CN102646987A - 一种功率因数调整电路和调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率因数调整电路和调整方法，调整电路包括主电路，辅助电源模块，单片机控制模块，驱动模块，输入电源Vac接辅助电源模块的输入，辅助电源模块的输出分别与单片机控制模块和驱动模块的电源输入端连接，单片机控制模块采样主电路的输入电压和输入电流，驱动模块的输入接单片机控制模块的驱动信号端，驱动模块的输出接主电路中两个开关管。调整方法对不同的负载能实现自动调节，主要用于对电网中的感性电力负载如变压器、电动机、日光灯及电弧炉等设备进行无功补偿。本发明通过功率因数的调节，使负载呈现无阻性，负载电压和电流同相位。

Description

一种功率因数调整电路和调整方法

技术领域

本发明涉及功率因数调节技术，具体涉及用于对电网中的感性电力负荷如变压器、电动机、日光灯及电弧炉等设备进行无功补偿的功率因数调整电路和调整方法。

背景技术

目前无功补偿可以分为高压无功补偿和低压无功补偿。无功补偿的特性就是只补前面的，所以在高压处装无功补偿装置一是价位高，二是补偿效果不明显。低压无功补偿的方式可分为集中补偿和就地补偿。无功补偿的装置可分为静态、动态、静态+动态。低压无功自动补偿成套装置利用控制器跟踪系统无功负荷的变化，选功率因数或无功功率作为判据，使系统的功率因数保持为最佳状态，但是其都是通过投切电容器等实现无功补偿，无法实现实时控制与跟踪，且只能实现功率因数的最优化，而无法实现功率因数为一的精确调整（基于磁能恢复开关的单相串联补偿器的研究）。目前广泛使用的功率因数调节技术是通过晶闸管投切电容器进行无功补偿， 但投切电容器移植性较差，对不同的负载需要不同电容值的电容器，另外投切电容器必须并联在交流电源中，所以电容器需要较高的耐压值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种功率因数调整电路和调整方法。本发明不仅解决了电容耐压的问题，对不同的负载只需改变控制程序就能够很好的实现功率因数调节。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是： 

一种功率因数调整电路，包括主电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块，所述主电路包括电压传感器、电流传感器、第一开关管和第二开关管，输入电源的正极接辅助电源模块的输入，负极接地；辅助电源模块的输出分别与单片机控制模块和驱动模块的电源输入端连接，主电路中的电压传感器与所述辅助电源模块输出端连接，所述电压传感器输出端接单片机控制模块的电压采样端，主电路中的电流传感器输出端接单片机控制模块的电流采样端，驱动模块的输入端接单片机控制模块的驱动信号输出端，驱动模块的第一驱动信号输出端与主电路中的第一开关管的门极连接，驱动模块的第二驱动信号输出端与主电路中的第一开关管连接。

上述的功率因数调整电路中，所述主电路还包括第一二极管、第二二极管、第一电容和负载，第一开关管与第一二极管反并联，第二开关管与第二二极管反并联，第一开关管源极与第二开关管的源极串联形成桥臂，第一电容与桥臂并联，其中第一电容的正极接第一开关管的漏极，第一电容的负极接第二开关管的漏极和负载的一端，负载串联在主电路中；电流传感器的输入一端接地，另一端接负载的另一端。

上述的功率因数调整电路中，辅助电源模块包括整流桥Bridge，第二电容、第三电容、第四电容，第一电阻、第二电阻、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片，整流桥上下两端接输入电源的两端，左右两端分别与第二电容两端相接，第二电容的正极端接第一稳压芯片的输入端，第一稳压芯片的输出端接第二稳压芯片的输入端，第二稳压芯片的输出端与单片机控制模块和驱动模块的输入端连接，第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接，第二电阻的另一端接地；第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，另一端接第一稳压芯片的输出端；第三电容接第二稳压芯片的输入端，另一端接地；第四电容正极端接第二稳压芯片的输出端，另一端接地。

上述的功率因数调整电路中，驱动模块包括非门、第三电阻、第四电阻、第五电容、第六电容、第一与门、第二与门、第一驱动隔离电路和第二驱动隔离电路；单片机控制模块输出的驱动信号分别连接非门的输入端、第四电阻的一端和第一与门的一个输入端和第二与门的一个输入端；非门的输出接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接第一与门的另一输入端和第五电容的一端，第五电容的另一端接地；第四电阻的另一端接第六电容的一端和第二与门的另一输入端，第六电容的另一端也接地；第一与门和第二与门的输出分别相应地接第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路的输入端。

