CN201789296U - 交流有源功率因数校正补偿电路 - Google Patents

交流有源功率因数校正补偿电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种交流有源功率因数校正补偿电路，由功率因数校正补偿主电路、AC/DC供给稳压电源、PWM脉冲调制与驱动控制电路、相位电压电流检测与比较电路构成。由相位电压电流检测与比较电路和PWM脉冲调制与驱动控制电路控制功率开关元件对充放电电容器进行5千周-200千周变换，通过功率开关元件控制PWM脉冲宽度调节充放电电容器的充放电量；同时输入滤波电感中的电能与由变压器次级绕组和耦合电容器释放出来的变压器中的电能经输出滤波电容器滤波后，回馈给负载，实现负载功率因数的动态补偿与校正。用本实用新型方法制成的交流功率因数校正补偿装置，可提高电容器的利用率，具有体积小、效率高和自控性高等优点。

Description

交流有源功率因数校正补偿电路
技术领域
本实用新型属于电力功率因数补偿技术领域，利用有源功率因数校正补偿电路替代单纯电容器补偿电路，具体是一种交流有源功率因数校正补偿技术方案。
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，功率因数补偿装置多采用步进式切换方法，由于不能随负载变化随机动态投入其恰当的电容器容量大小，经常出现欠补偿和过补偿现象。其中欠补偿现象致使设备没有起到应有的作用，而过补偿现象将造成电网电压升高，危及使用设备和其他用电设备安全，严重时会烧坏用电设备；再者这种补偿方法所需要的电容器容量大、制造成本高，且还需加装体积庞大的滤波电感。即使所谓的静止型无功补偿装置也存在结构复杂、体积大和成本高等缺点。另一方面，现有的功率因数校正方法(AFPC)虽然具有电容器容量小、效率高、整机体积小、易控制和对电网无不良影响等众多优点，但只能对交流整流后的直流负载进行校正，致使其使用范围受到极大限制。因此，寻找一种适合现场动态交流负载的交流功率因数校正补偿方法已经成为节能环保领域亟待解决的课题。
实用新型内容
为了克服现有功率因数补偿方法的不足，本实用新型提供一种可在一定范围内替代交流功率因数补偿的新方案--交流有源功率因数校正补偿电路，即将有源功率因数校正技术与动态调节电容器补偿有机结合在一起，由功率因数相位电压电流检测与比较电路和PWM脉冲调制与驱动控制电路控制功率开关元件对充放电电容器进行5千周-200千周充放电工作，使输出的交流正弦电压波形与电流波形同步，进而实现功率因数的校正和补偿。本实用新型的工作原理为：采用交流电压波形零点和峰值点检测，通过功率因数相位电压电流检测与比较电路和PWM脉冲调制与驱动控制电路来控制一只功率开关元件在交流电的0-π/2周期内经由变压器初级绕组对充放电电容器进行脉冲式充电控制，在3/2π-2π周期内经由变压器初级绕组对充放电电容器进行脉冲式放电控制；另一只开关元件在π/2-π周期内经由变压器初级绕组对充放电电容器进行脉冲式放电控制，在π-3π/2周期内经由变压器初级绕组对充放电电容器进行脉冲式充电控制；再对检测到的负载的电压和电流波形进行比较，通过两只功率开关元件控制PWM脉冲宽度来调节充放电电容器的充放电量，达到调节充放电电容器电容值的目的，进而实现了功率因数的动态补偿；同时将存储在变压器中的电能通过变压器的次级绕组和耦合电容器释放出来，与输入滤波电感中的电能一起经输出滤波电容器滤波后，回馈给负载RL，由于回馈的电流波形与电压波形同步，对负载功率因数进行了校正。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流有源功率因数校正补偿电路，包括：功率因数校正补偿主电路、AC/DC供给稳压电源、PWM脉冲调制与驱动控制电路、相位电压电流检测与比较电路。