CN105141121B - 一种功率因数校正模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率因数校正技术领域，具体公开了一种功率因数校正模块，所述功率因数校正模块包括滤波电感模块、整流模块、第一复数处理模块、第二复数处理模块、有功功率和无功功率计算模块、偏差值量化及换算模块等。本发明提供的功率因数校正模块，可有效提高功率因数与动态响应速度，且具有良好的调压功能，同时还具有电路体积少、重量少等优点。

Description

一种功率因数校正模块

技术领域

本发明涉及功率因数校正技术领域，具体涉及一种功率因数校正模块。

背景技术

传统的功率因数校正（PFC）电路，分为无源PFC与有源PFC。无源PFC通常为在整流器与电容之间接入一个滤波电感，或者在交流侧并联接入LC滤波器。无源PFC电路的体积、重量较大，且难以获得较高的功率因数（通常为0.9左右），其工作性能与频率、负载变化以及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流并可能引发电路L、C谐振等。而有源PFC电路只能工作于DCM模式（非连续导通模式）则存在则电压、电流应力大，谐波大等缺点，而且要提高功率因数，需提高直流电压。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种功率因数校正模块，该功率因数校正模块可有效提高功率因数与动态响应速度，且具有良好的调压功能，同时还具有电路体积少、重量少等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种功率因数校正模块，包括滤波电感模块、整流模块、第一复数处理模块、第二复数处理模块、有功功率和无功功率计算模块，所述滤波电感模块与整流模块依次串联连接于电源输入模块与负载之间，所述有功功率和无功功率计算模块的输入端具有第一输入端、第二输入端、第三输入端以及第四输入端；

所述电源输入模块的输出端通过相位检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第一输入端连接，所述电源输入模块的输出端依次通过电压检测模块、第一复数处理模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第二输入端连接，所述电源输入模块的输出端依次通过电流检测模块、第二复数处理模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第三输入端连接，所述整流模块的输出端通过负载电压检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第四输入端连接，所述有功功率和无功功率计算模块的输出端与所述整流模块之间依次串联连接有偏差值量化及换算模块、脉冲输出模块、隔离驱动模块。

进一步地，所述负载电压检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第四输入端之间依次连接有运算模块以及比例积分模块；所述运算模块还连接有负载调整模块。

优选地，所述第一复数处理模块与第二复数处理模块均包括依次连接的数据采样及数字化处理模块、频域数据转换模块、复数实部数值和虚部数值获取及处理模块。

优选地，所述有功功率和无功功率计算模块包括两比例积分模块，两相位补偿模块，以及运算模块A、运算模块B、运算模块C、运算模块D；

所述运算模块A依次通过一比例积分模块以及运算模块B与所述偏差值量化及换算模块的一输入端连接，所述运算模块C依次通过另一比例积分模块以及运算模块D与所述偏差值量化及换算模块的另一输入端连接；

所述第一复数处理模块中输出实部数值的输出端与所述运算模块B连接，所述第一复数处理模块中输出虚部数值的输出端与所述运算模块D连接；

所述第二复数处理模块中输出实部数值的输出端通过一相位补偿模块与所述运算模块D连接，且该输出端还与所述运算模块A连接；所述第二复数处理模块中输出虚部数值的输出端通过另一相位补偿模块与所述运算模块B连接，且该输出端还与所述运算模块C连接；

所述相位检测模块与两相位补偿模块均连接，与所述运算模块连接的比例积分模块与所述运算模块A连接。

优选地，所述滤波电感模块设置有数目与所述电源输入模块的相数相适配的滤波电感；

所述整流模块包括有数目与所述电源输入模块的相数相适配的整流支路，每一整流支路均包括串联连接的第一开关与第二开关，所述第一开关并联连接有一二极管，且以该二极管阴极的一端作为整流模块的正输出端，所述第二开关并联连接有一二极管，且以该二极管阳极的一端作为整流模块的负输出端；