上述的功率因数调整电路中，第一驱动隔离电路和第二驱动隔离电路均各自包括第三三极管、第四三极管、第七电容、第一变压器和第五电阻；第三三极管的基极和第四三极管的基极相连后连接第一与门的输出端，另一个驱动隔离电路则连接第二与门的输出端；第三三极管的发射极和第四三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连，第三三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出，第四三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端；第一变压器的一个输出端与第五电阻的一端相连，另一端接主电路所驱动开关管的源极，第三电阻的另一端接主电路所驱动开关管的门极。

上述功率因数调整电路的功率因数调整方法：单片机控制模块中的单片机控制电路接收主电路采样得到的输入电源电压和输入电流，然后分别计算输入电压和输入电流的过零点时刻，将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻，若两者差值为正，则等比例的提前单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻，若两者差值为负，则等比例的延后单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻，通过负反馈使输入电压和输入电流的过零点时刻相同，即功率因素为1。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明调整功率因数的第一电容是串联在负载与输入电源中的，解决了电容耐压问题。单片机控制模块接收电压传感器和电流传感器的信号，从而选择第一、第二开关管开通关断的时刻，从而选择第一电容串联入负载的时刻。当负载变化时，只需改变驱动信号上升沿到来的时间就可以将功率因素调节到所需要求，解决了现有技术移植性差的问题。另外，相比四个开关管的双桥臂来说，虽然其控制范围小，但是其控制电路简单，开关损耗减小一半，在较小的负载系统中应用还是相当可观和方便的。

附图说明

图1是实施方式中功率因数调整电路的总体结构图。

图2是实施方式中的辅助电源模块的电路图。

图3是实施方式中的驱动模块的电路图。

图4是实施方式中的驱动模块中的驱动隔离电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

图1给出了本发明示例的功率因数调整电路的总体结构图，其中包括主电路，辅助电源模块，单片机控制模块，驱动模块。主电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、负载、电压传感器、电流传感器。第一开关管与第一二极管反并联，第二开关管与第二二极管反并联，第一开关管源极与第二开关管的源极串联形成桥臂，第一电容与桥臂并联，其中第一电容的正极接第一开关管的漏极，第一电容的负极接第二开关管的漏极。电压传感器的输入和电源输入端并联，电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端。负载串联在主电路中，电流传感器的输入一端接地，另一端接负载的一端，电流传感器的输出接单片机控制模块的电流采样端。辅助电源模块将220V的交流电压转化为15V和5V的直流电压输出，作为单片机控制模块和驱动模块的辅助电源。电压传感器采样交流输入电压，电流传感器采样电路的电流，两个采样信号都输入给单片机控制模块，单片机控制模块输出驱动信号给驱动模块。驱动模块将这路驱动信号分成两组相互隔离的驱动信号去驱动主电路中的两个开关管，通过调节第一、第二开关管的导通时刻，从而调节第一电容串联入负载的时间，从而调节负载的功率因数。下面进一步说明书各构成部分的一种实例。

 图2给出了功率因数调节电路辅助电源模块的电路图，辅助电源模块包括整流桥Bridge，第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4，第一电阻R1、第二电阻R2。用于输出15V直流电压的第一稳压芯片TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805。整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的AC+与AC-两端，两端分别与第二电容两端相接。第二电容的正极端接第一稳压芯片的Vin端，第一稳压芯片的输出端Vout接第二稳压芯片的输入端Vin，第二稳压芯片的输出端Vout与单片机控制模块和驱动模块的输入端Vcc连接。第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接，第二电阻的另一端接地。第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，另一端接第一稳压芯片的输出端。第三电容C3接第二稳压芯片的输入端，另一端接地。第四电容正极端接第二稳压芯片的输出端，另一端接地。整流桥将220V的交流电压整流成直流电压，第四电容C2为滤波电容，第一电阻和第二电阻的阻值调节TL783输出电压的大小，第三电容C3为第一稳压芯片TL783的输出滤波电容和第二稳压芯片7805的输入滤波电容。第四电容C4为第二稳压芯片的输出滤波电容。稳压芯片TL783和7805分别输出15V和5V的直流电压，作为系统内部各控制电路的电源。

图3为驱动模块的电路图，驱动模块包括非门U、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电容C5、第六电容C6、第一与门U1、第二与门U2，两个相同的第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路。单片机控制模块输出的驱动信号分别连接非门的输入、第四电阻的一端和第一与门和第二与门的一个输入端。非门的输出接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接第一与门的一端和第五电容的一端，第五电容的另一端接地；第四电阻的另一端接第六电容的一端和第二与门的另一输入端，第六电容的另一端也接地。第一和第二与门的输出分别接第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路。非门U将单片机控制模块的驱动信号进行反向，当非门U的高电平到来时，由于第五电容C5两端的电压不能突变，所以第一与门U1输出信号的上升沿到来的时间比非门U输出信号的上升沿到来的时间有一定的延迟，从而产生死区时间。两个驱动隔离电路结构相同，它们的作用是将驱动信号进行隔离，从而解决了第一、第二开关管的隔离驱动问题。同样对于U2来讲，通过第六电容C6两端电压不变来产生死去时间。