所述的功率因数校正补偿主电路，包括：输入滤波电路，与所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路相连的变换电路，与所述的相位电压电流检测与比较电路相连的检测电路，与交流电输出端相连的输出滤波电路、能量反馈电路和输出电路；所述的AC/DC供给稳压电源的输出部分分别连接至所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路和相位电压电流检测与比较电路；所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路，包括与所述的功率因数校正补偿主电路连接的驱动电路和隔离驱动电路、控制驱动电路的PWM脉冲调制电路、相位与功率因数自动控制电路；所述的相位电压电流检测与比较电路，包括与所述的功率因数校正补偿主电路连接的电压检测电路和电流检测电路以及与所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路连接的相位检测电路和电压与电流比较电路。
本实用新型的有益效果在于：利用等效动态电容器对交流负载进行动态功率因数补偿，电感和变压器分别对交流负载进行功率因数校正。和常规的功率因数补偿方法相比，该方法提高了电容器的利用率；另一方面，功率开关元件控制电容器充放电工作电流在5千周-100千周，可缩小电感、变压器的体积。因此，用本实用新型制成的功率因数校正补偿装置，具有体积小、效率高和自动控制性能高等优点，尤其适合现场用电设备交流负载功率因数的校正，具有明显的经济与社会效益。
附图说明：
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步详细说明。
图1交流有源功率因数校正补偿电路原理图
图中标号：
1.功率因数校正补偿主电路
2.AC/DC供给稳压电源
3.PWM脉冲调制电路与驱动控制电路
a.驱动电路 b.隔离驱动电路 c.PWM脉冲调制电路 d.相位与自动功率因数控制电路
4.相位电压电流检测与比较电路
e.电压检测电路 f.电流检测电路 g.相位检测电路 h.电压与电流比较电路
具体实施方式
如图1所示，本实用新型是一种交流有源功率因数校正补偿电路，由功率因数校正补偿主电路1、AC/DC供给稳压电源2、PWM脉冲调制与驱动控制电路3、相位电压电流检测与比较电路4组成。功率因数校正补偿主电路1，包括由交流电输入端L和公共端N、输入滤波电容器C1、输入滤波电感L1和滤波电容器C3组成的输入滤波电路，由充放电电容器C2、变压器B的初级绕组N1、功率开关元件S1和S2组成的变换电路，由电流检测电阻R1，电压检测电阻R2和R3组成的检测电路，由输出滤波电感L2和输出滤波电容器C6组成的输出滤波电路，由吸收电容器C4、变压器B的次级绕组N2、耦合电容器C5组成的能量反馈电路，负载RL和交流电的输出端LM组成的输出电路；PWM脉冲调制与驱动控制电路3，包括与功率因数校正补偿主电路1连接的驱动电路a和隔离驱动电路b，与所述的相位电压电流检测与比较电路4连接的PWM脉冲调制电路c、相位与自动功率因数控制电路d；相位电压电流检测与比较电路4，包括与所述的功率因数校正补偿主电路1连接的电压检测电路e和电流检测电路f，与所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路3连接的相位检测电路g和电压与电流比较电路h；AC/DC稳压电源2输出三路稳压电源DC1、DC2、DC3，其中DC1为驱动电路a供电，DC2为隔离驱动电路b、PWM脉冲调制电路c与相位与自动功率因数控制电路d供电，DC3为相位电压电流检测与比较电路4供电。
