專利名稱：一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路及控制方法。
背景技術(shù)：
鐵路機(jī)車從單相牽引電網(wǎng)取電，先通過變壓器變換成單相860V交流電，再通過機(jī)車600V供電柜變換成穩(wěn)定的直流600V向旅客列車供電，供電功率為2x400kW。機(jī)車600V供電柜一般采用半控橋相控整流穩(wěn)壓技術(shù)，其基本電路圖如圖1所示， 在高壓滿載情況下的典型網(wǎng)側(cè)電壓電流波形如圖2所示，在高壓半載情況下的典型網(wǎng)側(cè)電壓電流波形如圖3所示?？梢?，在輸入電壓較高或者負(fù)載不重時，網(wǎng)側(cè)電流基波的相位明顯滯后于網(wǎng)側(cè)電壓基波的相位，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不高，且隨著輸入電壓和負(fù)載變化而變化。 這將影響整個機(jī)車的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，增加線路損耗，加大各級變壓器容量，尤其是加大車載主變壓器的體積、重量，并進(jìn)而增加機(jī)車功耗。另外，因?yàn)榫чl管一旦開通就不能主動關(guān)斷， 半控橋相控整流穩(wěn)壓技術(shù)的動態(tài)響應(yīng)是比較差的。為解決這一問題，現(xiàn)有的采用如下方式，如一、四象限變流器技術(shù)或PFC整流技術(shù)，其電路拓?fù)淙鐖D4a、圖4b所示。這兩項(xiàng)技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，甚至實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化。其中四象限變流技術(shù)是鐵路機(jī)車主牽引變流器和輔助變流器所普遍采用的技術(shù)。PFC整流技術(shù)在小功率場合應(yīng)用廣泛，電流型控制簡單可靠，容易與軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)高頻化。但以目前半導(dǎo)體開關(guān)器件的技術(shù)水平，無論采用四象限技術(shù)或PFC整流技術(shù)，都無法在體積上與相控整流技術(shù)相當(dāng)，難以在鐵路機(jī)車上使用。二、二極管整流+降壓斬波的技術(shù)，其電路拓?fù)淙鐖D5所示，在整流后和降壓斬波電路前有電感、電容濾波電路。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是既能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，又能在與軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合并實(shí)現(xiàn)高頻化后有效降低負(fù)載側(cè)電壓波動。但相比相控整流技術(shù)，由于增加了斬波降壓電路以及相應(yīng)的濾波電路，重量要重很多，也難以在鐵路機(jī)車上使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，以解決相控整流穩(wěn)壓技術(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低的問題，同時在體積、重量、效率甚至成本上與相控整流穩(wěn)壓技術(shù)相當(dāng)，以適應(yīng)鐵路機(jī)車向列車提供直流600V的應(yīng)用要求。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，包括由四個二極管VDl VD4整流橋構(gòu)成的整流電路、續(xù)流二極管VD5、開關(guān)K1、濾波電感Ll和濾波電容Cl ；所述續(xù)流二極管VD5 及濾波電容Cl分別并聯(lián) 在整流電路的正、負(fù)線上；所述開關(guān)Kl及濾波電感Ll分布在整流電路的正線或負(fù)線上。優(yōu)選的，所述第一二極管VDl與第三二極管VD3串聯(lián)，所述第二二極管VD2與第四二極管VD4串聯(lián)后 與第一二極管VDl及第三二極管VD3串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)Kl與濾波電感Ll串聯(lián)后連接在整流電路的負(fù)線上。優(yōu)選的，所述第一二極管VDl與第三二極管VD3串聯(lián)，所述第二二極管VD2與第四二極管VD4串聯(lián)后與第一二極管VDl及第三二極管VD3串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)Kl與濾波電感Ll串聯(lián)后連接在整流電路的正線上。優(yōu)選的，所述第一二極管VDl與第三二極管VD3串聯(lián)，所述第二二極管VD2與第四二極管VD4串聯(lián)后與第一二極管VDl及第三二極管VD3串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)Kl連接在整流電路的負(fù)線上，所述濾波電感Ll連接在整流電路的正線上。優(yōu)選的，所述第一二極管VDl與第三二極管VD3串聯(lián)，所述第二二極管VD2與第四二極管VD4串聯(lián)后與第一二極管VDl及第三二極管VD3串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)Kl連接在整流電路的正線上，所述濾波電感Ll連接在整流電路的負(fù)線上。一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法，該電路包括由四個二極管構(gòu)成的單相全橋整流電路、續(xù)流二極管、開關(guān)、濾波電感和濾波電容；續(xù)流二極管及濾波電容分別并聯(lián)在整流電路的正、負(fù)線上；開關(guān)及濾波電感分布在整流電路的正線或負(fù)線上；當(dāng)輸入電壓及負(fù)載變化時，通過調(diào)整開關(guān)的開斷時間間隔，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。優(yōu)選的，所述開關(guān)為半導(dǎo)體開關(guān)。