DE69920871T2

DE69920871T2 - Leistungsfaktorregler

Info

Publication number: DE69920871T2
Application number: DE69920871T
Authority: DE
Inventors: Shenghong Wang; Ihor Wacyk; J. Demetri GIANNOPOULOS
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: CN1161006C; EP1040730B1; US6140777A; JP2002522003A; EP1040730A1; CN1274514A; DE69920871D1; WO2000007414A1; US6300723B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Preconditioner eines elektronischen Vorschaltgeräts und, im Besonderen, auf einen Leistungsfaktorregler eines Preconditioners eines elektronischen Vorschaltgeräts.
Leistungsfaktorregler regeln den Eingangsstrom des Vorschaltgeräts in Reaktion auf die Eingangsspannung des Vorschaltgeräts, indem sie versuchen, einen Leistungsfaktor von 1,0 des Vorschaltgeräts vorzusehen (d. h. den Eingang des Vorschaltgeräts wie einen einfachen Widerstand aussehen zu lassen). Der Leistungsfaktor des Vorschaltgeräts stellt das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Leistung eines Wechsel- oder Mischstroms und der von einem Vorschaltgerät entnommenen Scheinleistung dar. Weist der Eingangsstrom im Verhältnis zu der Eingangsspannung eine Phasenverschiebung, eine harmonische Verzerrung oder beides auf, liegt der Leistungsfaktor bei weniger als 1,0. Die Höhe der Verschiebung zwischen der Spannung und dem Strom signalisiert den Grad, bis zu welchem die Last reaktiv ist. Eine harmonische Verzerrung, das heißt, die Erzeugung harmonischer Frequenzen, entsteht aus dem nicht linearen Betrieb des Vorschaltgeräts, indem einem sinusförmigen Netzsignal Leistung entnommen wird.
Bei einem konventionellen Leistungsfaktorregler wird oftmals davon ausgegangen, dass die dem Vorschaltgerät zugeführte Eingangsspannung im Wesentlichen sinusförmig ist. Nicht lineare Lasten (z. B. Maschinen, Motoren), die dem Stromnetz Leistung entnehmen, können die Netzspannung zeitweise verzerren, wodurch sich eine im Wesentlichen nicht sinusförmige Eingangsspannung ergibt. Eine Regelung des Eingangsstroms auf Grund einer nicht sinusförmigen Eingangsspannung kann mit Schwierigkeiten verbunden sein und kann in einem Leistungsfaktor von weit weniger als 1,0 resultieren. Ebenfalls kann es schwierig sein, einen Klirrfaktor (THD) von weniger als 10% aufrechtzuerhalten, ohne dabei den Leistungsfaktor nachteilig zu beeinträchtigen.
US-A-5 631 550 offenbart eine digitale Steuerung zur Wirkleistungsfaktorkorrektur.
Für die Aufrechterhaltung eines geringen THDs, während dem Wechselrichter des Vorschaltgeräts eine Gleichspannung mit geringer Welligkeit zugeführt wird, ist typischerweise ein unerwünscht großer, kostenaufwendiger Elektrolytkondensator erforderlich. Solche Kondensatoren werden mit der Zeit schlechter (d. h. trocknen aus), wodurch sie ihre Kapazität und daher die Fähigkeit verlieren, eine geringe Welligkeit aufrechtzuerhalten. Es können sich nicht akzeptable THD-Pegel ergeben. Die relativ beträchtliche Größe dieser Elektrolytkondensatoren behindert ebenfalls das Integrieren der Komponenten auf einem integrierten Schaltkreis, wodurch die Reduzierung der Herstellungskosten und Größe des Vorschaltgeräts begrenzt ist.
Es ist daher wünschenswert, einen verbesserten Leistungsfaktorregler vorzusehen, welcher durch die zeitweilige Verzerrung der Netzspannung unbeeinflusst ist. Der verbesserte Leistungsfaktorregler sollte einen relativ hohen Leistungsfaktor (z. B. größer als 95%) ohne Verwendung eines relativ großen Elektrolytkondensators zur Einhaltung eines geringen THDs aufrechterhalten.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Preconditioner eines Vorschaltgeräts einen Kondensator, um im Wesentlichen eine Gleichspannung zu erzeugen, einen Schalter zur Regelung der in dem Kondensator in Reaktion auf ein Schaltsignal gespeicherten Energiemenge sowie einen Leistungsfaktorregler zur Erzeugung des Schaltsignals auf. Der Leistungsfaktorregler sieht einen Referenzkurvenformgenerator mit einer Verweistabelle vor, um Werte von mindestens einer Wellenform zu speichern. Das von dem Leistungsfaktorregler erzeugte Schaltsignal basiert auf der mindestens einen Wellenform, auf welche von der Verweistabelle zugegriffen wurde.
