生成的DC电压。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述功率因数校正单元生成DC电压 还包括相对于经整流的网络电压的量值来提高DC电压的量值的步骤。
3. 根据权力要求1或2所述的方法，其特征在于，利用所述功率因数校正单元生成DC 电压包括在所述功率因数校正单元中进行一个或多个电压或者电流的测量，以及 基于在所述功率因数校正单元中进行的所述测量，控制包括在所述功率因数校正单元 中的功率因数校正电路的一个或多个可控开关部件。
4. 一种用于变频器的功率因数校正单元，包括 输入连接器，用于连接到AC电压供电装置(ACinl、ACin2)，一个或多个电流和/或者电压测量装置，其被配置成测量所述功率因数校正单元 (PFC)的内部量，功率因数校正电路，其被配置成基于所述功率因数校正单元的内部测量来进行功率因 数校正，以及输出连接器，用于将所述功率因数校正单元连接到所述变频器的整流器电桥；其特征 在于，所述功率因数校正电路被配置成为其输出连接器生成DC电压，所述DC电压被配置成 供给到所述变频器的所述整流器电桥。
全文摘要
公开了变频器中的方法和设备，具体地，是一种针对变频器的用于校正所述变频器的功率因数的方法以及一种功率因数校正单元。所述方法包括在所述变频器的整流器电桥(51)和供电AC电压网络之间连接所述功率因数校正单元(PFC)；利用所述功率因数校正单元(PFC)根据所述供电网络的AC电压生成DC电压；以及经由所述变频器的整流器电桥(51)向所述变频器提供所生成的DC电压。
文档编号H02M5/00GK101753041SQ20091022570
公开日2010年6月23日 申请日期2009年11月27日 优先权日2008年11月28日
发明者泰勒·维塔宁 申请人:Abb公司