CN111007424B - 模拟功率因数的交流负载系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟功率因数的交流负载系统及其方法，包括一负载模拟电路，包括一可调电阻网络、一可调电感网络、一可调电容网络，该负载模拟电路通过导线连接一交流电源，其中该可调电阻网络中包括至少一电阻，该可调电感网络中包括至少一电感，该可调电容网络中包括至少一电容。一路径切换电路连接于该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络、该可调电容网络。一控制单元依据一设定单元所设定的预设功率因数值或电阻、电感及电容值，通过该路径切换电路选择性地将该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络、该可调电容网络以一串并联型式连接于该交流电源。
Description
技术领域
本发明是关于一种交流电子负载，特别是一种模拟功率因数的交流负载系统及其方法。
背景技术
交流负载模拟装置是用以模拟交流电路中各种实际负载，以了解并测试交流电源供应装置或功率组件在特定负载下的工作状态。
逆变器(Inverter)、不断电电源(UPS)等实际电负载可区分为电阻性、电容性、电感性及整流性负载，其中电阻性及整流性负载以目前市场的已知交流电子负载产品可以模拟，但电容性及电感性负载的模拟仍然有困难。
本发明申请人先前提出用补偿电源方法来模拟电感性及电容性负载的交流负载模拟装置(发明专利第I540329号)，以期解决交流LC的PF功率因素负载的正电压负电流及负电压正电流，电子元件无法工作的范围。但此方法成本高，又当待测试电源的频率变动或电源电压波形不是正弦波时便不适用。
发明内容
本发明的主要目的即是提供一种可模拟功率因数的交流负载系统。本发明采用被动元件及配合的控制电路来达成模拟电感性及电容性负载的目的。
本发明所采用的技术手段是包括一负载模拟电路，包括一可调电阻网络、一可调电感网络、一可调电容网络，该负载模拟电路通过导线连接一交流电源，其中该可调电阻网络中包括至少一电阻，该可调电感网络中包括至少一电感，该可调电容网络中包括至少一电容。一路径切换电路连接于该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络、该可调电容网络。一控制单元依据一设定单元所设定的预设功率因数值及电流值或电阻、电感、电容值，该预设功率因素值及电流值，实质上就是负载的电阻、电感、电容所组成的结果，两者为等效关系，通过该路径切换电路选择性地将该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络、该可调电容网络以一串并联型式连接于该交流电源。
较佳实施例中，本发明更包括一功率因数检测电路，连接于该交流电源和该负载模拟电路之间，用以检测该交流电源的电压值和通过该导线的电流值，并依据该电压值、电流值计算一实测功率因数值；一判别电路，连接该功率因数检测电路，用以接收及判别该实测功率因数和该预设功率因数值间的至少一误差值，并将该至少一误差值传送至该控制单元。控制单元依据该误差值控制该路径切换电路的该多个切换单元，以调节该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络、该可调电容网络的该串并联型式，以调节该负载模拟电路符合该预设功率因数值。
较佳实施例中，该功率因数检测电路包括:一电压检测电路，跨接于该导线，用以检测该交流电源的该电压值；一模拟至数字转换器，连接于该电压检测电路，产生一数字型式的该电压值；一电流检测元件，串联在该导线；一电流检测电路，连接于该电流检测元件，用以检测通过该导线的该电流值；一模拟至数字转换器，连接于该电流检测电路，产生一数字型式的该电流值；一计算单元，连接该电压检测电路和该电流检测电路，依据接收的数字型式的该电压值和该数字电流值计算得到该实测功率因数值。
较佳实施例中，该可调电阻网络中的该至少一电阻是包括至少一电阻元件或操作于电子负载定电阻模式或定电流模式的电子负载之一。
在效果方面，本发明可广泛使用在各种电阻性、电容性、电感性的测试。本发明也适用在整流性负载(亦即在电子产品的电源电路中包括有整流电路、滤波电容等元件)的测试。本发明也适用各种非正弦波或频率变化(变频)的测试应用。