Der Leistungsfaktorregler ist durch zeitweilige Verzerrung einer Netzspannung, welche durch nicht lineare Lasten, wie z. B. Maschinen, durch Speicherung der Wellenform in der Verweistabelle hervorgerufen wird, unbeeinflusst. Bei der gespeicherten Wellenform handelt es sich typischerweise um eine Halbperiode einer Sinuswelle.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass der Preconditioner eine Skalierungsschaltung aufweist, um die Größe der Wellenform einzustellen, auf welche von der Verweistabelle zugegriffen wurde. Die Skalierungsschaltung reagiert auf die Spannung an dem Ausgang des Preconditioners, indem sie die Größe der Wellenform einstellt, auf welche von der Verweistabelle zugegriffen wurde.
Der Preconditioner wird von einem Wechselstromsignal auf einer ersten Frequenz gespeist. Der Referenzkurvenformgenerator weist im Allgemeinen einen Phasenregelkreis mit einem Impulsausgangssignal auf einer zweiten Frequenz auf. Diese zweite Frequenz ist ein Vielfaches der ersten Frequenz. Das Impulsausgangssignal, welches als Taktsignal zum Lesen der Werte der mindestens einen, in der Verweistabelle gespeicherten Wellenform dient, ist durch eine Reihe Impulse dargestellt (der Beginn der Impulsfolge ist auf einen Spannungszustand des Wechselstromsignals von im Wesentlichen Null abgestimmt). Infolgedessen ist eine Phasenverschiebung zwischen der Eingangsspannung des Vorschaltgeräts und dem Signal zum Einschalten des Schalters im Wesentlichen ausgeschlossen. Der Leistungsfaktorregler kann einen Mikrocontroller mit einem, als Verweistabelle dienenden Nurlesespeicher aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Betrieb eines Preconditioners eines Vorschaltgeräts die Erzeugung einer Wellenform auf Grund von, in einer Verweistabelle gespeicherten Werten, die Erzeugung eines Schaltsignals auf Grund der erzeugten Wellenform, die Steuerung der in einem Kondensator in Reaktion auf das Schaltsignal gespeicherten Energiemenge sowie die Erzeugung von im Wesentlichen einer Gleichspannung an dem Kondensator auf Grund der gespeicherten Energie vor.
Gemäß einem Merkmal dieses zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung sieht das Verfahren weiterhin die Einstellung der Größe der auf Grund der Spannung an einem Ausgang des Preconditioners erzeugten Wellenform vor.
Folglich liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Preconditioner eines Vorschaltgeräts vorzusehen, welcher einen Leistungsfaktorregler aufweist, der durch die zeitweilige Verzerrung der Netzspannung unbeeinflusst ist.
Weiterhin liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Preconditioner eines Vorschaltgeräts vorzusehen, welcher einen Leistungsfaktorregler aufweist, der einen relativ hohen Leistungsfaktor ohne Verwendung eines relativ großen Elektrolytkondensators zur Einhaltung eines geringen THDs aufrechterhält.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung liegen teilweise auf der Hand und gehen teilweise aus der Beschreibung hervor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 – ein teilweises Blockschaltbild und teilweises elektrisches Schaltbild eines Leistungsfaktorreglers gemäß der Erfindung.
Wie in 1 dargestellt, ist eine AC-Sinusnetzspannungsquelle 10 mit einem Vorschaltgerät 12 verbunden. Spannungsquelle 10 ist an ein Paar Eingangsknotenpunkte N1 und N2 eines Vollbrückengleichrichters 13 von Vorschaltgerät 12 angeschlos sen. An einen Preconditioner 14 wird eine, an einem Paar Ausgangsknotenpunkten N3 und N4 von Gleichrichter 13 abgegebene, gleichgerichtete Sinusspannung angelegt. Die gleichgerichtete Sinusspannung wird von Preconditioner 14 im Wesentlichen in eine Gleichspannung mit geringer Welligkeit umgewandelt, welche an einen Wechselrichter (nicht dargestellt) von Vorschaltgerät 12 angelegt wird. Mit anderen Worten, Preconditioner 14 dient als Drosselregler als Aufwärtswandler (Boost Regulator). Preconditioner 14 regelt über einen Leistungsfaktorregler 31 ebenfalls den Eingangsstrom des Vorschaltgeräts in Reaktion auf die Eingangsspannung des Vorschaltgeräts, um unter Einhaltung eines geringen THDs (z. B. weniger als 10%) einen hohen Leistungsfaktor (z. B. über 95%) des Vorschaltgeräts aufrechtzuerhalten.
