CN203368319U - 一种功率因数调整电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率因数调整电路，所述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。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控制信号端，驱动模块的输出接主电路中的开关管。本实用新型还提供了功率因数调节的控制方法，对不同的负载能实现自动调节。本实用新型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。所述电路实现了功率因数调节，使负载呈现无阻性，实现负载电压和电流同相位。

Description

一种功率因数调整电路

技术领域

本实用新型涉及功率因数调节，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和功率因素调节电路。

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。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。

实用新型内容

鉴于以上背景，为了克服现有的不足，利用串联补偿技术，一种功率因数调整电路，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，本实用新型采取的技术方案是： 

一种功率因数调整电路，其中包括主电路，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，驱动模块的输入连接单片机控制模块的控制信号，驱动模块的输出接主电路中的开关管的门极。

上述的功率因数调整电路中，主电路串联在负载和输入电源之间，主电路包括开关管、第一二极管、整流桥、第一电容、负载、电压传感器、电流传感器。开关管与第一二极管反并联，再并联整流桥和第一电容，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一开关管的源极，整流桥的阴极接第一开关管的漏极，整流桥的阳极接第一开关管的源极。电压传感器的输入和电源并联，电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端。电流传感器的输入一端接电源，另一端接负载，电流传感器的输出接单片机模块的电流采样端。负载串联在主电路中，一端接电流传感器，另一端接第一电容的负极。 

上述功率因数调整电路中，辅助电源模块包括第二整流桥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TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805。第二整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的两端（AC+与AC-），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Vout1。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。

上述功率因数调整电路中，驱动模块包括第三电阻R3、第五电容、第一与门以及驱动隔离电路。单片机控制模块输出的控制信号分别连接第三电阻的一端和第一与门。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；第一与门的输出接驱动隔离电路。

上述功率因数调整电路中，驱动隔离电路包括第三三极管、第四三极管、第七电容、第一变压器、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，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，另一端接主电路开关管的源极，第三电阻的另一端接主电路开关管的门极。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型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和2个开关管的单桥臂来说，虽然其控制范围小很多，但是其控制电路简单，开关损耗减也大大减小，在较小的负载系统中应用还是可以广泛应用的。

附图说明

图1是本实用新型的功率因数调整电路总体结构图。

图2是本实用新型的辅助电源模块的电路图。

图3是本实用新型的驱动模块的电路图。

图4是本实用新型的驱动模块中的驱动隔离电路图。

图5是本实用新型的功率因数调整电路工作在充电模式时的电路图。

图6是本实用新型的功率因数调整电路工作在放电模式时的电路图。

图7是本实用新型的功率因数调整电路工作在旁路模式时的电路图。

具体实施方式

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

图1给出了本实用新型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（可采用常用的单片机），驱动模块。主电路包括开关管Q1、第一二极管D1、整流桥、第一电容C1、负载、电压传感器、电流传感器。开关管与第一二极管反并联，再并联整流桥和第一电容，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一开关管的源极，整流桥的阴极接第一开关管的漏极，整流桥的阳极接第一开关管的源极。电压传感器的输入和电源并联，电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端。电流传感器的输入一端接电源，另一端接负载，电流传感器的输出接单片机模块的电流采样端。负载串联在主电路中，一端接电流传感器，另一端接第一电容的负极。 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。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。驱动模块将通过调节开关管的导通时刻，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。

 图2给出了功率因数调节电路辅助电源模块的电路图，辅助电源模块包括第二整流桥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。第二整流桥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Vin1端，第一稳压芯片的输出端Vout1接第二稳压芯片的输入端Vin2，第二稳压芯片的输出端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。第二整流桥将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，驱动模块包括第三电阻R3、第五电容C5、第一与门U1以及驱动隔离电路。单片机控制模块输出的驱动信号分别连接第三电阻的一端和第一与门。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；第一与门的输出接驱动隔离电路。

图4为驱动模块中驱动隔离的电路图，驱动隔离电路包括第三三极管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，驱动开关管关断。

图5为功率因数调整电路工作在充电模式时的电路图，图中标示出了充电模式下电流Ishunt的流通路径及方向。充电模式时，开关管关断，电源对电容进行充电。

图6为功率因数调整电路工作在放电模式时的电路图，图中标示出了放电模式下电流Ishunt的流通路径及方向。充电模式时，开关管关断，电容放电，并对电源进行充电。

图7为功率因数调整电路工作在旁路模式时的电路图，图中标示出了充电模式下电流Iswitch的流通路径及方向。旁路模式时，开关管导通，二极管反向偏置。电流直接流经开关管，二极管被旁路。

本实用新型示例的功率因数调整电路通过电压传感器和电流传感器采样电源端的电压和电流值，采样值作为单片机控制模块中的单片机控制电路的输入，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控制信号的上升沿时刻，若两者差值为负，则等比例的延后单片机控制模块输出的控制信号的上升沿时刻，通过负反馈保证输入电压和输入电流的过零点时刻相同，即功率因素为1。

Claims (5)

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；输入电源Vac的一端接辅助电源模块的输入，另一端接地；辅助电源模块的输出端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采样输入电源Vac两端电压，电压传感器的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串联接在主电路中，输出端接单片机控制模块的电流采样端；驱动模块的输入接单片机控制模块的控制信号端，驱动模块的输出驱动信号接主电路中的开关管的门极。

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包括开关管、第一二极管、整流桥、第一电容、负载、电压传感器和电流传感器；开关管、第一二极管反、整流桥、第一电容并联连接，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一开关管的源极，整流桥的阴极接第一开关管的漏极，整流桥的阳极接第一开关管的源极；电压传感器的输入和电源并联，电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端；电流传感器的输入一端接电源，另一端接负载，电流传感器的输出接单片机模块的电流采样端；负载串联在主电路中，一端接电流传感器，另一端接第一电容的负极。

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第二整流桥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；第二整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的两端，另外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第三电阻、第五电容、第一与门以及驱动隔离电路；单片机控制模块输出的控制信号分别连接第三电阻的一端和第一与门；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；第一与门的输出接驱动隔离电路。

5.根据权利要求1所述的功率因数调整电路，特征在于驱动隔离电路包括第三三极管、第四三极管、第七电容、第一变压器、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，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，另一端接主电路开关管的源极，第三电阻的另一端接主电路开关管的门极。

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