CN1115765C

CN1115765C - 三相桥式整流装置

Info

Publication number: CN1115765C
Application number: CN 99106059
Authority: CN
Inventors: 朱贤龙; 齐勇
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Ansheng Electric Co., Ltd., Shenzhen City
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: CN1249561A

Abstract

本发明涉及一种桥式整流装置，该桥式整流装置包括桥式整流器和与该整流器连接的直流母线电容，尤其包括连接在电源输入端和整流器之间的电抗部件以及与电抗部件和母线电容之间连接的中间电路。根据本发明的桥式整流装置提高了功率因数并降低了输入谐波，从而使得在输入线电流大于16A时的输入电流的谐波含量THD≤15%，而在60%额定负载以上时的功率因数可达95%以上。根据本发明的桥式整流装置能有效地抑制外部电源的干扰并降低对直流母线滤波电容的容量要求。

Description

三相桥式整流装置

本发明涉及一种三相桥式整流装置，尤其涉及一种无源功率因数校正和谐波抑制的三相桥式整流装置。

现有技术的三相桥式整流装置如图1所示，其中，电网交流电源的三相电u、v、w分别由桥式整流二极管组D1-D6整流后，经直流母线滤波电感L₁滤波，然后对直流母线电解电容C₁和C₂充电，再送往负载电路。在这种常规装置中，电路的功率因数一般在92％以下，即使加大直流母线滤波电感L₁的值，功率因数也只能达到约95％，而如果直流母线滤波电感L₁的量值太大，又导致其失去实用价值。另外，这种现有技术的三相桥式整流装置的谐波含量也偏大，对于输入电流小于16A以下的装置，谐波含量难以达到IEC EN61000-3-2标准(IEC-国际电工委员会)，而在输入电流大于16A的情况下，这种现有技术的三相桥式整流装置产生的谐波含量THD(总谐波畸变量)一般大于30％，而功率因数一般在90％以下。对于中大功率电气传动系统，现有技术的三相桥式整流装置的功率因数一般只可达到87％左右。如果不加直流滤波电感，则现有技术的三相桥式整流装置的功率因数一般只有62％左右，而谐波含量THD可高达70％以上。功率因数偏低和谐波含量偏大，对电网造成了较大的负面影响，主要包括功率因数偏低则使电网的容量利用率下降，增加电网的损耗，谐波偏大，对电网产生谐波污染，导致电网中的电压、电流波形畸变，影响电网上其它电气设备的正常工作，甚至可能导致损坏。

因此，需要一种可以提高功率因数并降低谐波含量的三相桥式整流装置。

本发明的目的在于提供一种能有效地提高功率因数并抑制谐波含量的三相桥式整流装置。

为了实现本发明的目的，根据本发明的一个优选实施例的三相桥式整流装置包括三相桥式整流器组和与该整流器组的一对输出端连接的直流母线电容，其中，该三相桥式整流装置还包括分别连接在三相输入电源和三相整流器组的输入端的电抗部件，以及连接在该电抗部件和直流母线电容的中间节点之间的主要由三个无极性电容组成的中间电路。它们对输入电源进行滤波并提高功率因数，且对谐波进行有效抑制。

根据本发明的三相桥式整流装置的一个优选实施例，电抗部件可以是一只三相电抗器，也可以是三只单相电抗器。

根据本发明的三相桥式整流装置的另一个优选实施例，其中的中间电路包括三个分别连接在三相电抗器和直流母线串联电容的中间节点之间的无极性电容。可替换地，该电路还包括一个连接在三个电容和直流母线串联电容的中间节点之间的一个电感元件。

根据本发明的三相桥式整流装置的另一个优选实施例，还包括连接在三相桥式整流器组的直流母线滤波电感。

根据本发明的三相桥式整流装置在输入线电流小于16A时，可抑制谐波含量使其满足IEC EN6100-3-2标准。而在输入线电流大于16A时，根据本发明的三相桥式整流装置可使谐波含量THD≤15％；对于上述两种情况，在25％额定负载以上时，根据本发明的三相桥式整流装置的功率因数≥85％；在60％额定负载以上的情况下，根据本发明的三相桥式整流装置的功率因数可达到95％以上。因此，根据本发明的三相桥式整流装置可以有效地抑制和防护电网与本装置或系统之间的互相干扰或影响并降低了对直流母线滤波电容的容量要求。

