CN104734531B - 变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种变频器，包括整流电路、功率因素校正电路和逆变电路，所述整流电路、所述功率因素校正电路和所述逆变电路依次连接，所述整流电路的一端与交流电源电连接，所述逆变电路与负载电连接。所述功率因素校正电路包括第一电感L2和第一晶体管Z1；所述第一电感包括第一绕组N1和第二绕组N2，所述第一绕组N1与所述第二绕组N2串联；所述第二绕组N2的同名端与第一晶体管Z1的集电极电连接，所述第一电感L2的抽头耦合至逆变电路，所述第一绕组N1的异名端耦合至所述整流电路；所述第一晶体管Z1的发射极耦合至地，所述整流电路的一端耦合至地。本发明的变频器，降低了直流母线的电压，从而降低了晶体管的损耗，使得该变频器节省了电能。
Description
技术领域
本发明涉及变频器技术领域，特别是涉及一种节能的变频器。
背景技术
如图1为现有技术的变频器，其自身的工作特点决定了其中的晶体管Z2～Z7在高压大电流的情况下存在频繁开关动作，这将导致晶体管产生较大的通态损耗及开关损耗，从而降低了逆变电路的逆变效率。其中，逆变电路的逆变效率为逆变电路的输出功率与输入功率的比值。同时，晶体管Z2～Z7在高压大电流的情况下频繁开关动作，导致了晶体管的工作温度较高，使得晶体管的可靠性降低；为此，需要专门设计散热装置，成本较高。
发明内容
鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种变频器，使得逆变电路的直流母线电压降低，从而实现逆变电路中晶体管的高压大电流开关向低压大电流开关的转变，降低逆变电路中晶体管的通态损耗及开关损耗。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变频器，包括整流电路、功率因素校正电路和逆变电路，所述整流电路、所述功率因素校正电路和所述逆变电路依次连接，所述整流电路的一端与交流电源电连接，所述逆变电路与负载电连接；
所述功率因素校正电路包括第一电感L2和第一晶体管Z1；
所述第一电感包括第一绕组N1和第二绕组N2，所述第一绕组N1与所述第二绕组N2串联；
所述第二绕组N2的同名端与第一晶体管Z1的集电极电连接，所述第一电感L2的抽头耦合至逆变电路，所述第一绕组N1的异名端耦合至所述整流电路；
所述第一晶体管Z1的发射极耦合至地，所述整流电路的一端耦合至地。
在其中一个实施例中，所述功率因素校正电路还包括第二电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2和电容C1；
所述第二电感L1的一端耦合至所述整流电路，所述第二电感L1的另一端连接所述第一二极管D1和所述第二二极管D2的阳极；
所述第一二极管D1的阴极与所述第二绕组N2的同名端电连接，所述第二二极管的阴极与所述第一绕组的异名端电连接；
所述电容C1的一端连接第二二极管D2的阴极和所述第一绕组N1的异名端，所述电容的另一端耦合至地。
在其中一个实施例中，所述电容C1为电解电容；
所述电容C1的正极连接第二二极管D2的阴极和所述第一绕组N1的异名端，所述电容C1的负极耦合至地。
在其中一个实施例中，所述逆变电路包括六个晶体管，分别为第二晶体管Z2、第三晶体管Z3、第四晶体管Z4、第五晶体管Z5、第六晶体管Z6和第七晶体管Z7；
所述第二晶体管Z2、所述第三晶体管Z3和所述第四晶体管Z4的集电极均连接至所述第一电感L2的抽头；
所述第二晶体管Z2的发射极与所述第五晶体管Z5的集电极电连接，所述第三晶体管Z3的发射极与所述第六晶体管Z6的集电极电连接，所述第四晶体管Z4的发射极与所述第七晶体管Z7的集电极电连接；
所述第五晶体管Z5、所述第六晶体管Z6和所述第七晶体管Z7的发射极耦合至地。
在其中一个实施例中，所述第一晶体管Z1至所述第七晶体管Z7均为NPN型双极晶体管。
在其中一个实施例中，所述负载为电机，所述电机的三相分别连接至所述第二晶体管Z2的发射极，所述第三晶体管Z3的发射极和所述第四晶体管Z4的发射极。
在其中一个实施例中，所述整流电路为整流桥。
本发明的有益效果是：
本发明的变频器，逆变电路的直流母线的上桥臂从第一电感的中间取电，在逆变电路中的晶体管的开关动作之前，先控制第一晶体管导通，从而降低了直流母线的电压，实现了逆变电路中晶体管的高电压大电流开关向低压大电流开关转变，从而降低了晶体管的通态损耗及开关损耗，使得该变频器节省了电能。同时，该变频器实现了功率因素校正的功能和直流母线电压调节的功能。