優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體開關(guān)為IGBT開關(guān)管。優(yōu)選的，開關(guān)的開斷在每半個周期內(nèi)具體為開關(guān)在時刻t2開通，在時刻t4關(guān)斷； 時刻t3對應(yīng)與輸入單相交流電壓基波的峰值電壓時刻，tl和t5分別對應(yīng)于輸入單相交流電壓基波的過零點(diǎn)時刻，tl < t2 < t3 < t4 < t5，且t2和t4分布于t3兩側(cè)。優(yōu)選的，t2和t4對稱分布于t3兩側(cè)。采用本發(fā)明的電路和控制方法后，無論輸入電壓和負(fù)載如何變化，網(wǎng)側(cè)電流基波都與網(wǎng)側(cè)電壓基波基本同相位。采用本發(fā)明的電路及控制方法的機(jī)車600V供電柜產(chǎn)品與原來的相控600V供電柜產(chǎn)品相比，在電路改動不大，體積、重量、成本、效率相當(dāng)?shù)臈l件下， 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，有利于減少線路損耗，降低各級變壓器容量，尤其是降低車載主變壓器的體積、重量，并進(jìn)而提高整個機(jī)車的效率。


圖1是現(xiàn)有的半控橋相控整流穩(wěn)壓電路的基本電路圖；圖2是現(xiàn)有的半控橋相控整流穩(wěn)壓電路在高壓滿載情況下的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖；圖3是現(xiàn)有的半控橋相控整流穩(wěn)壓電路在高壓半載情況下的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖；圖4a是四象限變流器的電路拓?fù)鋱D；圖4b是PFC整流器的電路拓?fù)鋱D；圖5是二極管整流+降壓斬波的技術(shù)的電路拓?fù)鋱D；圖6是本發(fā)明高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路拓?fù)鋱D；圖7a和圖7b是本發(fā)明高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法示意圖；圖8是高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路在高壓滿載情況下的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖；圖9是高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路在高壓半載情況下的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖；圖IOa-圖IOc是圖6電路變形拓?fù)鋱D；圖11是本發(fā)明高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路實(shí)施例原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請參閱圖6、7a、7b所示，電路包括由二極管VDl VD4構(gòu)成的單相全橋整流電路、 續(xù)流二極管VD5、半導(dǎo)體開關(guān)Kl、濾波電感Ll和濾波電容Cl。半導(dǎo)體開關(guān)Kl、濾波電感Ll 位于電路正線上。半導(dǎo)體開關(guān)Kl在時刻t2開通，在時刻t4關(guān)斷。時刻t3對應(yīng)與輸入單相交流電壓基波的峰值電壓時刻，tl和t5分別對應(yīng)于輸入單相交流電壓基波的過零點(diǎn)時刻，tl < t2 < t3 < t4 < t5，且t2和t4大致對稱分布于t3兩側(cè)。在輸入單相交流電壓基波的每半個周波的控制方法都是一樣的。通過調(diào)節(jié)時間間隔(t4-t2)就能實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。在高壓滿載情況下的典型網(wǎng)側(cè)電壓電流波形如圖8所示，在高壓半載情況下的典型網(wǎng)側(cè)電壓電流波形如圖9所示；由圖可見，無論輸入電壓和負(fù)載如何變化，網(wǎng)側(cè)電流基波都與網(wǎng)側(cè)電壓基波基本同相位。在電路改動不大，體積、重量、成本、效率相當(dāng)?shù)臈l件下，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，有利于減少線路損耗，降低各級變壓器容量，尤其是降低車載主變壓器的體積、重量，并進(jìn)而提高整個機(jī)車的效率。圖IOa-圖IOc是圖6電路變形拓?fù)鋱D，包括由二極管VDl VD4構(gòu)成的整流橋、 續(xù)流二極管VD5、半導(dǎo)體開關(guān)K1、濾波電感Ll和濾波電容Cl。其與圖6的區(qū)別在于，半導(dǎo)體開關(guān)K1、濾波電感Ll位于電路正、負(fù)線交互組合方式上。實(shí)施例1在一臺機(jī)車上，圖6所示的主電路有完全相同的2路，正常情況下同時向負(fù)載供電，當(dāng)1路故障時自動切除該路輸出，另一路供電不受影響。以其中一組電路為例說明，如圖11所示，電路包括由二極管整流橋1VD1、1VD2構(gòu)成的整流電路，續(xù)流二極管1VD3，半導(dǎo)體開關(guān)IVTl和1VT2，濾波電感Ll和濾波電容1C3、1C4、1C5。1VD1、1VD2采用最大允許反向重復(fù)峰值電壓3300V的二極管模塊，每個模塊包括兩個單獨(dú)額定電流為1200A的二極管， 1VD3采用最大允許反向重復(fù)峰值電壓3300V的二極管模塊，每個模塊包括兩個單獨(dú)額定電流為1200A的二極管，1VT1、1VT2是兩個額定平均電流1200A，最大允許反向重復(fù)峰值電壓 3300V的IGBT并聯(lián)，Ll為9mH的電感，1C3、1C4、1C5采用額定電壓900VDC，容量為5700uF 的電容。編號為IVTO的IGBT與代號為1C1、1C2的電容組成有源箝位電路，主要用于在編號為IVTl和1VT2的主IGBT關(guān)斷時吸收網(wǎng)側(cè)變壓器漏感和線路電感的能量，防止IGBT因?yàn)檫^電壓而損壞。編號為1VT1、1VT2的IGBT在時刻t2開通，在時刻t4關(guān)斷。時刻t3對應(yīng)與輸入單相交流電壓基波的峰值電壓時刻，tl和t5分別對應(yīng)于輸入單相交流電壓基波的過零點(diǎn)時刻，tl < t2 < t3 < t4 < t5，且t2和t4大致對稱分布于t3兩側(cè)。在輸入單相交流電壓基波的每半個周波的控制方法都是一樣的。通過調(diào)節(jié)時間間隔(t4-t2)就能實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，其特征在于，包括由四個二極管(VDl VD4)整流橋構(gòu)成的整流電路、續(xù)流二極管(VM)、開關(guān)(Kl)、濾波電感(Li)和濾波電容 (Cl)；所述續(xù)流二極管(VD5)及濾波電容(Cl)分別并聯(lián)在整流電路的正、負(fù)線上；所述開關(guān)(Kl)及濾波電感(Li)分布在整流電路的正線或負(fù)線上。