本发明所采用的具体技术，将通过以下的实施例及附呈图式作进一步的说明。
附图说明
图1是显示本发明模拟功率因数的交流负载系统及其方法的电路方块图。
图2A是显示图1中的可调电阻网络R的一实施例示意图。
图2B是显示图1中的可调电阻网络R采用一操作于电子负载定电阻模式的实施例示意图。
图2C是显示图1中的可调电阻网络R采用一操作于电子负载定电流模式的实施例示意图。
图3是显示图1中的可调电感网络L的一实施例示意图。
图4是显示图1中的可调电容网络C的一实施例示意图。
图5是显示图1中的串联等效电阻Rs的一实施例示意图。
图6是显示图1中功率因数检测电路的进一步电路图。
图7是显示本发明控制流程图。
图8是显示本发明在进行实测功率因数值的量测时的控制流程图。
附图标记：
1 负载模拟电路
2 路径切换电路
3 控制单元
4 设定单元
5 功率因数检测电路
51 电压检测电路
52 模拟至数字转换器
53 计算单元
54 电流检测元件
55 电流检测电路
56 模拟至数字转换器
6 判别电路
ACV 交流电源
R 可调电阻网络
R1、R2、R3...Rn 电阻
Rext 扩增电阻压点
Rs 串联等效电阻
Rs1、Rs2、Rs3...Rsn 等效电阻
Rsext 扩增串联等效电阻压点
L 可调电感网络
L1、L2、L3...Ln 电感
Lext 扩增电感压点
C 可调电容网络
C1、C2、C3...Cn 电容
Cext 扩增电容压点
PF1 预设功率因数值
PF2 实测功率因数值
E 误差值
V 电压值
I 电流值
I1 负载电流值
S11、S12、S13...S1n、S1ext 切换单元
S21、S22、S23...S2n、S2ext 切换单元
S31、S32、S33...S3n、S3ext 切换单元
S41、S42、S43...S4n、S4ext 切换单元
W1、W2 导线
具体实施方式
请同时参阅图1所示，其显示本发明模拟功率因数的交流负载系统及的电路方块图。本发明的模拟功率因数的交流负载系统包括一负载模拟电路1，其经由一对导线W1、W2连接一交流电源ACV。负载模拟电路1是可由一可调电阻网络R、一可调电感网络L、一可调电容网络C所组成。
一路径切换电路2包括多个切换单元，分别连接于该负载模拟电路1的可调电阻网络R、可调电感网络L、可调电容网络C。
一控制单元3，通过该路径切换电路2连接于该负载模拟电路1中的可调电阻网络R、可调电感网络L、可调电容网络C。一设定单元4连接于该控制单元3，供使用者设定一预设功率因数值PF1、负载模拟电路1的负载电流值I1或电阻、电感、电容设定值。
控制单元3依据设定单元4所设定的预设功率因数值PF1及负载电流值I1，通过该路径切换电路2选择性地将该负载模拟电路1的可调电阻网络R、可调电感网络L、可调电容网络C以一串并联型式连接于该交流电源ACV，以组成符合该预设功率因数值PF1及负载电流值I1的交流负载电路。
一功率因数检测电路5连接于交流电源ACV和负载模拟电路1之间，用以检测导线W1、W2间的电压值V和通过该导线W1、W2的电流值I，并依据该电压值V、电流值I及交流电源的功率值W计算一实测功率因数值PF2，PF2＝W/VI。
一判别电路6可接收及判别该功率因数检测电路5所量测出的实测功率因数值PF2和设定单元4所设定的预设功率因数值PF1间的误差值E，并将该误差值E传送至控制单元3。
控制单元3除了依据设定单元4所设定的预设功率因数值PF1及负载电流值I1，通过路径切换电路2选择性地控制负载模拟电路1的可调电阻网络R、可调电感网络L、可调电容网络C之外，亦依据判别电路6所产生的误差值E控制该路径切换电路2的对应切换单元调节该负载模拟电路1的该可调电阻网络R、可调电感网络L、可调电容网络C的串并联型式，直到负载模拟电路1精确符合使用者所预设定的功率因数值及负载电流值。
除电感、电容外，会再视需要增加一个串联等效电阻Rs。串联等效电阻Rs是模拟实际应用时交流电源(例如UPS或Inverter)输出到电器设备输入的导线、保险丝、开关、EMI滤波器及连接器的等效电阻，此串联等效电阻Rs即是模拟实际的等效电阻值。