附图说明
图1为现有技术的变频器的电路原理图；
图2为本发明的变频器的一实施例的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本发明的变频器作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。
如图2所示为本发明的变频器的一实施例的电路原理图，该变频器包括整流电路、功率因素校正电路和逆变电路。其中，整流电路的一端与交流电源电连接，整流电路与功率因素校正电路和逆变电路依次电连接，逆变电路与负载电连接。优选地，该整流电路为整流桥，该整流桥DB1由四个二极管组成，用于将交流电源转化为直流电源。
功率因素校正电路包括第一电感L2和第一晶体管Z1。第一电感L2包括第一绕组N1和第二绕组N2，且第一绕组N1与第二绕组N2串联。应当清楚的是，此处的串联是指第一绕组N1的同名端与第二绕组N2的异名端串联。
第二绕组N2的同名端与第一晶体管Z1的集电极电连接，第一电感L2的抽头耦合至逆变电路，第一绕组N1的异名端耦合至整流电路。第一晶体管Z1的发射极耦合至地。优选地，第一晶体管Z1为NPN型双极晶体管。
优选地，逆变电路为三相逆变电路。第二晶体管Z2、第三晶体管Z3和第四晶体管Z4的集电极均连接至第一电感L2的抽头，即第二晶体管Z2、第三晶体管Z3和第四晶体管Z4的集电极均连接至第一绕组N1的同名端。第五晶体管Z5、第六晶体管Z6和第七晶体管Z7的发射极耦合至地。
第二晶体管Z2的发射极与第五晶体管Z5的集电极电连接，第二晶体管Z2的基极连接U相的上桥臂PWM控制信号UP，第五晶体管Z5的基极连接U相的下桥臂PWM控制信号UN。第三晶体管Z3的发射极与第六晶体管Z6的集电极电连接，第三晶体管Z3的基极连接V相的上桥臂PWM控制信号VP，第六晶体管Z6的基极连接V相的下桥臂PWM控制信号VN。同理，第四晶体管Z4的发射极与第七晶体管Z7的集电极电连接，第四晶体管Z4的基极连接W相的上桥臂PWM控制信号WP，第七晶体管Z7的基极连接W相的下桥臂PWM控制信号WN。
优选的，第二晶体管Z2至第七晶体管Z7均为NPN型双极晶体管。在本实施例中，负载为电机。且电机的U相连接至第二晶体管Z2的发射极，电机的V相连接至第三晶体管Z3的发射极，电机的W相连接至第四晶体管Z4的发射极。
在逆变电路中晶体管的开关动作之前，先控制第一晶体管导通，逆变电路的直流母线的上桥臂P极从第一电感的中间取电，降低了直流母线的上桥臂P极的电压，实现了逆变电路中晶体管的高电压大电流开关向低压大电流开关的转变，降低了逆变电路中晶体管的通态损耗及开关损耗，使得该变频器的损耗降低了30%，实现了变频器的节能功能。
第一晶体管Z1的导通后，再控制逆变电路中的晶体管Z2～Z7的开关动作，从而将直流母线的上桥臂P极电压降低至较低的电压值。在本实施例中，直流母线的上桥臂P极的电压值根据N2/（N1+N2）的值决定，然后再按照电机的控制要求来控制晶体管Z2～Z7的开关状态转换。即在本实施例中，第二绕组N2的两端的电压值为直流母线的上桥臂P极的电压值，因此，可以按照电机的控制要求调节抽头电感L2的抽头的位置，进而实现直流母线的上桥臂P极的电压值的调节。
作为一种可实施方式，功率因素校正电路还包括第二电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2和电容C1。其中，第二电感L1的一端耦合至整流电路DB1，第二电感L1的另一端连接第一二极管D1和第二二极管D2的阳极。第一二极管D1的阴极与第二绕组N2的同名端电连接，第二二极管D2的阴极与第一绕组N1的异名端电连接。电容C1的一端连接第二二极管D2的阴极和第一绕组N1的异名端，电容的另一端耦合至地。
其中，第一二极管D1用于防止第一电感L2上的电流回流至交流电源，第二二极管D2用于防止电容C1上的电流回流至交流电源。优选的，电容C1为电解电容。且电容C1的正极连接第二二极管D2的阴极和第一绕组N1的异名端，电容C1的负极耦合至地。
当第一晶体管Z1导通时，交流电源经整流电路DB1整流后通过第一二极管D1、第一晶体管Z1形成的回路给第二电感L1充电，第二电感L1储存电能。此时通过控制第二电感L1和电容C1之间的充电和放电进行能量的交换，来维持感性负载的电磁感应过程。由于在正弦交流电路中，电容器的电压滞后电流90°，电感的电压超前电流90°，因此只要电容的容抗和电感的感抗搭配适当，就能够达到电网中电压和电流的相位相同，而交流电源不受影响，实现了功率因素校正的功能。
