CN101789603A - 交流动态有源功率因数补偿方法及补偿电路 - Google Patents

Abstract

一种交流动态有源功率因数补偿方法及补偿电路。该方法采用二极管与半导体开关元件进行5-100千周脉宽调制式开关电路控制电容器充放电，利用功率因数反馈电压，采用PWM电路对补偿电流大小进行实时控制，达到动态补偿功率因数的目的。具体是在交流电的0-π/2、π-3π/2周期，由自关断元件控制的充放电电容器组进行脉冲式充电；在π/2-π、3π/2-2π周期，进行PWM脉冲式放电。具体补偿电路由补偿主电路，稳压电源，检测电路和控制电路组成。该补偿电路可精确地控制交流负载功率因数到1，具有功率因数可动态补偿，体积小，重量轻，成本低等优点，且不会造成电网电压升高。可广泛应用于涉及用电的各种行业领域，部分替代现有电容器式功率因数补偿装置，节约用电。

Description

交流动态有源功率因数补偿方法及补偿电路

【技术领域】：本发明属于电力功率因数补偿技术领域，利用有源功率因数补偿方法替代电容器补偿方法，具体而言是一种交流动态功率因数补偿方法——交流负载功率因数有源动态补偿电路。

【背景技术】：交流功率因数补偿是世界公认的节约电能的方法，现有的电力功率因数补偿大都采用电力电容器进行功率因数补偿。功率因数补偿装置大都采用步进式切换方法，不能随机动态自适应随负载变化投入其合适容量的电容器，经常出现欠补偿和过补偿现象。欠补偿设备没有起到应有的作用，过补偿将造成电网电压升高危及其他用电设备安全，严重时会烧坏用电设备。由于电力电容器体积大，并且投切时为了限制电流过大还需配备电抗器，致使设备体积大、效率低。尤其是在对三相电源进行补偿时，由于三相电源中每相功率因数是不可能一致的，并且每个单相在正负半波的工作周期内，随负载变化的电流和电压波形也是不一致的，需要补偿的功率因数值也不一样。现有装置的补偿功率因数值大都经两项电压与另一相电流的相位位移进行采样比较而得出，因此，现有的这种功率因数采样方法不能如实反映每一相的实际功率因数。即便所谓的静止型补偿装置，虽然可自动跟踪控制功率因数，但是三相功率因数本身也不可能是均衡的，并且由于结构复杂，成本高而难以推广。能否发挥电解电容器所具有的体积小、容量大的优点，利用电力电子开关元件对其进行有源精准控制，实现交流负载动态功率因数补偿，并缩小补偿装置的体积，是电力补偿行业亟待解决的问题。

【发明内容】：本发明目的是克服现有电容器式功率补偿方法的缺点，提供一种交流动态有源功率因数补偿方法及补偿电路。

本发明提供的交流动态有源功率因数补偿方法采用有源电路对交流电流波形进行有源动态补偿，达到与交流电压波形同步，进而实现了功率因数补偿的目的，具体过程是：

第一、在交流电的0-π/2周期，由自关断元件控制对充放电电容器组进行脉冲式充电；

第二、在交流电的π/2-π周期，利用半导体二极管对充放电电容器组进行PWM脉冲式放电；

第三、在交流电的π-3π/2周期，由半导体二极管对充放电电容器组进行充电；

第四、在交流电的3π/2-2π周期，由自关断元件控制充放电电容器组进行PWM脉冲式放电；

通过调节自关断元件的脉冲的宽度来调节放电电流的大小，进而实现动态有源补偿电流与电压波形同相位，实现动态功率因数的补偿；

其中，所述的充放电电容器组由两只电解电容器与两只半导体二极管采用反极性连接组成。

针对上述补偿方法，本发明同时提供了一种实现上述方法的交流动态有源功率因数补偿电路，该补偿电路由补偿主电路，稳压电源，检测电路和控制电路组成；其中，稳压电源由补偿主电路供电，稳定输出直流电压供给检测电路和控制电路；检测电路用于检测补偿主电路中的电压波形和电流波形，并根据电压波形和电流波形的比较结果向控制电路发出相位控制信号和功率因数控制信号；控制电路根据检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号实现补偿主电路中的动态功率因数的补偿。