2.如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，其特征在于，所述第一二極管(VDl)與第三二極管(VD!3)串聯(lián)，所述第二二極管(VD》與第四二極管(VD4)串聯(lián)后與第一二極管(VDl)及第三二極管(VD!3)串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)(Kl)與濾波電感(Li) 串聯(lián)后連接在整流電路的負(fù)線上。
3.如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，其特征在于，所述第一二極管(VDl)與第三二極管(VD!3)串聯(lián)，所述第二二極管(VD》與第四二極管(VD4)串聯(lián)后與第一二極管(VDl)及第三二極管(VD!3)串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)(Kl)與濾波電感(Li) 串聯(lián)后連接在整流電路的正線上。
4.如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，其特征在于，所述第一二極管(VDl)與第三二極管(VD3)串聯(lián)，所述第二二極管(VD》與第四二極管(VD4)串聯(lián)后與第一二極管(VDl)及第三二極管(VD!3)串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)(Kl)連接在整流電路的負(fù)線上，所述濾波電感(Li)連接在整流電路的正線上。
5.如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路，其特征在于，所述第一二極管(VDl)與第三二極管(VD!3)串聯(lián)，所述第二二極管(VD》與第四二極管(VD4)串聯(lián)后與第一二極管(VDl)及第三二極管(VD!3)串聯(lián)支路相并聯(lián)，所述開關(guān)(Kl)連接在整流電路的正線上，所述濾波電感(Li)連接在整流電路的負(fù)線上。
6.一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法，其特征在于，該電路包括由四個二極管構(gòu)成的單相全橋整流電路、續(xù)流二極管、開關(guān)、濾波電感和濾波電容；續(xù)流二極管及濾波電容分別并聯(lián)在整流電路的正、負(fù)線上；開關(guān)及濾波電感分布在整流電路的正線或負(fù)線上；當(dāng)輸入電壓及負(fù)載變化時，通過調(diào)整開關(guān)的開斷時間間隔，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。
7.如權(quán)利要求6所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法，其特征在于，所述開關(guān)為半導(dǎo)體開關(guān)。
8.如權(quán)利要求7所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)為IGBT開關(guān)管。
9.如權(quán)利要求6所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法，其特征在于，開關(guān)的開斷在每半個周期內(nèi)具體為開關(guān)在時刻t2開通，在時刻t4關(guān)斷；時刻t3對應(yīng)與輸入單相交流電壓基波的峰值電壓時刻，tl和t5分別對應(yīng)于輸入單相交流電壓基波的過零點(diǎn)時刻，tl < t2 < t3 < t4 < t5，且t2和t4分布于t3兩側(cè)。在輸入單相交流電壓基波的每半個周波的控制方法都是一樣的。
10.如權(quán)利要求9所述的高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路控制方法，其特征在于，t2 和t4對稱分布于t3兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高功率因數(shù)單相降壓整流穩(wěn)壓電路及控制方法，該電路包括由四個二極管構(gòu)成的單相全橋整流電路、續(xù)流二極管、開關(guān)、濾波電感和濾波電容；所述續(xù)流二極管及濾波電容分別并聯(lián)在整流電路的正、負(fù)線上；所述開關(guān)及濾波電感分布在整流電路的正線或負(fù)線上。采用本發(fā)明的電路及控制方法后，無論輸入電壓和負(fù)載如何變化，網(wǎng)側(cè)電流基波都與網(wǎng)側(cè)電壓基波基本同相位。采用本發(fā)明的電路及控制方法的機(jī)車600V供電柜產(chǎn)品與原來的相控600V供電柜產(chǎn)品相比，在電路改動不大，體積、重量、成本、效率相當(dāng)?shù)臈l件下，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，有利于減少線路損耗，降低各級變壓器容量，尤其是降低車載主變壓器的體積、重量，并進(jìn)而提高整個機(jī)車的效率。
文檔編號H02M3/155GK102332837SQ20111032603
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者王鳳吾, 趙航飛, 陽東禮 申請人:長沙廣義變流技術(shù)有限公司