CN104779787A

CN104779787A - 一种高功率因数三相整流电路及控制方法

Info

Publication number: CN104779787A
Application number: CN201510153312.0A
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 李臻; 黄志臻
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-07-15

Abstract

本发明公开了一种高功率因数三相整流器电路及其控制方法。整流器电路包括一种双向开关电路、主电路、采样电路、辅助电源模块、单片机控制模块、驱动模块，辅助电源模块的输入接市电，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相电压、输入相电流以及输出电压，驱动模块的输入接单片机控制模块的驱动信号输出端，驱动模块的输出接主电路中的六个开关管的门极。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，使负载呈现纯阻性，即负载电压和电流同相位。

Description

一种高功率因数三相整流电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子交流技术领域，具体涉及一种高功率因数是三相整流电路，属于电力电子交流技术领域，能用于对电网中的感性电力负荷如变压器、电动机、日光及电弧炉等设备进行无功补偿的三相整流电路及其控制方法。

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。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、动态和静态加动态。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，但其通过投切电容器等实现的无功补偿，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1的精确调整。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

鉴于以上背景，为了克服现有的不足，提供了一种高功率因数的三相整流电路。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：

一种高功率因数三相整流电路，其包括主电路、采样电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块；主电路的输入是星形连接的三相交流电Ua、Ub、Uc，其中性点为N；辅助电源模块的输出端分别与单片机控制模块和驱动电路模块的电源输入端连接；采样电路中的第一电压传感器采样输入相电压U_aN，第二电压传感器采样输入相电压U_bN，第三电压传感器采样输出电压U_dc；主电路中的第一电流传感器采样输入相电流Ia，第二电流传感器采样输入相电流Ic；驱动模块的输入接单片机控制模块的控制信号输出端，驱动模块输出的驱动信号接主电路中的开关管门极。

进一步地，所述主电路包括三相不可控的整流电路即第一整流桥、第一双向开关电路、第二双向开关电路、第三双向开关电路、第四电容、第五电容、第一电感；三相电输出端接第一整流桥；第四电容、第五电容串联后，再并联在第一整流桥的输出端，第一电感并联在第一整流桥的输出端；三相电a相的输出端接第一双向开关电路的输入端，三相电b相的输出端接第二双向开关电路的输入端，三相电c相的输出端接第三双向开关电路的输入端，第一双向开关电路第二双向开关电路第三双向开关电路的输出端接于一点并连接到第四电容、第五电容串联的连接点；

所述第一双向开关电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容，第二双向开关电路包括第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管、第二电容，第三双向开关电路包括第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管、第三电容；第一二极管反并联在第一开关管上，第二二极管反并联在第二开关管上，第一开关管的漏极接第一电容的正极，第二开关管的漏极接第一电容的负极，第一开关管的源极接第二开关管的源极；第三二极管反并联在第三开关管上，第四二极管反并联在第四开关管上，第三开关管的漏极接第二电容的正极，第四开关管的漏极接第二电容的负极，第三开关管的源极接第四开关管的源极；第五二极管反并联在第五开关管上，第六二极管反并联在第六开关管上，第五开关管的漏极接第三电容的正极，第六开关管的漏极接第三电容的负极，第五开关管的源极接第六开关管的源极。

进一步地，所述采样电路包括第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器；第一电压传感器的输入和三相电源a相并联，第一电压传感器的输出接单片机控制模块的相电压U_aN采样输入端，第二电压传感器的输入和三相电源b相并联，第二电压传感器的输出接单片机控制模块的相电压U_bN采样输入端，第三电压传感器的输入和第一电感并联，第三电压传感器的输出接单片机控制模块的输出电压U_dc采样输入端；第一电流传感器的输入和三相电a相的输出串联，第一电流传感器的输出接单片机控制模块的相电流Ia采样输入端，第二电流传感器的输入和三相电c相的输出串联，第一电流传感器的输出接单片机控制模块的相电流Ic采样输入端。

进一步地，所述辅助电源模块包括第二整流桥，第六电容、第七电容、第八电容，第一电阻、第二电阻、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805；第二整流桥上下两端分别接输入电源的两端，另外两端分别与第六电容两端连接；第六电容的正极端接第一稳压芯片TL783的输入端，第一稳压芯片TL783的输出端接第二稳压芯片7805的输入端，第二稳压芯片7805的输出端与单片机模块和驱动模块的输入端连接；第一稳压芯片TL783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TL783的输出端；第七电容的一端接第二稳压芯片7805的输入端，另一端接地；第八电容的正极端接第二稳压芯片7805的输出端，负极端接地。