所述的补偿主电路包括依次并联的输入滤波电路、变换电路、回能电路和输出滤波电路，其中：

输入滤波电路：由输入滤波电容C1、滤波电感L1和电容器C2滤波构成；

变换电路：依次由变压器B、充放电电容器组C3、自关断元件S和限流电阻RX串联，再由二极管D与自关断元件S和限流电阻RX并联组成；

回能电路：由变压器B的次级绕组N2和吸收电容C4并联后、再与耦合电容C5串联构成；

输出滤波电路：由变压器B的初级绕组N1和次级绕组N2之间并联的输出滤波电感L2和输出滤波电容C6构成。

所述的充放电电容器组由两只电解电容器与两只半导体二极管采用反极性连接组成。所述的自关断元件可以是晶体三极管、场效管(IGBT和GTO)、或者是二者的组合。

所述的检测电路包括：

电压变压器DY：电压变压器的初级绕组与补偿主电路并联，用于检测补偿主电路的电压波形；

电流互感器DL：设置于补偿主电路的回路中并与电压变压器的次级绕组串联，用于检测补偿主电路的电流波形；

功率因数检测电路GL：功率因数检测电路的两个输入端与电压变压器的次级绕组和电流互感器构成的串联之路并接，用于对检测到的电压波形与电流波形进行比较后向控制电路发出功率因数控制信号；

相位检测电路W：相位检测电路的两个输入端与补偿主电路并接，根据检测到的电压波形向控制电路发出相位控制信号。

所述的控制电路包括：

PWM控制电路P：PWM控制电路的两个输入端a和b，分别连接检测电路中的相位控制信号输出端和功率因数控制信号输出端，并根据检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号实现对驱动电路的控制；

驱动电路Q：驱动电路通过电路c由PWM控制电路控制，输出端连接补偿主电路的变换电路中的自关断元件控制极，并驱动自关断元件按照检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号指令的相位和脉宽工作；

限流电路X：限流电路的两个输入端与补偿主电路的变换电路中的限流电阻并接，根据限流电阻检测到的补偿主电路工作电流的大小向PWM控制电路发出控制脉宽宽窄的控制电压，当限流电阻检测到补偿主电路工作电流超出额定值时，限流电路发出控制电压给PWM控制电路控制脉冲变窄，限制了输出电流过大进而保护自关断元件S。

以上所述的补偿电路为交流单相电路，通过对其组合可完成三相交流动态功率因数补偿电路，实现对三相交流电设备的功率因数进行补偿。

具体工作过程：本发明利用二极管与电解电容器组成的充放电电容器组对市电的正负半波周期内的功率因数波形进行检测后，用有源动态控制电路，对充放电电容器组进行有源动态充放电控制，进而实现了对功率因数的补偿控制。

即，在交流电正半周期的前二分之一时间段，通过变压器对充放电电容器组进行充电控制，采用一只充放电二极管，在交流电正半周期的后二分之一时间段，由充放电电容器组对电源进行放电，实现了正半周期的动态功率因数补偿。

在负半周期的前二分之一时间段，利用二极管对充放电电容器组进行充电控制，在负半周期的后二分之一时间段，利用自关断元件采用PWM控制方式，让充放电电容器组对电源进行放电控制。

利用变压器将上述充放电电容器组充放电流时所产生的感应电流对负载进行功率因数补偿。

以上所述充放电电容器组所充放的电量，实际上就是对电容器组调控的电容值，即该方法就是动态连续可变有源电容器补偿功率因数的方法。

本发明的优点和积极效果：

本发明采用的交流有源功率因数补偿方法对补偿后的电压不会升高，从而克服了现有过补偿后会造成电压升高的危险。采用脉宽调制后可对负载大小自动进行线性功率因数补偿，克服了现有补偿方法(步进式切换)不能动态控制补偿的缺点。由于对电容放电时采用5～100千周开关频率，大大的缩小了主回路的电感体积，进而缩小了整机体积。尤其对于三相电源，采用单相电源电路组合实现三相电源均衡补偿，补偿后的波形变形小，提高了电网的质量，为功率因数补偿技术提供了新的方法。

【附图说明】：

图1是交流动态有源功率因数补偿电路原理图。

图中方框标号：1.补偿主电路，2.稳压电源，3.检测电路，4控制电路。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的补偿电路由补偿主电路1，稳压电源2，检测电路3和控制电路4组成。

