专利名称：一种无源功率因数补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术中功率因数校正领域，更具体地涉及一种无源功率因素补偿装置。
现有高频开关整流器与传统的相控整流器相比，具有体积小、重量轻、噪声低、效率高、易扩容等优点，因而在通信领域中，它正逐步取代相控整流器。而许多高频开关整流器采用单相全波整流电路作为输入级，如
图1所示。图1为现有高频开关整流器所采用的单相全波整流滤波电路。它包括由二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥101和电容C1。图中VA为输入交流电压，IA为输入电流。有关的电压、电流波形如图2A-2B所示。图2A和图2B分别为图1中输入电压VA和输入电流IA的波形，其中横坐标为时间参数T，纵坐标为幅度P。从图2B中可以发现输入电流IA波形发生了很大的畸变，由此可判断此电路的功率因数很低。功率因数PF可用下式表示。
PF＝I1Cosθ/Is……(1.1)式中θ表示输入基波电流与电压的相位差，I1为输入电流的基波有效值，Is为输入电流总有效值。由于IA波形中的低次谐波分量很大(3、5、7、9等次)，使得单相全波整流电路的功率因数PF值很低(≤0.6)，而邮电部的入网标准是PF≥0.92，因此有必要采取措施改善输入电流波形，减小波形畸变，以满足入网标准。
目前提高功率因数有许多方法，最基本的方法是无源整形法和有源整形法。无源整形法指矫正电路仅由电感、电容组成。图3为现有用电感进行功率因数校正的单相整流滤波电路。如图所示，图3为一种采用L-C滤波器对输入电流整形以提高功率因数的常用电路，由于加了电感L，限制了二极管D1-D4电流的上升率，延长了导通时间，减小了输入电流的失真度，从而使功率因数有所提高。这种方法的优点是简单可靠，但存在如下缺点(1)整形后的电流波形质量仍不高，并随负载变化，特别是在轻载情况下难以满足国标要求。
(2)由于电路工作在工频，所以要求电感值大，带来体积重量和费用问题。
图4为现有带有源功率因数校正电路的整流滤波电路。如图4所示，有源整形法是指在整流桥401和电容C间加入包括开关变换器403和控制电路404的可控功率因数校正器402，通过功率因数校正器402的作用实现提高功率因数目的。这种方法可以将功率因数矫正到接近1.0，并适用宽的负载变化范围。缺点是控制电路复杂，故成本高，同时由于器件多，可靠性低，还因开关器件工作在高频，使高频干扰变得更为严重。
在通信领域，电源系统一般由多个整流器并联组成，输入为三相工频电压，对单相整流器组成的系统，必须采用三相四线制，图5为现有电源系统。它包括交流配电501和整流器1(502)、整流器2(503)、整流器N(504)等多个并联的整流器。A、B、C、N为三相交流电输入端；如图5所示。图中Ia、Ib、Ic、IN分别表示A、B、C三相线电流及中线N的电流；V0为输出电压。其对应的电流波形如图6所示。图6A-6D为图5中Ia、Ib、Ic、In的波形图。Ia、Ib、Ic分别可用下式表示。
Ia＝∑IanSin(nwt)…… (1.2)Ib＝∑IbnSin(n(wt-2π/3))…… (1.3)Ic＝∑IcnSin(n(wt+2π/3))…… (1.4)其中Ian＝Ibn＝Icn＝In为a、b、c三相线电流各次谐波幅值，ω为角频率，且ω＝2π×50＝100π，n表示谐波次数，n＝1表示基波。根据基尔霍夫电流定理有IN=Ia+Ib+Ic={0n≠3k k=1,2,3···(1.5)Σ3Insin(nwt)n=3k k=1,2,3···]]>上式表明IN中含3及3的倍数次谐波电流，其幅值为对应各相线电流中3及3的倍数次谐波的3倍。由于3及3的倍数次谐波分量在输入线电流Ia、Ib、Ic中占有很大的比重，因此中线电流IN很大，由此会带来如下问题(1)增大中线损耗。
(2)引起中点偏移，导致三相电压不平衡。
增大中线的直径可以减小中线的损耗，但这必然加大成本和导致布线困难。如图7所示，为了从根本上去掉中线，可以在用电设备前增加一三角形连接至星形连接转换变压器601，但是三相不平衡的问题未得到解决，用电设备对电网的危害仍然很大。
本发明的目的就是提供一种三相三线制到三相四线输入转换的同时将功率因数提高到邮电部入网标准以上的无源功率因数补偿装置，以减小用电设备对电网的危害。
为达到上述目的的本发明装置包括一输入为三相三线制，输出为三相四线制变压器，该变压器由分别三相铁芯及绕在三相铁芯的各相铁芯柱上的六个绕组A绕组、B绕组、C绕组、D绕组、E绕组、F绕组组成，每个铁芯柱上绕两个绕组，所有绕组的匝数均相等。其中由A绕组、D绕组反串组成A相，由C绕组、F绕组反串组成B相，由B绕组、E绕组反串组成C相，B绕组、D绕组、F绕组的另同名端连在一起作为中点。
由上述本发明装置的结构和实验结果表明，本发明装置具有以下优点和效果本发明装置在实现了从电网三相三线制到电源系统三相四线制的变换、取消输入中线的基础上，利用简单的线路和无源器件即将设备的功率因数PF值提高到邮电部入网的标准以上，经实测高达0.96，其体积小，成本低。