每一整流支路中，第一开关与第二开关相互连接的一端作为整流模块的一输入端，整流模块的每一输入端均通过一所述滤波电感与所述电源输入模块连接。

与现有技术相比，本发明提供的功率因数校正模块具有的有益技术效果有：（1）可以将电源输入模块中输入的交流电源的输入电流控制为畸变很小的正弦化电流，功率因数可接近于1；（2）使电路的动态响应速度显著提高，而且电路的体积和重量均可有效减少；（3）功率因数校正模块的直流输出电压可以大于交流电源电压峰值，也可以低于交流电源电压峰值，具有良好的调压功能；（4）功率因数校正模块既可运行在整流状态，也可运行在逆变状态。

附图说明

附图1为本发明实施例1中所述功率因数校正模块的电路原理示意框图；

附图2为本发明实施例2中所述功率因数校正模块的电路原理示意框图；

附图3为本发明实施例3中所述功率因数校正模块的电路原理示意框图；

附图4为本发明实施例中所述第一复数处理模块与第二复数处理模块的电路原理示意框图；

附图5为本发明实施例中所述有功功率和无功功率计算模块的电路原理示意图；

附图6为本发明实施例中所述滤波电感模块与整流模块的电路原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例1

如附图1所示，一种功率因数校正模块，其包括滤波电感模块、整流模块、第一复数处理模块、第二复数处理模块、有功功率和无功功率计算模块，所述滤波电感模块与整流模块依次串联连接于电源输入模块与负载之间，所述有功功率和无功功率计算模块的输入端具有第一输入端、第二输入端、第三输入端以及第四输入端（图1中的一、二、三、四分别代表有功功率和无功功率计算模块的第一至第四输入端）；

所述电源输入模块的输出端通过相位检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第一输入端连接，所述电源输入模块的输出端依次通过电压检测模块、第一复数处理模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第二输入端连接，所述电源输入模块的输出端依次通过电流检测模块、第二复数处理模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第三输入端连接，所述整流模块的输出端通过负载电压检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第四输入端连接，所述有功功率和无功功率计算模块的输出端与所述整流模块之间依次串联连接有偏差值量化及换算模块、脉冲输出模块、隔离驱动模块；其中，负载并联连接有滤波电容CO；

所述有功功率和无功功率计算模块用于将其输入端接收到的数据进行相位补偿处理、比例积分处理以及运算处理，计算出系统的有功功率和无功功率，并将计算结果输出至所述偏差值量化及换算模块；本发明中所述的系统，是指所述功率因数校正模块与所述负载所构成的整体，即系统的有功功率与无功功率是指功率因数校正模块与负载作为一个整体工作时的有功功率与无功功率。

所述相位检测模块用于将检测到的相位数据传输至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理，所述第一复数处理模块用于将接收到的电压数据进行处理，以获取电压数据中的实部数值与虚部数值，并分别将所述电压数据中的实部数值与虚部数值所述有功功率和无功功率计算模块进行处理；所述第二复数处理模块用于将接收到的电流数据进行处理，以获取电流数据中的实部数值与虚部数值，并分别将所述电流数据中的实部数值与虚部数值输出至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理；

所述负载电压检测模块用于检测负载端的电压信号并将其反馈至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理；

所述偏差值量化及换算模块用于将系统的有功功率和无功功率之间的偏差值进行量化处理，将其换算为所述系统的电流超前或滞后电压的数字量，并将换算结果输出至所述脉冲输出模块；

所述偏差值量化及换算模块用于将有功功率和无功功率之间的偏差值进行量化处理，并将其换算为所述系统的电流超前或滞后电压的数字量，再将换算结果输出至所述脉冲输出模块；

所述脉冲输出模块用于将所述电流超前或滞后电压的数字量转化为对应的脉冲矩阵信号，并调制成相应的高频信号输出至所述隔离驱动模块；隔离驱动模块将系统的强电信号与弱电信号进行隔离并输出相应的驱动信号，驱动整流模块进行工作，最终实现系统的动态平衡，达到电流与电压同步的目的，有效提高系统的功率因数。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上增加了运算模块、比例积分模块以及负载调整模块。如附图2所示，所述负载电压检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第四输入端之间依次连接有运算模块以及比例积分模块；所述运算模块还连接有负载调整模块。