进一步地，所述驱动模块包括三个结构相同的驱动信号判断电路，每个驱动信号判断电路均各自独立包括第三电阻、第五电阻、第九电容、第十一电容、第一非门、第一与门、第二与门、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控制信号连接到第一非门的输入、第五电阻的一端、第一与门的一个输入端、第二与门的一个输入端；第一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九电容的一端，第九电容的另一端接地；第五电阻的另一端接第二与门的另一输入端和第十一电容的一端，第十一电容的另一端接地；第一与门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。

进一步地，每个驱动隔离电路均各自独立包括第一三极管、第二三极管、第十电容、第一变压器、第四电阻；第一三极管的基极和第二三极管的基极相连后连接第一与门的输出，其他驱动隔离电路的构成一样，分别连接第二~第六与门的输出；第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连后与第十电容的一端相连，第一三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片TL783的输出，第二三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第十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四电阻的一端相连，另一端接主电路开关管的源极，第四电阻的另一端接主电路开关管的门极；各个驱动隔离电路之间相互独立，无连接关系。

所述高功率因数三相整流电路的工作方法：单片机控制模块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，则减小双向开关电路的移相角，若两者差值为负，则增大双向开关电路的移相角，通过负反馈使输入电压和输入电流的过零点时刻相同，即功率因数为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、第二电容、第三电容是串连接在负载与输入电源中的，解决了电容耐压的问题。单片机控制模块接收电压传感器和电流传感器的信号，从而选择开关管的开通关断的时刻，从而选择电容接入电路的时刻。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数调节到所需要求，解决了现有技术移植性差的问题。另外，这种双向开关电路的结构也决定了能量可以实现双向流动，虽然电路结构较复杂，采用了六个开关管，但这样易于让电路实现CCM（电流连续工作模式），控制范围宽，广泛适用于大功率的应用场合。

附图说明

图1是本发明的高功率因数三相整流器电路总体结构图。

图2是本发明的辅助电源模块的电路图。

图3是本发明的驱动模块的电路图。

图4是本发明的驱动模块中的驱动隔离电路图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

图1给出了本发明示例的一种三相整流器的总体结构图，其中包括主电路，辅助电源模块，单片机控制模块（可采用常用的单片机），驱动模块。主电路包括第一~第六开关管Q1~Q6，第一~第十二二级管VD1~VD12，第一~第五电容C1~C5，第一电感L，负载，第一~第三电压传感器，第一和第二电流传感器。三相电源、第一和第二电压传感器、第一和第二电流传感器、三相整流桥（VD7~VD12）、第一~第三双向开关电路、第四电容C4、第五电容C5、第一电感L、负载、第三电压传感器顺次连接。第一~第六二极管VD1~VD6分别与第一~第六开关管Q1~Q6反并联，第一开关管Q1的源极和第二开关管Q2的源极相连，第三开关管Q3的源极和第四开关管Q4的源极相连，第五开关管Q5的源极和第六开关管Q6的源极相连，第一电容C1的正极接第一开关管Q1的漏极和第七二极管VD7，第一电容C1的负极接第二开关管Q2的漏极，第二电容C2的正极接第三开关管Q3的漏极，第二电容C2的负极接第四开关管Q4的漏极，第三电容C3的正极接第五开关管Q5的漏极，第三电容C3的负极接第六开关管Q6的漏极。第四电容C4和第五电容C5先串联后并联在三相整流桥的输出端，第一电感L并联在三相整流桥的输出端，第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6的源极均接于第四电容C4和第五电容C5之间。第一电压传感器采样电源a相电压，第二电压传感器采样电源b相电压，第三电压传感器采样输出电压Udc，第一电流传感器采样输入相电流Ia，第二电流传感器采样输入相电流Ic，所有传感器采样信号输出接单片机控制模块对应的采样输入端。负载串连在主电路中，一端接整流电路输出的阳极，一端接整流电路输出的阴极。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。单片机控制模块输出驱动信号给驱动模块。驱动模块将通过调节六个开关管的导通时刻，从而调节各个电容接入电路的时间，从而调节负载的功率因数。