图4为驱动模块中驱动隔离的电路图，每一个驱动隔离电路都包括第三三极管Q3、第四三极管Q4、第七电容C7、第一变压器T1、第五电阻R5；第三三极管的基极和第四三极管的基极相连后连接第一与门的输出，另一个驱动隔离电路则连接第二与门的输出；第三三极管的发射极和第四三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连，第三三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出，第四三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端；第一变压器的一个输出端与第五电阻的一端相连，另一端接主电路所驱动开关管的源极，第三电阻的另一端接主电路所驱动开关管的门极。当驱动信号的高电平到来时，第三三极管Q3导通，由于第一变压器T1的作用，驱动信号1输出高电平，驱动第一开关管导通。当驱动信号为低电平时，第四三极管Q4导通，第一变压器输入为低电平，驱动信号1输出低电平，驱动第一开关管关断。

Claims (6)

1.一种功率因数调整电路，其特征在于包括主电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块，所述主电路包括电压传感器、电流传感器、第一开关管和第二开关管，输入电源的正极接辅助电源模块的输入，负极接地；辅助电源模块的输出分别与单片机控制模块和驱动模块的电源输入端连接，主电路中的电压传感器与所述辅助电源模块输出端连接，所述电压传感器输出端接单片机控制模块的电压采样端，主电路中的电流传感器输出端接单片机控制模块的电流采样端，驱动模块的输入端接单片机控制模块的驱动信号输出端，驱动模块的第一驱动信号输出端与主电路中的第一开关管的门极连接，驱动模块的第二驱动信号输出端与主电路中的第一开关管连接。

2.根据权利要求1所述的功率因数调整电路，特征在于所述主电路还包括第一二极管、第二二极管、第一电容和负载，第一开关管与第一二极管反并联，第二开关管与第二二极管反并联，第一开关管源极与第二开关管的源极串联形成桥臂，第一电容与桥臂并联，其中第一电容的正极接第一开关管的漏极，第一电容的负极接第二开关管的漏极和负载的一端，负载串联在主电路中；电流传感器的输入一端接地，另一端接负载的另一端。

3.根据权利要求1所述的功率因数调整电路，特征在于辅助电源模块包括整流桥，第二电容、第三电容、第四电容，第一电阻、第二电阻、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片，整流桥上下两端接输入电源的两端，左右两端分别与第二电容两端相接，第二电容的正极端接第一稳压芯片的输入端，第一稳压芯片的输出端接第二稳压芯片的输入端，第二稳压芯片的输出端与单片机控制模块和驱动模块的输入端连接，第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接，第二电阻的另一端接地；第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，另一端接第一稳压芯片的输出端；第三电容接第二稳压芯片的输入端，另一端接地；第四电容正极端接第二稳压芯片的输出端，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的功率因数调整电路，特征在于驱动模块包括非门、第三电阻、第四电阻、第五电容、第六电容、第一与门、第二与门、第一驱动隔离电路和第二驱动隔离电路；单片机控制模块输出的驱动信号分别连接非门的输入端、第四电阻的一端和第一与门的一个输入端和第二与门的一个输入端；非门的输出接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接第一与门的另一输入端和第五电容的一端，第五电容的另一端接地；第四电阻的另一端接第六电容的一端和第二与门的另一输入端，第六电容的另一端也接地；第一与门和第二与门的输出分别相应地接第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路的输入端。

5.根据权利要求4所述的功率因数调整电路，特征在于第一驱动隔离电路和第二驱动隔离电路均各自包括第三三极管、第四三极管、第七电容、第一变压器和第五电阻；第三三极管的基极和第四三极管的基极相连后连接第一与门的输出端，另一个驱动隔离电路则连接第二与门的输出端；第三三极管的发射极和第四三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连，第三三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出，第四三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端；第一变压器的一个输出端与第五电阻的一端相连，另一端接主电路所驱动开关管的源极，第三电阻的另一端接主电路所驱动开关管的门极。

6.利用权利要求1所述功率因数调整电路的功率因数调整方法，特征在于：单片机控制模块中的单片机控制电路接收主电路采样得到的输入电源电压和输入电流，然后分别计算输入电压和输入电流的过零点时刻，将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻，若两者差值为正，则等比例的提前单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻，若两者差值为负，则等比例的延后单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻，通过负反馈使输入电压和输入电流的过零点时刻相同，即功率因素为1。

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