Die von Gleichrichter 13 erzeugte, gleichgerichtete Sinusspannung wird an eine Primärwicklung 16 eines Transformators 19 von Preconditioner 14 angelegt. Ein Kondensator 22, typischerweise ein Elektrolytkondensator, speichert die Energie, welche von Primärwicklung 16 auf Grund der durch eine Diode 25 durchgeflossenen Energie abgegeben wird. Ein Schalter 28, im Allgemeinen ein Feldeffekttransistor (FET), ist mit einem Übergang verbunden, an dem Primärwicklung 16 und Diode 25 zusammengeschaltet sind. Die dem Kondensator 22 zugeführte Energiemenge wird durch den Schaltzustand von Schalter 28 gesteuert. An Kondensator 22 wird im Wesentlichen eine Gleichspannung erzeugt, die einem Wechselrichter von Vorschaltgerät 12 zugeführt wird.
Leistungsfaktorregler 31 bestimmt durch Einschalt- und Ausschaltsteuerung von Schalter 28 sowohl die Form des Netzeingangsstroms als auch die Phase des Netzeingangsstroms relativ zu der Netzeingangsspannung. Ein Referenzkurvenformgenerator von Leistungsfaktorregler 31 weist einen Nulldurchgangsdetektor 34, einen digitalen Phasenregelkreis (PLL) 37 sowie eine Verweistabelle (LUT) 40 auf. Detektor 34 vergleicht die Spannung an einem, an ein Gleichspannungs-Offset (Voffset) geschalteten, nicht invertierenden Eingang (+) mit der Spannung an einem, mit Ausgangsknotenpunkt N4 von Vollbrückengleichrichter 13 verbundenen, invertierenden Eingang (–). Ist die Spannung an dem nicht invertierenden Eingang (+) identisch mit der Spannung an dem invertierenden Eingang (–) oder größer als diese, liegt die Ausgangsspannung von Detektor 34 auf einem hohen Logikpegel. Ist die Spannung an dem nicht invertierenden Eingang (+) niedriger als die Spannung an dem invertierenden Eingang (–), liegt die Ausgangsspannung von Detektor 34 auf einem niedrigen Logikpegel. Sobald die von Vollbrückengleichrichter 13 erzeugte Spannung bei etwa null Volt liegt, das heißt, jede Halbperiode der gleichgerichteten Sinus spannung, wird von Detektor 34 ein Spannungsimpuls erzeugt. PLL 37 wird ein digitales 8-Bit-Impulssignal mit einer ersten Frequenz N zugeführt, welches die, dem Vorschaltgerät 12 von Spannungsquelle 10 zugeführte Sinusspannung darstellt.
PLL 37 gibt ein Impulssignal Vp mit einer zweiten Frequenz M ab, welche größer als die erste Frequenz N ist (d. h. M ist ein Vielfaches von N). Impulssignal Vp (d. h. eine Reihe von Impulsen, welche eine Impulsfolge bilden) basiert auf den Nulldurchgängen der von Spannungsquelle 10 erzeugten Wechselspannung, wodurch eine Phasenverschiebung zwischen der Eingangsspannung des Vorschaltgeräts und dem Signal zum Einschalten von Schalter 28 im Wesentlichen eliminiert wird. Diese Nullspannungsdurchgänge sind durch die Spannungszustände von im Wesentlichen Null des, an dem Ausgang von Gleichrichter 13 erzeugten, gleichgerichteten Wechselstromsignals dargestellt. Signal Vp dient als ein Taktsignal zum Lesen digitalisierter Werte einer Sinuswelle, welche in LUT 40 gespeichert ist. Bei jedem der digitalisierten M-Werte handelt es sich um ein 8-Bit-Wort, welche zusammen die positive Halbperiode einer Sinuswelle, welche in LUT 40 gespeichert ist, darstellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Mikrocontroller, wie z. B. ein Mikrocontroller 80C51, verwendet werden, wobei ein Nurlesespeicher (ROM) des Mikrocontrollers die, die positive Halbperiode einer Sinuswelle darstellenden, digitalisierten M-Werte speichert.