附图的简要说明：

图1是现有技术的三相桥式整流装置的电路图；

图2是根据本发明的三桥桥式整流装置的第一个优选实施例的电路图；

图3是根据本发明的三桥桥式整流装置的第二个优选实施例的电路图；

图4根据是本发明的三桥桥式整流装置的第三个优选实施例的电路图；

图5是根据本发明的三桥桥式整流装置的第四个优选实施例的电路图；

图6是根据本发明的三桥桥式整流装置的第五个优选实施例的电路图；

下面，结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

如图2所示，根据本发明的第一实施例的三相桥式整流装置包括一个三相电抗器T，由串接的整流二极管组D₁与D₄、D₂与D₅、以及D₃与D₆形成的三相桥式整流电路，由电容C₁、C₂、C₃形成的配合电抗器进行功率因数校正和谐波抑制电路，及直流母线电解电容C₄和C₅。

来自电网的380V，50HZ交流电源的三相输入u、v、w分别与三相电抗器T连接。三相电抗器T的三相输出端A、B、C分别与串接的整流二极管D₁与D₄、D₂与D₅、以及D₃与D₆之间的节点连接。整流二极管D₁、D₂、D₃的公共阴极端节点与直流母线电容C₄的P端连接，而整流二极管D₄、D₅、D₆的公共阳极端节点则与直流母线电容C₅的N端连接。并且，该三相电抗器T的三相输出端A、B、C分别与电容C₁、C₂、C₃的一端连接，而该电容C₁、C₂、C₃的另一端则互相连接于节点D。该节点D又与串接的直流母线电解电容C₄和C₅之间的节点M连接，从而形成连线DM。最后，由端口P和N输出向直流负载电路供电。

从图2与现有技术的图1比较，可以清楚地看出，根据本发明的第一实施例在现有技术的三相桥式整流装置中，去掉了直流母线滤波电感L₁，而在三相电源输入端接入了三相电抗器T，并在该三相电抗器T和直流母线电解电容C₄和C₅的中间节点之间分别接入了三个电容C₁、C₂、C₃，并形成了连线DM。

将三相电抗器T连接在三相电源输入端的好处在于该三相电抗器T首先会分别对输入的三相交流电源进行滤波，以下参照图2说明根据本发明的三相桥式整流装置的工作过程。以输入的三相交流电源的u相为例，在u相的输入电压的处于正半周期间，u相电源的电压大于零但A点电压小于P点电压，则整流二极管D₁本身的反压偏置而不导通。但由于u相输入电压同时可通过三相电抗器的绕组对电容C₁进行充电，就形成了输入电流，保证了输入电流的连续性，随u相输入电压的升高，整流二极管D₁因而成了正压偏置而导通，产生输入电流；在u相输入电压上升到最大值并下降到零期间，由于电抗器T的电感的续流的作用，电容C₁被输入电压充电以及三相交流电路工作的对称性，可保证电流的连续，电流不会有间断现象，并且接近以正弦规律变化。

由于三相电路工作的对称性，输入三相电源的v相和w相及加至整流二极管D₂、D₃、D₄、D₅、及D₆的工作过程也与之类似。这样，只要电路参数与负载相协调和配套，就可以得到几乎是正弦的三相输入电流，有效地提高功率因数和抑制谐波。根据本发明的实施例所增加的三只电容器C₁、C₂、C₃提供了整流输入充电和贮能效应，而通过三相电抗器T的作用，一方面提高了功率因数，有效地抑制了谐波，同时使如附图2种所示A、B、C之间线电压波形接近于双向矩形脉冲波形，从而减少了对直流母线电解电容的容量要求。