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，第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8，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，两端分别与第六电容C6的两端相接。第六电容C6的正极端接第一稳压芯片TL783的Vin1端，第一稳压芯片TL783的输出端Vout1接第二稳压芯片7805的输入端Vin2，第二稳压芯片7805的输出端Vout2与单片机模块和驱动模块的输入端Vcc连接。第一稳压芯片TL783的接地端与第二电阻一端相接，第二电阻R2的另一端接地。第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端连接，另一端接第一稳压芯片TL783的输出端。第七电容C7接第二稳压芯片7805的输入端，另一端接地。第八电容C8的正极端接第二稳压芯片7805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，第八电容C8为滤波电容，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值调节TL783输出电压的大小，第七电容C7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。第八电容C8为第二稳压芯片7805的输出滤波电容。第一稳压芯片TL783和第二稳压芯片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给出了驱动模块的电路图，驱动模块包括三个结构相同的驱动信号判断电路，每个驱动信号判断电路均各自独立包括第三电阻R3、第五电阻R5、第九电容C9、第十一电容U11、第一非门U、第一与门U1、第二与门U2、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控制信号连接到第一非门U的输入、第五电阻R5的一端、第一与门U1的一个输入端、第二与门U2的一个输入端；第一非门U）的输出接第三电阻R3的一端，第三电阻的另一端接第一与门U1的另一输入端和第九电容C9的一端，第九电容的另一端接地；第五电阻R5的另一端接第二与门U2的另一输入端和第十一电容C11的一端，第十一电容的另一端接地；第一与门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。

图4给出了驱动模块中驱动隔离的电路图，驱动隔离电路包括第一三极管VT1、第二三极管VT2、第十电容C10、第一变压器T1、第四电阻R4；第一三极管的基极和第二三极管VT2的基极相连后连接第一与门U1的输出，其他驱动隔离电路的构成一样，分别连接第二~第六与门的输出；第一三极管VT1的发射极和第二三极管VT2的发射极相连后与第十电容C10的一端相连，第一三极管VT1的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片TL783的输出，第二三极管VT2的集电极与第一变压器T1的一个输入端相连后接地，第十电容C10的另一端接第一变压器T1的另一输入端；第一变压器T1的一个输出端与第四电阻R4的一端相连，另一端接主电路所驱动的开关管的源极，第四电阻R4的另一端接主电路所驱动的开关管的门极。当驱动信号的高电平到来时，第一三极管VT1导通，由于第一变压器T1的作用，驱动信号1输出高电平，驱动开关管导通；当驱动信号为低电平时，第二三极管VT2导通，第一变压器T1输入为低电平，驱动信号1输出低电平，驱动开关管关断。各个驱动隔离电路之间相互独立，无连接关系。

上述的高功率因数三相整流电路的工作方法是：单片机控制模块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，则减小双向开关电路的移相角，若两者差值为负，则增大双向开关电路的移相角，通过负反馈使输入电压和输入电流的过零点时刻相同，即功率因数为1。

Claims

1.一种高功率因数三相整流电路，其特征在于包括主电路、采样电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块；主电路的输入是星形连接的三相交流电Ua、Ub、Uc，其中性点为N；辅助电源模块的输出端分别与单片机控制模块和驱动电路模块的电源输入端连接；采样电路中的第一电压传感器采样输入相电压U_aN，第二电压传感器采样输入相电压U_bN，第三电压传感器采样输出电压U_dc；主电路中的第一电流传感器采样输入相电流Ia，第二电流传感器采样输入相电流Ic；驱动模块的输入接单片机控制模块的控制信号输出端，驱动模块输出的驱动信号接主电路中的开关管门极。

2.根据权利要求1所述的高功率因数三相整流电路，其特征在于所述主电路包括三相不可控的整流电路即第一整流桥、第一双向开关电路、第二双向开关电路、第三双向开关电路、第四电容（C4）、第五电容（C5）、第一电感（L）；三相电输出端接第一整流桥；第四电容（C4）、第五电容（C5）串联后，再并联在第一整流桥的输出端，第一电感（L）并联在第一整流桥的输出端；三相电a相的输出端接第一双向开关电路的输入端，三相电b相的输出端接第二双向开关电路的输入端，三相电c相的输出端接第三双向开关电路的输入端，第一双向开关电路第二双向开关电路第三双向开关电路的输出端接于一点并连接到第四电容（C4）、第五电容（C5）串联的连接点；