所述负载调整模块用于用户根据负载的实际输出需求进行调整，输入相应的电压信号，并通过运算模块将其输入的电压信号与负载电压检测模块中检测到的负载端的电压信号进行运算处理，运算处理模块将处理后的信号输出至比例积分模块，比例积分模块将接收到的信号进行比例积分处理后再输入所述有功功率和无功功率计算模块，以实现调整过程中的稳、快、准，有效提高电路的动态响应速度和功率因数；其中，在比例积分处理过程中，比例系数与积分系数随着系统的功率的不同而不同。

在本实施例中，附图2为所述功率因数校正模块应用于三相交流输入电源时的电路原理示意框图，即所述电源输入模块为三相交流电源模块；相应地，所述整流模块为三相整流模块，同样，滤波电感模块也设置有数目与所述电源输入模块的相数相适配的滤波电感，即滤波电感模块设置有三个滤波电感，各滤波电感与所述电源输入模块、三相整流模块的连接关系如附图2所示，在此不再赘述。

实施例3

本发明提供的功率因数校正模块不仅可以应用于三相交流输入电源中，还可以应用于其他类型的交流输入电源中，如两相交流输入电源。

附图3为所述功率因数校正模块应用于两相交流输入电源时的电路原理示意框图，即所述电源输入模块为两相交流电源模块。本实施例与实施例2的不同支持仅在于：所述电源输入模块具体为两相交流电源模块，相应地，滤波电感模块设置有与所述电源输入模块的相数相适配的滤波电感（即设置两个滤波电感），整流模块为两相整流模块；同时，所述脉冲输出模块的输出端也由三路输出相应地变为两路输出。滤波电感模块中的各滤波电感与所述电源输入模块、两相整流模块的连接关系如附图3所示，在此不再赘述。

本发明实施例中，所述的相位检测模块、电压检测模块、电流检测模块、负载电压检测模块、脉冲输出模块、隔离驱动模块、负载调整模块、运算模块、以及比例积分模块等功能模块皆为现有技术中可实现的功能模块，在此对其不再详述；所述偏差值量化及换算模块用于将系统的有功功率和无功功率之间的偏差值进行量化处理，将其换算为所述系统的电流超前或滞后电压的数字量；而将两个数据的偏差值进行量化处理并换算为对应的数字量，也为现有技术可实现的功能，在此也不再对差值量化及换算模块进行详述。

以下对上述各实施例中的第一复数处理模块、第二复数处理模块、有功功率和无功功率计算模块、整流模块作进一步的详细说明。

在本发明实施例中，第一复数处理模块与第二复数处理模块在本发明中的电路结构原理相同，因此对其作统一的描述说明。根据物理特性，当用复数形式表示系统功率时，复数的实部数值表示有功功率，而虚部数值则表示无功功率。由于实际的物理信号（如电压检测模块与电流检测模块检测所得的电压信号与电流信号）为一种时域模拟信号，因此，第一复数处理模块与第二复数处理模块先将时域数据转换成频域数据，然后将频域数据转换成复数表达形式的数据，最后再获取复数的实部数值与虚部数值。

本发明实施例中的第一复数处理模块与第二复数处理模块如附图4所示，所述第一复数处理模块与第二复数处理模块包括依次连接的数据采样及数字化处理模块、频域数据转换模块、复数实部数值和虚部数值获取及处理模块。

所述数据采样及数字化处理模块用于对所述电压检测模块检测到的电压数据或电流检测模块检测到的电流数据进行高频采样并将其转化为相应的时域数字化数据，最后将所述时域数字化数据输出至所述频域数据转换模块；