这样，只要针对具体电路容量设计三相电抗器T和电容C₁、C₂、C₃、C₄、和C₅的参数，就可以使谐波含量THD小于15％，功率因数亦可在额定负载时达到95％以上，从而实现本发明提出的效果。特别是，附图2中所示的根据本发明的第一个实施例的电路中，该三相电抗器T的电抗值为18毫亨，电容器C₁、C₂、和C₃的电容值均为20微法，直流母线电解电容C₄和C₅的电容值均为470微法，桥式整流电路的整流二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、及D₆选用三相整流桥堆IXYS.VU082-16NO7，直流负载额定容量为6千瓦，达到了如下效果：谐波含量小于12％，达到IEC EN61000-3-2谐波限量标准；功率因数最高达到99.4％，在直流负载容量为3.6KW(60％额定容量)以上时，功率因数达到95％以上；在直流负载容量为1.5KW(25％额定容量)以上时，功率因数达到85％以上。

图3是根据本发明的第二实施例的三相桥式整流装置的电路图。如图3所示，与第一实施例相同，电网的380V，50HZ输入交流电源的三相u、v、w分别与三相电抗器T连接。该三相电抗器T的三相输出端A、B、C分别与形成桥式整流电路的串接的整流二极管D₁与D₄、D₂与D₅、以及D₃与D₆之间的节点连接。二极管D₁、D₂、和D₃的公共阴极端节点P与串接的直流母线电解电容C₄的一端连接，而二极管D₄、D₅、D₆的公共阳极端节点N与电容C₅的一端连接。并且，该三相电抗器T的三相输出端A、B、C分别与电容C₁、C₂、C₃的一端连接，而电容C₁、C₂、C₃的另一端公共连接于结点D。与图2所示的第一实施例不同的是，根据本发明的第二实施例在该P点和N点之间设置了与直流母线电解电容C₄和C₅并联的二个串联连接的电阻R₁和R₂。该电阻R₁和R₂之间的节点L与该电容C₁、C₂、和C₃的结点D相连接，从而形成连线DL。最后，由节点P和N输出向负载电路供电。

根据本发明的第二个实施例与图2所示的第一个实施例比较，增加了电阻R₁和R₂，其目的在于控制直流母线电解电容C₄和C₅的输出直流电压的随负载的波动范围，使得直流母线电压在预定范围内变化，而同时仍然可以达到提高功率因数和抑制输入谐波的目的和效果，优选地，根据本发明第二实施例电阻R₁和R₂均为50千欧，其它参数与实施例相同。

本发明的第三个实施例的三相桥式整流装置的电路结构如图4所示，在该图中，凡与图2的电路相同的元件均以相同标号表示。从图4可以清楚地看出，除将其中的三相电抗器T改为三只单相电抗L_a、L_b、L_c以外(电感值可保持不便)，其他部分完全与图2的电路结构相同。同样可以达到本发明图2的效果，只是结构紧凑性、体积和重量稍差。

根据本发明的第四个实施例的三相桥式整流装置的电路结构如图5所示，在该图中，凡与图2的电路相同的元件均以相同标号表示。从图5可以清楚地看出，除在节点D和M之间接入了一个电感元件L_n以便限制注入电流以外，其他部分完全与图2的电路结构相同。在节点D和M两点之间接入该电感元件L_n的好处在于适当限制输入电流，优选地，根据本发明的第四实施例的三相桥式整流装置中的电感元件L_n电抗值为1.5毫亨。

另外，当然也可以如第三个实施例一样，将其中的三相电抗器T换成三只单相电抗L_a、L_b、和L_c。

根据本发明的第五个实施例的三相桥式整流装置的电路结构如图6所示。在该图中，凡与图3的电路中相同的元件均以相同标号表示。从图6可以清楚地看出，除在电阻R₁和R₂上并联了两个串接的电容C₆和C₇以外，完全与图3的电路结构相同。在电阻R₁和R₂上并联两个串接的电容C₆和C₇为在一定负载条件下可以适当调整直流母线电压，优选地，两个串接的电容C₆和C₇的电容值为20微法。