前述可调电阻网络R可采用操作于电子负载定电阻模式(CR Mode)或定电流模式(CC Mode)的电孒模拟负载，亦可采用内建一个或多个电阻元件而构成可调电阻网络R。可调电感网络L是模拟实际负载(例如马达、压缩机、吸尘器、冷气机、洗衣机、电冰箱等)的等效电感值。可调电感网络L中内建一个或多个电感元件。可调电容网络C是模拟实际上并联于电感性负载的等效电容器，因为马达或压缩机等实际负载会变化，功率因数调整是偏重载时调整到约大于-0.8以上，所以当空载或轻载时会变成电容性，这时候电流会超前电压，所以有电容性存在。可调电容网络C中内建一个或多个电容元件。
基本上电感、电容阻抗的范围分别视负载而定，例如电感负载或电容负载是负载的50％，另外50％为电子负载或电阻负载，这样的功率因数值为45度约能达到+0.707～-0.707，来满足实际电容性及电感性的负载需求。若要更大功率因数范围就需要再并联电阻、电感、电容模块，就能够实现。
负载模拟电路1中除了内建的一个或多个电阻、电感、电容之外，另可外加客户自行自订的并联或串联的扩增电感与电容，若不足则可再扩增所需的电阻、电感、电容模块。
图2A显示图1中的可调电阻网络R的一实施例，其包括多个电阻R1、R2、R3...Rn及多个切换单元S11、S12、S13...S1n。各个切换单元S11、S12、S13...S1n是分别对应地串联连接于各个电阻R1、R2、R3...Rn。故当控制切换单元S11、S12、S13...S1n的通路和开路，即可由多个电阻R1、R2、R3...Rn组成具有所需电阻值的可调电阻网络R。可调电阻网络R中可预留一扩增电阻压点Rext与一扩增切换单元S1ext，便于外加所需的扩增电阻。
图2B显示图1中的可调电阻网络R采用一操作于电子负载定电阻模式的实施例示意图。图2C显示图1中的可调电阻网络R采用一操作于电子负载定电流模式的实施例示意图。
图3显示图1中的可调电感网络L的一实施例，其包括多个电感L1、L2、L3...Ln及多个切换单元S21、S22、S23...S2n。各个切换单元S21、S22、S23...S2n是分别串联连接于各个电感L1、L2、L3...Ln后再予以并联。故当控制切换单元S21、S22、S23...S2n的通路和开路，即可由多个电感L1、L2、L3...Ln组成具有所需电感值的可调电感网络L。可调电感网络L中可预留一扩增电感压点Lext与一扩增切换单元S2ext，便于外加所需的扩增电感。
图4显示图1中的可调电容网络C的一实施例，其包括多个电容C1、C2、C3...Cn及多个切换单元S31、S32、S33...S3n。各个切换单元S31、S32、S33...S3n是分别串联连接于各个电容C1、C2、C3...Cn后再予以并联。故当控制切换单元S31、S32、S33...S3n的通路和开路，即可由多个电容C1、C2、C3...Cn组成所需具有所需电容值的可调电容网络L。可调电容网络L中可预留一扩增电容压点Cext与一扩增切换单元S3ext，便于外加所需的扩增电容。
图5显示图1中的串联等效电阻Rs的一实施例，其包括多个等效电阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn及多个切换单元S40、S41、S42、S43...S4n。故当控制切换单元S41、S42、S43...S4n的通路和开路，即可由多个等效电阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn组成所需电阻值的串联等效电阻Rs。当切换单元S40为通路时，此时的串联等效电阻Rs便为0。串联等效电阻Rs中可预留一扩增串联等效电阻压点Rsext与一扩增切换单元S4ext，便于外加所需的扩增串联等效电阻。
控制单元3可依据负载电流值与功率因数值计算出所需的电阻值、电感值、电容值。以功率因数值PF＝0.707为例，R＝XC，PF＝-0.707时，R＝XL，然后依据频率及公式XL＝2πfL，XC＝1/2πfC就可计算出电感值、电容值及电阻值。
控制单元3依据计算出的电感值、电容值及电阻值，即可控制各个切换单元S11、S12、S13...S1n、S21、S22、S23...S2n、S31、S32、S33...S3n、S41、S42、S43...S4n的通路和开路，从而将电阻R1、R2、R3...Rn、电感L1、L2、L3...Ln、电容C1、C2、C3...Cn、等效电阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn组合成符合所需电阻值、电感值、电容值及功率因素值的各种不同的串并联电路，便能达成可模拟电感性及电容性的功率因数交流负载。