所述频域数据转换模块用于将接收到的时域数字化数据转换成频域数据并将其输出至复数实部数值和虚部数值获取及处理模；

所述复数实部数值和虚部数值获取及处理模块用于将接收到的频域数据转换为复数表达形式的数据，以获取该数据的复数实部数值和虚部数值，并分别将所述实部数值与虚部数值输出至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理。

其中，在将时域数据转换成频域数据时，可以利用拉普拉斯变换进行相应的运算处理实现，而通过拉普拉斯变换将时域数据转换成频域数据为现有可实现的技术，在此不再详述；同样，利用拉普拉斯变换得到的频域数据通过相应的算法处理转换为复数表达形式的数据，亦为现有算法可实现的功能，在此不再详述。

本发明实施例中所述的有功功率和无功功率计算模块，用于将其输入端接收到的数据进行相位补偿处理、比例积分处理以及运算处理，计算出系统的有功功率和无功功率，并将计算结果输出至所述偏差值量化及换算模块。如附图5所示，所述有功功率和无功功率计算模块包括两比例积分模块，两相位补偿模块，以及运算模块A、运算模块B、运算模块C、运算模块D；

所述运算模块A依次通过一比例积分模块以及运算模块B与所述偏差值量化及换算模块的一输入端连接，所述运算模块C依次通过另一比例积分模块以及运算模块D与所述偏差值量化及换算模块的另一输入端连接；

所述第一复数处理模块中输出实部数值的输出端与所述运算模块B连接，所述第一复数处理模块中输出虚部数值的输出端与所述运算模块D连接；

所述第二复数处理模块中输出实部数值的输出端通过一相位补偿模块与所述运算模块D连接，且该输出端还与所述运算模块A连接；所述第二复数处理模块中输出虚部数值的输出端通过另一相位补偿模块与所述运算模块B连接，且该输出端还与所述运算模块C连接；

所述相位检测模块与两相位补偿模块均连接，与所述运算模块连接的比例积分模块与所述运算模块A连接。

上述的比例积分模块，相位补偿模块，各运算模块（运算模块A、B、C、D）为现有技术可实现的功能模块，在此不再对其具体的电路结构与原理进行详述。

本发明实施例中的有功功率和无功功率计算模块以应用于三相交流输入电源时为具体实施例进行说明。由于在三相电源中，其每一相固定相差120度，每一相的电压都可以用其中的一相旋转120度或240度得到。因此在有功功率和无功功率计算模块中采用旋转坐标系分析方法便于数字系统分析运算；而由于最终的物理意义是在静止的坐标系中描述，因此通过旋转坐标系的方法把矢量进行合成，最后投影在静止坐标系中，即可得到相应的运算结果。

在附图5中，Uq、Ud分别为第一复数处理模块中输出的关于电源输入模块中的输入电压数据中的实部数值与虚部数值，Iq、Id分别为第二复数处理模块中输出的关于电源输入模块中的输入电流数据中的实部数值与虚部数值，Vdc为负载电压，而V*dc则为负载调整模块输出的电压；V*q是指电压在旋转坐标系中q轴的矢量分量、V*d是指电压在旋转坐标系中d轴的矢量分量、 I*q是指电流在旋转坐标系中q轴的矢量分量、I*d是指电流在旋转坐标系中d轴的矢量分量（本实施例中预预置I*d=0），V*α是电压在静止坐标系中α轴的矢量分量（物理意义有功部分）、V*β是电压在静止坐标系中β轴的矢量分量（物理意义无功部分）。

本发明实施例中，所述的整流模块包括有数目与所述电源输入模块的相数相适配的整流支路（即若所述电源输入模块为三相交流输入电源，则整流模块为三相整流模块，其具有三条整流支路；若所述电源输入模块为两相交流输入电源，则整流模块为两相整流模块，其具有两条整流支路），每一整流支路均包括串联连接的第一开关与第二开关，所述第一开关并联连接有一二极管，且以该二极管阴极的一端作为整流模块的正输出端，所述第二开关并联连接有一二极管，且以该二极管阳极的一端作为整流模块的负输出端； 每一整流支路中，第一开关与第二开关相互连接的一端作为整流模块的一输入端，整流模块的每一输入端均通过一所述滤波电感与所述电源输入模块连接。