功率因数校正补偿主电路1中，输入滤波电感L1的一端与交流电的输入端L相连，另一端与充放电电容器C2、电压检测电阻R2和电流检测电阻R1的一端相连，充放电电容器C2的另一端与变压器B的初级绕组N1的一端相连，变压器B的初级绕组N1的另一端与两只反极性并联的功率开关元件S1和S2相连，功率开关元件S1的阴极和功率开关元件S2的阳极连接到交流电的公共端N，功率开关元件S1和S2的阴极与驱动极分别连接至PWM脉冲调制与驱动控制电路3的驱动电路a和隔离驱动电路b；输入滤波电容器C1一端接在交流电的输入端L，另一端与交流电的公共端N相连；滤波电容器C3的一端与输入滤波电感L1相连，另一端接在交流电的公共端N；电压检测电阻R2的另一端分别与相位电压电流检测与比较电路4的电压检测电路e和另一电压检测电阻R3的一端相连，电压检测电阻R3的另一端连接到交流电的公共端N；电流检测电阻R1的另一端经输出滤波电感L2连接到交流电的输出端LM；与变压器B的次级绕组N2并联的吸收电容器C4的一端与交流电的输出端LM相连，另一端与耦合电容器C5的一端相连，耦合电容器C5的另一端连接到交流电的公共端N；输出滤波电容器C6和负载RL的一端与交流电的输出端LM相连，它们的另一端连接到交流电的公共端N。
PWM脉冲调制与驱动控制电路3中，驱动电路a和隔离驱动电路b的一端分别连接到功率因数校正补偿主电路1的功率开关元件S1和S2的驱动极和阴极；驱动电路a和隔离驱动电路b的另一端与PWM脉冲调制电路c的一端相连，PWM脉冲调制电路c的另一端连接到相位与自动功率因数控制电路d的一端和相位电压电流检测与比较电路4的电压与电流比较电路h上；相位与自动功率因数控制电路d的另一端与相位电压电流检测与比较电路4的相位检测电路g相连。
相位电压电流检测与比较电路4中，电压检测电路e的一端与功率因数校正补偿主电路1的电压检测电阻R2的两端连相连，电压检测电路e的另一端与相位检测电路g和电压与电流比较电路h的一端相连，相位检测电路g和电压与电流比较电路h的另一端分别连接到PWM脉冲调制与驱动控制电路3的相位与自动功率因数控制电路d和PWM脉冲调制电路c；电压与电流比较电路h的一端还与电流检测电路f的一端相连，电流检测电路f的另一端连接到功率因数校正补偿主电路1的电流检测电阻R1上。
工作时，在功率因数校正补偿主电路1的输入端L和公共端N通入交流电AC，经输入滤波电容器C1、输入滤波电感L1和滤波电容器C3，供给由充放电电容器C2、变压器B的初级绕组N1、功率开关元件S1和S2组成的变换电路，经电流检测电阻R1，由输出滤波电感L2和输出滤波电容器C6滤波后，供给负载RL。
相位电压电流检测与比较电路4的电压检测电路e经由功率因数校正补偿主电路1内的电压检测电阻R2和R3分压后，对负载RL的端电压进行检测；电流检测电路f通过电流检测电阻R1检测流经负载RL的电流，再将检测到的电压与电流波形处理后，送至电压与电流比较电路h进行比较，通过控制电压控制PWM脉冲调制电路与驱动控制电路3中的PWM脉冲调制电路c控制驱动电路a和隔离驱动电路b，分别对功率开关元件S1和S2进行开关控制。相位检测电路g对电压检测电路e检测到的电压波形处理后，送至PWM脉冲调制电路与驱动控制电路3中的相位与自动功率因数控制电路d，由相位与自动功率因数控制电路d通过PWM脉冲调制电路c、驱动电路a和隔离驱动电路b控制功率开关元件S1和S2的通断顺序，由变压器B的初级绕组N1在0-π/2周期内对充放电电容器C2进行脉冲式充电，在3π/2-2π周期内对充放电电容器C2进行脉冲式放电；在π/2-π周期内对充放电电容器C2进行脉冲式放电，在π-3/2π周期内对充放电电容器C2进行脉冲式充电。
当负载RL的功率因数低于1时，相位电压电流检测与比较电路4中的电压与电流比较电路h输出定值电压控制PWM脉冲调制电路与驱动控制电路3中的PWM脉冲调制电路c，通过驱动电路a和隔离驱动电路b分别控制功率开关元件S1和S2的导通和关断时间，进而控制变压器B的初级绕组N1和充放电电容器C2的通断时间。在交流电0-π/2和π-3/2π周期内脉冲式通断时，功率开关元件S1和S2通过调节PWM脉冲宽度即通断时间，来调节充放电电容器C2的充电量；在交流电π/2-π和3/2π-2π周期内脉冲通断时，功率开关元件S1和S2通过调节PWM通断时间，来调节充放电电容器C2的放电量。调节补偿电容器C2的充放电量等效于调节了补偿电容器C2的电容值，进而实现了动态补偿。当功率开关元件S1和S2分别导通时，电流经过输入滤波电感L1、充放电电容器C2和变压器B的初级绕组N1时，在输入滤波电感L1内存储了电能，当关断瞬间，存储在输入滤波电感L1内的电能经输出滤波电感L2和输出滤波电容器C6滤波后释放出来，对负载RL进行功率因数校正；另一方面，存储在变压器B中的电能通过次级绕组N2、吸收电容器C4和耦合电容器C5释放出来，再次对负载RL的功率因数进行校正。