补偿主电路1：

包括依次并联的输入滤波电路、变换电路、回能电路和输出滤波电路，其中：

输入滤波电路：由输入滤波电容C1、滤波电感L1和电容器C2滤波构成；

变换电路：依次由变压器B、充放电电容器组C3、自关断元件S和限流电阻RX串联，再由二极管D与自关断元件S和限流电阻RX并联组成；

回能电路：由变压器B的次级绕组N2和吸收电容C4并联后、再与耦合电容C5串联构成；

输出滤波电路：由变压器B的初级绕组N1和次级绕组N2之间并联的输出滤波电感L2和输出滤波电容C6串联构成，通过输出滤波电容C6向负载RL供电。

所述的充放电电容器组由两只电解电容器Ca和Cb串联再与采用正极相对的方式反极性串联的两只半导体二极管D1和D2并联组成。所述的自关断元件S可以是晶体三极管、场效管(IGBT和GTO)、或者是二者的组合。

稳压电源2：

由补偿主电路1供电，稳定输出15～18V直流电压供给检测电路3和控制电路4。

检测电路3包括：

电压变压器DY：电压变压器的初级绕组与补偿主电路并联，用于检测补偿主电路的电压波形；

电流互感器DL：设置于补偿主电路的回路中并与电压变压器的次级绕组串联，用于检测补偿主电路的电流波形；

功率因数检测电路GL：功率因数检测电路的两个输入端与电压变压器的次级绕组和电流互感器构成的串联之路并接，用于对检测到的电压波形与电流波形进行比较后向控制电路发出功率因数控制信号；

相位检测电路W：相位检测电路的两个输入端与补偿主电路并接，根据检测到的电压波形向控制电路发出相位控制信号。

控制电路4包括：

PWM控制电路P：PWM控制电路的两个输入端a和b，分别连接检测电路中的相位检测电路W的相位控制信号输出端和功率因数检测电路GL的功率因数控制信号输出端，并根据检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号实现对驱动电路的控制；

驱动电路Q：驱动电路通过电路c由PWM控制电路控制，输出端连接补偿主电路的变换电路中的自关断元件控制极，并驱动自关断元件S按照检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号指令的相位和脉宽工作；

限流电路X：限流电路的两个输入端与补偿主电路的变换电路中的限流电阻Rx并接，根据限流电阻Rx检测到的补偿主电路工作电流的大小向PWM控制电路发出控制脉宽宽窄的控制电压，当限流电阻检测到补偿主电路工作电流超出额定值时，限流电路发出控制电压给PWM控制电路控制脉冲变窄，限制了输出电流过大进而保护自关断元件S。

以上所述的补偿电路为交流单相电路，通过对其组合可完成三相交流动态功率因数补偿电路，实现对三相交流电设备的功率因数进行补偿。

本发明补偿电路的工作原理：

结合附图所示的实例，将本发明的工作原理加以描述：

市电为AC 220/50HZ交流电，当工作时电流经输入滤波电容C1、滤波电感L1和电容器C2滤波、经输出滤波电感L2和电容器C6滤波、再经负载RL、电流互感器DL构成回路，并对负载RL供电。

检查电路3内的电压检测变压器DY所检测的电压与电流互感器DL检测的电流由功率因数检测电路GL进行比较，当功率因数小于0.95～1时，给控制电路4内的PWM控制电路P发出控制电压值，P发出一定脉冲宽度给控制驱动电路Q，驱动开关元件S通断工作；此时检测电路3内的相位检测电路W，检测到电源相位在0～π/2和3π/2～2π周期内，分别对控制电路发出控制自关断元件S工作信号。

当交流电在0～π/2周期内：开关元件S导通电源经变压器初级N1、充放电电容器组C3内的二极管D1和限流保护电阻Rx对Cb充电，充电过程中流过变压器初级的电流，在次级绕组N2感应出的电动势经耦合电容C5、吸收电容C4，由输出滤波电容C6滤波后，对负载RL进行功率因数补偿。

当交流电在π/2～π周期内：存储在充放电电容Cb电流经充放电电容器Ca、二极管D放回市电AC，对负载功率因数进行补偿。

当交流电在π～3π/2周期内：电源经二极管D由二极管D2、变压器B的初级N1构成回路，对充放电电容器组C3内的充放电电容器Ca进行充电。

当交流电在3π/2～2π周期内：自关断元件S以PWM式开通，存储在充放电电容组C3内充放电电容器Ca的电流经变压器B的初级N1、充放电电容组C3内充放电电容器Cb、限流保护电阻Rx构成回路进行放电，变压器次级绕组N2感应的电动势经耦合电容C5、吸收电容C4，由输出电容C6滤波后对负载RL进行功率因数补偿。