前述的串并联电路，例如可为电阻和电感并联、电阻和电感串联、电阻和电容并联、电阻和电容串联、串联等效电阻和电感串联后再与电阻并联、串联等效电阻和电感和电阻串联、串联等效电阻和电容串联后再与电阻并联、串联等效电阻和电容和电阻串联...等各种不同型式。
本发明即是结合电子模拟负载(或实际的电阻元件)与可调电感网络L及可调电容网络C所组合的负载，搭配功率因数检测电路来达成电感性负载与电容性负载的功率因素模拟，可用来测试验证Inverter或UPS对实际各种电器设备，其功率因素都不相同的负载条件下，输出能力是否稳定、足够及是否能正常运作。
图6显示图1中功率因数检测电路5的进一步电路图，其包括一电压检测电路51、一模拟至数字转换器52、一计算单元53、一电流检测元件54、一电流检测电路55、一模拟至数字转换器56。电压检测电路51跨接于交流电源ACV，可用以检测导线W1、W2间的电压值V。电压值V经模拟至数字转换器52后，产生一数字型式的电压值至计算单元53。电流检测电路55跨接于电流检测元件54的两端，可用来量测负载电流值I的大小。电流值I经模拟至数字转换器56后，产生一数字型式的电流值至计算单元53。
计算单元53在接收该数字型式的电压值V和电流值I之后，即可依据电压值V、电流值I计算出视在功率VI与平均功率W，再据以计算出实测功率因数值PF2。
图7显示本发明控制流程图。兹配合图1～6所示的电路设计，对本发明的控制流程说明如下。本发明的控制流程包括下列步骤：
步驟101:建置一负载模拟电路1，并将该负载模拟电路1通过导线连接一交流电源ACV。负载模拟电路1中包括一可调电阻网络R、一可调电感网络L、一可调电容网络C；
步驟102:将负载模拟电路1通过一路径切换电路2连接于一控制单元3，该路径切换电路2中包括多个切换单元；
步驟103:设定一预设功率因数值PF1及负载电流值I1或电阻、电感、电容值；
步驟104:控制单元3依据该预设功率因数值PF1及负载电流值I1，通过该路径切换电路2选择性地将该负载模拟电路1的该可调电阻网络R、该可调电感网络L、该可调电容网络C以一串并联型式连接于该交流电源ACV，以组成符合该预设功率因数值PF1及负载电流值I1的交流负载电路。控制单元3是依据负载电流值与功率因数值计算出负载模拟电路1中的可调电阻网络R、可调电感网络L、可调电容网络C中所需的电阻值、电感值、电容值。
步驟105:检测该交流电源ACV的电压值V和通过该导线的电流值I，并依据该电压值V、电流值I计算一实测功率因数值PF2；
步驟106:接收及判别该预设功率因数值PF1和该实测功率因数值PF2间的误差值E；
步驟107:控制单元3依据该误差值E通过该路径切换电路2的该多个切换单元，以调节该负载模拟电路1的该可调电阻网络R、该可调电感网络L、该可调电容网络C的该串并联型式，直到该实测功率因数值PF2实质相等于该预设功率因数值PF1。
图8显示本发明在进行实测功率因数值PF2的量测时的控制流程图，其包括下列步骤：
步驟201:以一电压检测电路51检测导线W1、W2间的电压值V；
步驟202:将该电压值V经模拟至数字转换器52产生一数字型式的电压值；
步驟203:以一电流检测电路54检测通过该导线W1、W2的电流值I；
步驟204:将该电流值I经模拟至数字转换器56产生一数字型式的电流值；
步驟205:以一计算单元53接收该数字型式的电压值和电流值，依据该电压值、电流值计算出该实测功率因数值PF2；
步驟206:将该实测功率因数值PF2传送至该控制单元3。
以上所举实施例仅是用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围，凡其他未脱离本发明所揭示的精神下而完成的等效修饰或置换，均应包含于权利要求及其相等物范围内。
Claims (5)
1.一种模拟功率因数的交流负载系统，其特征在于，连接于一逆变器或不断电电源之一所输出的交流电源，以模拟该逆变器或该不断电电源的实际电负载，从而测试及验证该逆变器或该不断电电源的输出能力，包括：
一负载模拟电路，包括一可调电阻网络、一可调电感网络和一可调电容网络，该负载模拟电路通过导线连接一交流电源，其中该可调电阻网络中包括至少一电阻，该可调电感网络中包括至少一电感，该可调电容网络中包括至少一电容；