应当清楚的是，此处的功率因素是指系统的回路的有功功率与总功率的比值，功率因素可以衡量电力被有效利用的程度。功率因素的值越大，则电力的利用率越高，但最高不超过1。功率因素校正就是禁止电感性负载的电流（感性电流）回流到电网，始终要保持电网中的电压和电流的相位相同。
当第一晶体管Z1截止时，交流电源通过整流电路DB1整流后，通过第二电感L1、第二二极管D2给电容C1充电，电容C1储存电能。此时，第二电感L1中储存的能量通过第二二极管D2电容C1充电，电容C1通过第一电感L2向直流母线的上桥臂P极供电，可以实现直流母线电压提升的功能。这样当直流电压较低时，不需要增加额外的DC/DC升压式变换器，降低了变压器的成本，简化了电路结构。
当逆变电路的负载变化时，如电机的线圈的匝数发生改变时，可以采取特定的控制策略，该控制策略可以是维持死区时间不变或改变逆变电路或改变第一晶体管Z1的开关频率的方式等。通过上述特定的控制策略保持功率因素校正电路输出恒定的电压，满足电机控制的要求。
上述的变频器，逆变电路的直流母线的上桥臂从第一电感的中间取电，在逆变电路中的晶体管的开关动作之前，先控制第一晶体管导通，从而降低了直流母线的电压，实现了逆变电路中晶体管的高电压大电流开关向低压大电流开关转变，从而降低了晶体管的通态损耗及开关损耗，使得该变频器节省了电能。同时，该变频器实现了功率因素校正的功能和直流母线电压调节的功能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种变频器，包括整流电路、功率因素校正电路和逆变电路，所述整流电路、所述功率因素校正电路和所述逆变电路依次连接，所述整流电路的一端与交流电源电连接，所述逆变电路与负载电连接，其特征在于：
所述功率因素校正电路包括第一电感L2和第一晶体管Z1；
所述第一电感包括第一绕组N1和第二绕组N2，所述第一绕组N1与所述第二绕组N2串联；
所述第二绕组N2的同名端与第一晶体管Z1的集电极电连接，所述第一电感L2的抽头耦合至逆变电路，所述第一绕组N1的异名端耦合至所述整流电路；
所述第一晶体管Z1的发射极耦合至地，所述整流电路的一端耦合至地；
在所述逆变电路中的晶体管的开关动作之前，先控制所述第一晶体管导通，所述逆变电路的直流母线的电压值由N2/（N1+N2）的值决定。
2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于：
所述功率因素校正电路还包括第二电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2和电容C1；
所述第二电感L1的一端耦合至所述整流电路，所述第二电感L1的另一端连接所述第一二极管D1和所述第二二极管D2的阳极；
所述第一二极管D1的阴极与所述第二绕组N2的同名端电连接，所述第二二极管D2的阴极与所述第一绕组N1的异名端电连接；
所述电容C1的一端连接所述第二二极管D2的阴极和所述第一绕组N1的异名端，所述电容的另一端耦合至地。
3.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于：
所述电容C1为电解电容；
所述电容C1的正极连接所述第二二极管D2的阴极和所述第一绕组N1的异名端，所述电容C1的负极耦合至地。
4.根据权利要求1-3任一项所述的变频器，其特征在于：
所述逆变电路包括六个晶体管，分别为第二晶体管Z2、第三晶体管Z3、第四晶体管Z4、第五晶体管Z5、第六晶体管Z6和第七晶体管Z7；
所述第二晶体管Z2、所述第三晶体管Z3和所述第四晶体管Z4的集电极均连接至所述第一电感L2的抽头；
所述第二晶体管Z2的发射极与所述第五晶体管Z5的集电极电连接，所述第三晶体管Z3的发射极与所述第六晶体管Z6的集电极电连接，所述第四晶体管Z4的发射极与所述第七晶体管Z7的集电极电连接；
所述第五晶体管Z5、所述第六晶体管Z6和所述第七晶体管Z7的发射极耦合至地。
5.根据权利要求4所述的变频器，其特征在于：
所述第一晶体管Z1至所述第七晶体管Z7均为NPN型双极晶体管。
6.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于：
所述负载为电机，所述电机的三相分别连接至所述第二晶体管Z2的发射极，所述第三晶体管Z3的发射极和所述第四晶体管Z4的发射极。
7.根据权利要求6所述的变频器，其特征在于：
所述整流电路为整流桥。
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