下面结合附图和对本发明装置具体实施例及其效果作进一步的说明。
图1为现有单相全波整流滤波电路。
图2A-2B分别为图1中电压VA和输入电流IA的波形。
图3为用电感进行功率因数校正的现有单相整流滤波电路。
图4为现有带有源功率因数校正电路的整流电路。
图5为现有开关电源系统组成框图。
图6A-6D分别为图5中三相输入电流波形及中线电流波形。
图7为说明现有电源系统解决从三相三线制到三相四线制转换问题的示意图。
图8为本发明电路原理图。
图9为本发明装置的一个具体实施例的示意图。
图8为本发明的电路原理图。其中A1、B1、C1为市电三相输入端，A2、B2、C2、N为输出到用电设备的三相线及零线的输出端。图中带圆点“·”端表示同名端，A绕组W1、B绕组W2、C绕组W3、D绕组W4、E绕组W5、F绕组W6分别为匝数相同的线圈。其中由A绕组W1、D绕组W4反串组成A相，由C绕组W3、F绕组W6反串组成B相，由E绕组W5、B绕组W2反串组成C相，B绕组W2、D绕组W4、F绕组W6的另一同名端N连在一起作为中点。IA1、IB1、IC1分别表示从电网输入的电流，I1、I2。I3表示变压器三相绕组中流过的电流，IA2、IB2、IC2、IN表示变压器输出即送往用电设备或其交流配电屏的相电流和中线电流。且有I1＝I2＝I3＝1/3IN……(1.6)IA1＝IA2－I3＝1/3(2IA2－IB2－IC2)……(1.7)IB1＝IB2－I2＝1/3(2IB2－IA2－IC2)……(1.8)IC1＝IC2－I1＝1/3(2IC2－IB2－IA2)……(1.9)由式(1.2)、(1.3)、(1.4)、(1.8)、(1.7)、(1.9)可知IA、IB、IC中的三及三的倍数次谐波电流为零。而基波及其它各次谐波的幅值则与Ia、Ib、Ic中一致。由于比较Ia、Ib、Ic，从电网输入电源系统的三相线电流不含三及三的倍数次谐波，因此其失真减小，功率因数PF值得到大幅度的提高。
图9为本发明装置的一个具体实施例的示意图。其中A、B、C为三相线端头，N为中线端头，变压器T的铁芯T1为三相铁芯，A绕组W1、B绕组W2、C绕组W3、D绕组W4、E绕组W5、F绕组W6分别为匝数相同的线圈，且其连接关系符合图8的电路原理图的要求。为了减小变压器T的体积，变压器T的铁芯T1为低损耗、高饱和磁感应强度的铁磁材料冷轧取向电工硅钢片，其型号为DQ147G-30。另外，还有一种低损耗、高饱和磁感应强度的铁磁材料为铁基非晶合金。也可以用它来代替冷轧取向电工硅钢片制作变压器T的铁芯。
虽然以上已以最佳实施方式详细描述了本发明的主要技术特征和优点，但本发明的保护范围显然并不局限于以上实施例，而是包括本领域技术人员由上述创造构思可能作出的各种显而易见的替换方案。
权利要求
1.一种无源功率因素补偿装置，它包括一变压器(T)，该变压器(T)由三相铁芯(T1)及分别绕在三相铁芯(T1)的各相铁芯柱上的六个绕组A绕组(W1)，B绕组(W2)、C绕组(W3)、D绕组(W4)、E绕组(W5)、F绕组(W6)组成，每个铁芯柱上绕两个绕组，其特征在于A相由A绕组(W1)、D绕组(W4)反串组成，B相由C绕组(W3)、F绕组(W6)反串组成，C相由E绕组(W5)、B绕组(W2)反串组成，B绕组(W2)、D绕组(W4)、F绕组(W6)的同名端(N)连在一起作为中点。
2.如权利要求1所述无源功率因素补偿装置，其特征在于所述六个绕组A绕组(W1)，B绕组(W2)、C绕组(W3)、D绕组(W4)、E绕组(W5)、F绕组(W6)的匝数均相等。
3.如权利要求2所述无源功率因素补偿装置，其特征在于所述变压器(T)采用E型结构铁芯。
4.如权利要求3所述无源功率因素补偿装置，其特征在于所述变压器(T)的三相铁芯(T1)采用低损耗铁磁材料。
5.如权利要求4所述无源功率因素补偿装置，其特征在于所述变压器(T)的三相铁芯(T1)采用的所述低损耗铁磁材料为铁基非晶合金。
6.如权利要求3所述无源功率因素补偿装置，其特征在于所述变压器(T)的三相铁芯(T1)采用高饱和磁感应强度铁磁材料。
7.如权利要求6所述无源功率因素补偿装置，其特征在于所述变压器(T)的三相铁芯(T1)采用的所述高饱和磁感应强度铁磁材料为冷轧电工硅钢。
全文摘要
一种无源功率因素补偿装置,包括一变压器T,该变压器T由三相铁芯T1及分别绕在三相铁芯T1的各相铁芯柱上的绕组W1,W2、W3、W4、W5、W6组成,每个铁芯柱上绕两个绕组,所有绕组的匝数均相等。其中由W1、W4反串组成A相,由W3、W6反串组成B相,由W5、W2反串组成C相,W2、W4、W6的同名端连在一起作为中点。经过实测,本发明装置可将设备的功率因数PF值提高到0.96。
文档编号H01F30/12GK1170984SQ97108900
公开日1998年1月21日 申请日期1997年4月25日 优先权日1997年4月25日
发明者童永胜, 刘铁庄 申请人:深圳市华为通信股份有限公司