经过理论研究和仿真计算，并得到实验证实，采用本发明的三相桥式整流装置具有如下效果：

1.在输入线电流小于16A的情况下，可使谐波含量达到IECEN6100-3-2标准；而在输入线电流大于16A的情况下，可抑制谐波含量THD≤15％；

2.在25％额定负载以上的情况下，功率因素≥85％；在60％额定负载以上的情况下，功率因数达95％以上；

3.可以抑制本发明的装置内部或本发明的装置与系统之间对电网的高频电磁干扰(EMI)或谐波污染，同时又可对来自电网的谐波或畸变等干扰进行有效地防护和抑制；以及

4.降低了对直流母线滤波电容的容量要求。

上面已经参照各附图，详细描述了本发明的最佳实施例，但是，不应认为本发明仅仅限于上述的各个实施例。本领域的技术人员，通过上述各实施例的启迪，不难对根据本发明的三相桥式整流装置作出各种改进、改变、或替换，因此，这些改进、改变、或替换，不应认为已脱离了本发明的构思或权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种三相桥式整流装置，包括：

三相桥式整流器组，所述三相桥式整流器组包括一对输出端和三个输入端；

串联连接的第一直流母线电容和第二直流母线电容，在所述串联的第一直流母线电容和第二直流母线电容之间有一个中间节点，所述串联的第一直流母线电容和第二直流母线电容连接在该三相桥式整流器组的一对输出端上；

所述三相整流装置的特征在于还包括：

用于对三相输入电源进行滤波处理并与后续电路配合而可提高功率因数的电抗部件，所述电抗部件分别连接在三相输入电源和所述三相桥式整流器组的三个输入端之间；以及

用于配合电抗部件进行功率因数校正和抑制谐波的主要由三只无极性电容组成的中间电路，所述中间电路有三端并分别与所述三相桥式整流器组的三个输入端连接，而另一端连接在所述串联连接的第一直流母线电容和第二直流母线电容的中间节点处。

2.根据权利要求1所述的三相桥式整流装置，其中所述的电抗部件是一个三相电抗器。

3.根据权利要求1所述的三相桥式整流装置，其中所述的电抗部件是三个分离的单相电抗器。

4.根据权利要求2所述的三相桥式整流装置，其中所述的中间电路包括分别连接在所述三相电抗器与整流器组的输入端相连的一端和所述直流母线串联电容的中间节点之间的三个分离的无极性电容。

5.根据权利要求3所述的三相桥式整流装置，其中所述的中间电路还包括一个连接在所述三个电容和所述直流母线串联电容的中间节点之间的一个电感元件。

6.根据权利要求3所述的三相桥式整流装置，还包括用于直流母线滤波的感抗部件，所述感抗部件一端与所述三相桥式整流器组的任意一个输出端相连，另一端与该输出端连接直流母线电容的节点相连。

7.一种三相桥式整流装置，包括：

串联连接的第一直流母线电容和第二直流母线电容，所述串联的第一直流母线电容和第二直流母线电容连接在该三相桥式整流器组的一对输出端上；

所述三相整流装置的特征在于还包括：

用于配合电抗部件进行功率因数校正和抑制谐波的主要包括三只无极性电容和第一电阻(R1)、第二电阻(R2)的中间电路，所述中间电路中三只无极性电容的一端分别与所述三相桥式整流器组的三个输入端连接，所述串连的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)之间有一个中间节点。该中间节点与三只无极性电容的另一端相连。所述串连的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)并联在三相桥式整流装置的一对输出端上。

8.根据权利要求7所述的三相桥式整流装置，其中所述的中间电路还包两个串联电容，所述两个串连电容并联在三相桥式整流装置的一对输出端上，所述两个串联电容的中间节点和上述串联第一电阻(R1)、第二电阻(R2)的中间节点相互连接，从而提供一个连接的中间节点。