所述第一双向开关电路包括第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第一二极管（VD1）、第二二极管（VD2）、第一电容（C1），第二双向开关电路包括第三开关管（Q3）、第四开关管（Q4）、第三二极管（VD3）、第四二极管（VD4）、第二电容（C2），第三双向开关电路包括第五开关管（Q5）、第六开关管（Q6）、第五二极管（VD5）、第六二极管（VD6）、第三电容（C3）；第一二极管（VD1）反并联在第一开关管（Q1）上，第二二极管（VD2）反并联在第二开关管（Q2）上，第一开关管（Q1）的漏极接第一电容（C1）的正极，第二开关管（Q2）的漏极接第一电容（C1）的负极，第一开关管（Q1）的源极接第二开关管（Q2）的源极；第三二极管（VD3）反并联在第三开关管（Q3）上，第四二极管（VD4）反并联在第四开关管（Q4）上，第三开关管（Q3）的漏极接第二电容（C2）的正极，第四开关管（Q4）的漏极接第二电容（C2）的负极，第三开关管（Q3）的源极接第四开关管（Q4）的源极；第五二极管（VD5）反并联在第五开关管（Q5）上，第六二极管（VD6）反并联在第六开关管（Q6）上，第五开关管（Q5）的漏极接第三电容（C3）的正极，第六开关管（Q6）的漏极接第三电容（C3）的负极，第五开关管（Q5）的源极接第六开关管（Q6）的源极。

3.根据权利要求1所述的高功率因数三相整流电路，其特征在于所述采样电路包括第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器；第一电压传感器的输入和三相电源a相并联，第一电压传感器的输出接单片机控制模块的相电压U_aN采样输入端，第二电压传感器的输入和三相电源b相并联，第二电压传感器的输出接单片机控制模块的相电压U_bN采样输入端，第三电压传感器的输入和第一电感（L）并联，第三电压传感器的输出接单片机控制模块的输出电压U_dc采样输入端；第一电流传感器的输入和三相电a相的输出串联，第一电流传感器的输出接单片机控制模块的相电流Ia采样输入端，第二电流传感器的输入和三相电c相的输出串联，第一电流传感器的输出接单片机控制模块的相电流Ic采样输入端。

4.根据权利要求2所述的高功率因数三相整流电路，其特征在于所述辅助电源模块包括第二整流桥（Bridge），第六电容（C6）、第七电容（C7）、第八电容（C8），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；第二整流桥上下两端分别接输入电源（V_AC）的两端，另外两端分别与第六电容两端连接；第六电容的正极端接第一稳压芯片TL783的输入端，第一稳压芯片TL783的输出端接第二稳压芯片7805的输入端，第二稳压芯片7805的输出端与单片机模块和驱动模块的输入端连接；第一稳压芯片TL783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TL783的输出端；第七电容的一端接第二稳压芯片7805的输入端，另一端接地；第八电容的正极端接第二稳压芯片7805的输出端，负极端接地。

5.根据权利要求1所述的高功率因数三相整流电路，其特征在于所述驱动模块包括三个结构相同的驱动信号判断电路，每个驱动信号判断电路均各自独立包括第三电阻（R3）、第五电阻（R5）、第九电容（C9）、第十一电容、第一非门（U）、第一与门（U1）、第二与门（U2）、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控制信号连接到第一非门（U）的输入、第五电阻（R5）的一端、第一与门（U1）的一个输入端、第二与门（U2）的一个输入端；第一非门（U）的输出接第三电阻（R3）的一端，第三电阻的另一端接第一与门（U1）的另一输入端和第九电容（C9）的一端，第九电容的另一端接地；第五电阻（R5）的另一端接第二与门（U2）的另一输入端和第十一电容（C11）的一端，第十一电容的另一端接地；第一与门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。

6.根据权利要求5所述的高功率因数三相整流电路，其特征在于每个驱动隔离电路均各自独立包括第一三极管（VT1）、第二三极管（VT2）、第十电容（C10）、第一变压器（T1）、第四电阻（R4）；第一三极管（VT3）的基极和第二三极管（VT2）的基极相连后连接第一与门（U1）的输出，其他驱动隔离电路的构成一样，分别连接第二~第六与门的输出；第一三极管（VT1）的发射极和第二三极管（VT2）的发射极相连后与第十电容（C10）的一端相连，第一三极管（VT1）的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片TL783的输出，第二三极管（VT2）的集电极与第一变压器（T1）的一个输入端相连后接地，第十电容（C10）的另一端接第一变压器（T1）的另一输入端；第一变压器（T1）的一个输出端与第四电阻（R4）的一端相连，另一端接主电路开关管的源极，第四电阻（R4）的另一端接主电路开关管的门极；各个驱动隔离电路之间相互独立，无连接关系。

7.权利要求1~6任一项所述高功率因数三相整流电路的工作方法，其特征在于：单片机控制模块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，则减小双向开关电路的移相角，若两者差值为负，则增大双向开关电路的移相角，通过负反馈使输入电压和输入电流的过零点时刻相同，即功率因数为1。