图1中功率开关元件可以是晶体三极管，也可以是场效应管、IGBT和GTO中的一种。将三组上述电路三组进行组合后，可对三相交流负载进行功率因数校正补偿。
由于本实用新型的工作电路电流变换频率高，是现有交流电频率的100-4000倍，缩小了滤波电感的体积，进而减小了整机的体积。利用本实用新型制成的功率因数校正补偿装置可在负载变化时，将功率因数自动控制为1，具有体积小、效率高、成本低、简单实用等优点，尤其适合现场几十千瓦负载的功率因数校正。

Claims (6)

1.一种交流有源功率因数校正补偿电路，其特征是：该电路包括功率因数校正补偿主电路(1)、AC/DC供给稳压电源(2)、PWM脉冲调制与驱动控制电路(3)和相位电压电流检测与比较电路(4)。
2.根据权利要求1所述的交流有源功率因数校正补偿电路，其特征是：所述的功率因数校正补偿主电路(1)包括输入滤波电路，与所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路(3)相连的变换电路，与所述的相位电压电流检测与比较电路(4)相连的检测电路，与交流电输出端相连的输出滤波电路、能量反馈电路和输出电路。
3.根据权利要求1所述的交流有源功率因数校正补偿电路，其特征是：所述的AC/DC供给稳压电源(2)的输出部分分别连接至所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路(3)和相位电压电流检测与比较电路(4)。
4.根据权利要求1所述的交流有源功率因数校正补偿电路，其特征是：所述的PWM脉冲调制电路与驱动控制电路部分(3)包括与所述的功率因数校正补偿主电路(1)连接的隔离驱动电路(a)和驱动电路(b)、控制隔离驱动电路(a)的PWM脉冲调制电路(c)、相位与自动功率因数控制电路(d)。
5.根据权利要求1所述的交流有源功率因数校正补偿电路，其特征是：所述的相位电压与电流检测与比较电路部分(4)包括与所述的功率因数校正补偿主电路(1)连接的电压检测电路(e)和电流检测电路(f)以及与所述的PWM脉冲调制与驱动控制电路(3)相位检测电路(g)和电压与电流比较电路(h)。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的交流有源功率因数校正补偿电路，其特征是：功率因数校正补偿主电路(1)的输入滤波电感L1的一端与交流电的输入端L相连，另一端与充放电电容器C2、电压检测电阻R2和电流检测电阻R1的一端相连，充放电电容器C2的另一端与变压器B的初级绕组N1的一端相连，变压器B的初级绕组N1的另一端与两只反极性并联的功率开关元件S1和S2相连、功率开关元件S1的阴极和功率开关元件S2的阳极连接到交流电的公共端N，功率开关元件S1和S2的阴极与驱动极分别连接至PWM脉冲调制与驱动控制电路3的驱动电路a和隔离驱动电路b；输入滤波电容器C1一端接在交流电的输入端L，另一端与交流电的公共端N相连；滤波电容器C3的一端与输入滤波电感L1相连，另一端接在交流电的公共端N；电压检测电阻R2的另一端分别与相位电压电流检测与比较电路4的电压检测电路e和另一电压检测电阻R3的一端相连，电压检测电阻R3的另一端连接到交流电的公共端N；电流检测电阻R1的另一端经输出滤波电感L2连接到交流电的输出端LM；与变压器B的次级绕组N2并联的吸收电容器C4的一端与交流电的输出端LM相连，另一端与耦合电容器C5的一端相连，耦合电容器C5的另一端连接到交流电的公共端N；输出滤波电容器C6和负载R的一端与交流电的输出端LM相连，它们的另一端连接到交流电的公共端N。
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