本实施例中的整流模块以应用于实施例2中的三相整流模块为具体实施例进行说明。如附图6所示，三相整流模块包括开关S1-S6，二极管D1-D6，其中S1、S4、D1、D4组成一整流支路， S2、S5、D2、D5组成另一整流支路，剩下的S3、S6、D3、D6也组成一整流支路，各开关与各二极管连接关系如附图5所示，在此不再详述。本发明实施例所述的开关，可以为由开关管组成的开关电路或者为具有开关功能的IC等。其中，附图2中所示脉冲输出模块的输出信号Sa、Sb、Sc的逻辑值与附图6中各开关的开关状态如下表所示：

	0	1
			Sa	S1关断，S4导通	S1导通，S4关断
Sb	S2关断，S5导通	S2导通，S5关断
			Sc	S3关断，S6导通	S3导通，S6关断

在功率因数校正模块与负载连接处于工作状态时，当系统（即功率因数校正模块与负载作为一个整体）的电流矢量I*超前电压矢量U*，或者电流矢量I*滞后电压矢量U*时，通过有功功率模块与整流模块等功能模块的配合，利用相位补偿模块对电流进行相应的补偿，使得经过3-4个工作周期的调整后，电流电流矢量I*与电压矢量U*的方向即可基本一致，从而可有效提高系统的功率。

另外，在本发明实施例中，为了减少功率因数校正模块的体积和重量，所述的第一、第二复数处理模块，有功功率和无功功率模块、偏差值量化及换算模块等功能模块可以集成在同一微处理器中的方式实现其相应的功能，或者所述的整流模块集成在一IC实现其相应的功能。

本发明实施例中的功率因数校正模块，其具有以下有益技术效果有：（1）可以将电源输入模块中输入的交流电源的输入电流控制为畸变很小的正弦化电流，功率因数可接近于1；（2）使电路的动态响应速度显著提高，而且电路的体积和重量均可有效减少；（3）由于滤波电感模块中电感上的压降不大，使得功率因数校正模块的直流输出电压可以大于交流电源电压峰值，也可以低于交流电源电压峰值，从而具有良好的调压功能；（4）功率因数校正模块既可运行在整流状态，也可运行在逆变状态。

最后，需说明的是，本发明中的各功能模块，其可以根据实际需要将多个功能模块集成在一个电路模块来实现其相应的功能，或者某些功能模块的功能可以通过硬件与软件结合（如微处理器与现有的程序算法结合）来实现；或者还可将某一个功能模块分为多个功能模块来实现，总之，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

上述实施例中提到的内容为本发明较佳的实施方式，并非是对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种功率因数校正模块，其特征在于：包括滤波电感模块、整流模块、第一复数处理模块、第二复数处理模块、有功功率和无功功率计算模块，所述滤波电感模块与整流模块依次串联连接于电源输入模块与负载之间，所述有功功率和无功功率计算模块的输入端具有第一输入端、第二输入端、第三输入端以及第四输入端；

所述电源输入模块的输出端通过相位检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第一输入端连接，所述电源输入模块的输出端依次通过电压检测模块、第一复数处理模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第二输入端连接，所述电源输入模块的输出端依次通过电流检测模块、第二复数处理模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第三输入端连接，所述整流模块的输出端通过负载电压检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第四输入端连接，所述有功功率和无功功率计算模块的输出端与所述整流模块之间依次串联连接有偏差值量化及换算模块、脉冲输出模块、隔离驱动模块；

所述有功功率和无功功率计算模块用于将其输入端接收到的数据进行相位补偿处理、比例积分处理以及运算处理，计算出系统的有功功率和无功功率，并将计算结果输出至所述偏差值量化及换算模块，所述系统是指所述功率因数校正模块与所述负载所构成的整体；