Claims (7)

1.一种交流动态有源功率因数补偿方法，其特征在于该方法的具体过程是：

第一、在交流电的0-π/2周期，由自关断元件控制对充放电电容器组进行脉冲式充电；

第二、在交流电的π/2-π周期，利用半导体二极管对充放电电容器组进行PWM脉冲式放电；

第三、在交流电的π-3π/2周期，由半导体二极管对充放电电容器组进行充电；

第四、在交流电的3π/2-2π周期，由自关断元件控制充放电电容器组进行PWM脉冲式放电；

通过调节自关断元件的脉冲的宽度来调节放电电流的大小，进而实现动态有源补偿电流与电压波形同相位，实现动态功率因数的补偿；

2.一种实现根据权利要求1所述方法的交流动态有源功率因数补偿电路，其特征在于该补偿电路由补偿主电路，稳压电源，检测电路和控制电路组成；其中，稳压电源由补偿主电路供电，稳定输出直流电压供给检测电路和控制电路；检测电路用于检测补偿主电路中的电压波形和电流波形，并根据电压波形和电流波形的比较结果向控制电路发出相位控制信号和功率因数控制信号；控制电路根据检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号实现补偿主电路中的动态功率因数的补偿。

3.根据权利要求2所述的补偿电路，其特征在于所述的补偿主电路包括依次连接的输入滤波电路、变换电路、回能电路和输出滤波电路，其中：

输入滤波电路：由输入滤波电容(C1)、滤波电感(L1)和电容器(C2)滤波构成；

变换电路：依次由变压器(B)、充放电电容器组(C3)、自关断元件(S)和限流电阻(RX)串联，再由二极管(D)与自关断元件(S)和限流电阻(RX)并联组成；

回能电路：由变压器(B)的次级绕组(N2)和吸收电容(C4)并联后、再与耦合电容(C5)串联构成；

输出滤波电路：由变压器(B)的初级绕组(N1)和次级绕组(N2)之间并联的输出滤波电感(L2)和输出滤波电容(C6)构成。

4.根据权利要求3所述的补偿电路，其特征在于所述的自关断元件是晶体三极管、场效管、或者是二者的组合。

5.根据权利要求2至3中任一项所述的补偿电路，其特征在于所述的检测电路包括：

电压变压器(DY)：电压变压器的初级绕组与补偿主电路并联，用于检测补偿主电路的电压波形；

电流互感器(DL)：设置于补偿主电路的回路中并与电压变压器的次级绕组串联，用于检测补偿主电路的电流波形；

功率因数检测电路(GL)：功率因数检测电路的两个输入端与电压变压器的次级绕组和电流互感器构成的串联之路并接，用于对检测到的电压波形与电流波形进行比较后向控制电路发出功率因数控制信号；

相位检测电路(W)：相位检测电路的两个输入端与补偿主电路并接，根据检测到的电压波形向控制电路发出相位控制信号。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的补偿电路，其特征在于所述的控制电路包括：

PWM控制电路(P)：PWM控制电路的两个输入端a和b，分别连接检测电路中的相位控制信号输出端和功率因数控制信号输出端，并根据检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号实现对驱动电路的控制；

驱动电路(Q)：驱动电路通过电路c由PWM控制电路控制，输出端连接补偿主电路的变换电路中的自关断元件控制极，并驱动自关断元件按照检测电路发出的相位控制信号和功率因数控制信号指令的相位和脉宽工作；

限流电路(X)：限流电路的两个输入端与补偿主电路的变换电路中的限流电阻并接，根据限流电阻检测到的补偿主电路工作电流的大小向PWM控制电路发出控制脉宽宽窄的控制电压，当限流电阻检测到补偿主电路工作电流超出额定值时，限流电路发出控制电压给PWM控制电路控制脉冲变窄，限制了输出电流过大进而保护自关断元件。

7.根据权利要求2所述的补偿电路，其特征在于所述的补偿电路为交流单相电路，通过对其组合可完成三相交流动态功率因数补偿电路，实现对三相交流电设备的功率因数进行补偿。

Images