一路径切换电路，包括多个切换单元，分别连接于该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络和该可调电容网络；
一控制单元，连接该路径切换电路中的该多个切换单元；
一设定单元，连接于该控制单元，供使用者设定一预设功率因数值、负载电流值、电阻、电感和电容值；
一串联等效电阻，该串联等效电阻连接于该可调电感网络和该可调电容网络后，再通过该导线连接至该交流电源，以模拟该逆变器或该不断电电源的该交流电源输出到该实际电负载的等效电阻值；
其中该控制单元依据该设定单元所设定的该预设功率因数值及负载电流值，通过该路径切换电路选择性地将该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络和该可调电容网络以一串并联型式连接于该交流电源；
一功率因数检测电路，连接于该交流电源和该负载模拟电路之间，用以检测该交流电源的电压值和通过该导线的电流值，并依据该电压值和该电流值计算一实测功率因数值；
一判别电路，连接该功率因数检测电路，用以接收及判别该实测功率因数和该预设功率因数值间的至少一误差值，并将该至少一误差值传送至该控制单元；
该控制单元依据该误差值控制该路径切换电路的该多个切换单元，以调节该负载模拟电路的该可调电阻网络、该可调电感网络和该可调电容网络的该串并联型式，以调节该负载模拟电路符合该预设功率因数值。
2.如权利要求1所述的模拟功率因数的交流负载系统，其特征在于，该功率因数检测电路包括：
一电压检测电路，跨接于该导线，用以检测该交流电源的该电压值；
一模拟至数字转换器，连接于该电压检测电路，产生一数字型式的该电压值；
一电流检测元件，串联在该导线；
一电流检测电路，连接于该电流检测元件，用以检测通过该导线的该电流值；
一模拟至数字转换器，连接于该电流检测电路，产生一数字型式的该电流值；
一计算单元，连接该电压检测电路和该电流检测电路，依据接收的数字型式的该电压值和该数字电流值计算得到该实测功率因数值。
3.如权利要求1所述的模拟功率因数的交流负载系统，其特征在于，该可调电阻网络中的该至少一电阻系包括至少一电阻元件或操作于电子负载定电阻模式的电子负载或操作于定电流模式的电子负载之一。
4.如权利要求1所述的模拟功率因数的交流负载系统，其特征在于，该可调电阻网络中预留至少一扩增电阻压点、该可调电感网络中预留至少一扩增电感压点和该可调电容网络中预留至少一扩增电容压点。
5.一种模拟功率因数的交流负载的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(a)建置一个包括一可调电阻网络、一可调电感网络和一可调电容网络的负载模拟电路，并将该负载模拟电路通过导线连接一交流电源，该交流电源连接于一逆变器或不断电电源之一所输出的交流电源；其中该可调电阻网络中包括至少一电阻，该可调电感网络中包括至少一电感，该可调电容网络中包括至少一电容；一串联等效电阻串联连接于该导线，模拟该逆变器或该不断电电源的该交流电源输出到实际电负载的等效电阻值；
(b)将负载模拟电路通过一路径切换电路连接于一控制单元，该路径切换电路中包括多个切换单元；
(c)设定一预设功率因数值、负载电流值、电阻、电感和电容值；
(d)依据该预设功率因数值，通过该路径切换电路选择性地将该可调电阻网络中的该至少一电阻、该可调电感网络中的该至少一电感和该可调电容网络中的该至少一电容以一串并联型式连接于该交流电源；
(e)检测该交流电源的电压值和通过该导线的电流值，并依据该电压值和电流值计算一实测功率因数值；
(f)接收及判别该预设功率因数值和该实测功率因数值间的误差值；
(g)依据该误差值通过该路径切换电路的该多个切换单元，以调节该负载模拟电路的该可调电阻网络中的该至少一电阻、该可调电感网络中的该至少一电感和该可调电容网络中的该至少一电容的该串并联型式，直到该实测功率因数值实质相等于该预设功率因数值；
步骤(e)在计算该实测功率因数值时包括下列步骤：
(e1)以一电压检测电路检测该导线间的该电压值；
(e2)以一电流检测电路检测通过该导线的该电流值；
(e3)依据该电压值、该电流值计算出该实测功率因数值；
(e4)将该实测功率因数值传送至该控制单元。
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