所述相位检测模块用于将检测到的相位数据传输至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理，所述第一复数处理模块用于将接收到的电压数据进行处理，以获取电压数据中的实部数值与虚部数值，并分别将所述电压数据中的实部数值与虚部数值所述有功功率和无功功率计算模块进行处理；所述第二复数处理模块用于将接收到的电流数据进行处理，以获取电流数据中的实部数值与虚部数值，并分别将所述电流数据中的实部数值与虚部数值输出至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理；

所述偏差值量化及换算模块用于将有功功率和无功功率之间的偏差值进行量化处理，并将其换算为所述系统的电流超前或滞后电压的数字量，再将换算结果输出至所述脉冲输出模块；

所述脉冲输出模块用于将所述系统的电流超前或滞后电压的数字量转化为对应的脉冲矩阵信号，并调制成相应的高频信号输出至所述隔离驱动模块。

2.根据权利要求1所述的功率因数校正模块，其特征在于：所述负载电压检测模块与所述有功功率和无功功率计算模块的第四输入端之间依次连接有运算模块以及比例积分模块。

3.根据权利要求2所述的功率因数校正模块，其特征在于：所述运算模块还连接有负载调整模块。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的功率因数校正模块，其特征在于：所述第一复数处理模块与第二复数处理模块均包括依次连接的数据采样及数字化处理模块、频域数据转换模块、复数实部数值和虚部数值获取及处理模块；

所述数据采样及数字化处理模块用于对所述电压检测模块检测到的电压数据或电流检测模块检测到的电流数据进行高频采样并将其转化为相应的时域数字化数据，最后将所述时域数字化数据输出至所述频域数据转换模块；

所述频域数据转换模块用于将接收到的时域数字化数据转换成频域数据并将其输出至复数实部数值和虚部数值获取及处理模；

所述复数实部数值和虚部数值获取及处理模块用于将接收到的频域数据转换为复数表达形式的数据，以获取该数据的复数实部数值和虚部数值，并分别将所述实部数值与虚部数值输出至所述有功功率和无功功率计算模块进行处理。

5.根据权利要求4所述的功率因数校正模块，其特征在于：所述有功功率和无功功率计算模块包括两比例积分模块，两相位补偿模块，以及运算模块A、运算模块B、运算模块C、运算模块D；

所述运算模块A依次通过一比例积分模块以及运算模块B与所述偏差值量化及换算模块的一输入端连接，所述运算模块C依次通过另一比例积分模块以及运算模块D与所述偏差值量化及换算模块的另一输入端连接；

所述第一复数处理模块中输出实部数值的输出端与所述运算模块B连接，所述第一复数处理模块中输出虚部数值的输出端与所述运算模块D连接；

所述第二复数处理模块中输出实部数值的输出端通过一相位补偿模块与所述运算模块D连接，且该输出端还与所述运算模块A连接；所述第二复数处理模块中输出虚部数值的输出端通过另一相位补偿模块与所述运算模块B连接，且该输出端还与所述运算模块C连接；

所述相位检测模块与两相位补偿模块均连接，与所述运算模块连接的比例积分模块与所述运算模块A连接。

6.根据权利要求5所述的功率因数校正模块，其特征在于：所述滤波电感模块设置有数目与所述电源输入模块的相数相适配的滤波电感；

所述整流模块包括有数目与所述电源输入模块的相数相适配的整流支路，每一整流支路均包括串联连接的第一开关与第二开关，所述第一开关

并联连接有一二极管，且以该二极管阴极的一端作为整流模块的正输出端，所述第二开关并联连接有一二极管，且以该二极管阳极的一端作为整流模块的负输出端；

每一整流支路中，第一开关与第二开关相互连接的一端作为整流模块的一输入端，整流模块的每一输入端均通过一所述滤波电感与所述电源输入模块连接。