Das von LUT 40 ausgegebene 8-Bit-Wort wird einem Vervielfacher 43 zugeführt, welcher das 8-Bit-Wort mit einem Skalierungsfaktor multipliziert. Der Skalierungsfaktor wird durch eine Skalierungsschaltung bestimmt, welche einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 46, einen digitalen Subtrahierer 49 sowie einen Filterkompensator 52 aufweist. Der Skalierungsfaktor basiert auf der Spannung an Kondensator 22, das heißt, der Ausgangsspannung von Preconditioner 14. Durch Skalieren der, eine positive Halbperiode vorsehenden, digitalisierten Sinuswelle dient Leistungsfaktorregler 31 dazu, die Ausgangsspannung von Preconditioner 14 zu regeln.
Die Ausgangsspannung von Preconditioner 14 wird durch einen Spannungsteiler abgetastet, welcher aus der Hintereinanderschaltung eines Paares Widerstände 55 und 58 gebildet wird und zwischen dem Übergang, der Diode 25 mit Kondensator 22 und Erde verbindet, geschaltet ist. Die abgetastete Spannung wird an einen Schalter 61 angelegt, welcher geschlossen wird, sobald die Ausgangsspannung von Detektor 34 auf einem hohen Logikpegel liegt (d. h. während der Nullspannungsdurchgänge der Ausgangsleistung von Brücke 13). ADC 46 wandelt die abgetastete Spannung in ein 8-Bit-Digitalsignal um, welches in den digitalen Subtrahierer 49 eingegeben wird. Die digitalisierte, abgetastete Spannung wird von einer Referenzspannung Vref subtrahiert und wird zur Minimierung der bestehenden Differenz eingesetzt. Referenzspannung Vref stellt die gewünschte Ausgangsgleichspannung an dem Ausgang von Preconditioner 14 dar.
Die von dem digitalen Subtrahierer 49 abgegebene Leistung dient als Fehlersignal und basiert auf der Differenz zwischen der abgetasteten Spannung, welche die Istspannung darstellt, und der gewünschten Spannung an dem Ausgang von Preconditioner 14. Filterkompensator 52, bei welchem es sich um ein digitales Tiefpassfilter handelt, nimmt die von dem digitalen Subtrahierer 49 abgegebene Leistung auf. In das Steuersystem kann durch Filterkompensator 52 zum Zwecke eines stabileren und zuverlässigeren Betriebs ein Extrapol eingefügt werden. Weitere Ausführungsbeispiele können Mehrpole bzw. einen Mehrpol und Null-Implementierungen vorsehen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Filterkompensator 52 weist einen Addierer 64 auf, dessen Ausgangsleistung einem Vervielfacher 65 zugeführt wird. Die von Vervielfacher 65 abgegebene Leistung dient als Skalierungsfaktor für Vervielfacher 43. Die von Addierer 64 abgegebene Leistung wird ebenfalls einer Rückführungsleitung, welche von einem Vervielfacher 67 und einem Register 70 gebildet wird, zugeführt. Register 70 dient als Einheitsverzögerer (Unit Delayer). Ein Paar Koeffizienten K1 und K2, die jeweils den Vervielfachern 65 und 67 zugeordnet sind, sind programmierbar und basieren auf der Systemlast.
Die von Vervielfacher 43 abgegebene, skalierte, digitale Sinuswelle wird von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 73 in ein Analogsignal umgewandelt. Die von Vervielfacher 43 abgegebene Leistung, nun in Analogform, dient als Referenzstrom, welche dem nicht invertierenden Eingang eines Stromerfassungskomparators 76 zugeführt wird. Bei dem Referenzstrom handelt es sich um einen, auf dem in LUT 40 gespeicherten Binärdigital-Reihencode der Sinuswelle beruhenden Sinuswellenstrom, welcher durch einen Skalierungsfaktor während jedes Nulldurchgangs der von Wechselspannungsquelle 10 an Vorschaltgerät 12 angelegten Eingangsspannung eingestellt wird und auf diesem basiert.
Ein Abtastwert des durch Primärwicklung 16 fließenden Stroms wird von einem Widerstand 79 in eine Spannung umgewandelt und dem invertierenden Eingang des Stromerfassungskomparators 76 zugeführt. Der durch Primärwicklung 16 fließende, abgetastete Strom wird von Komparator 76 mit dem Referenzstrom verglichen. Ein RS-Signalspeicher 82, welcher die Ausgangsleistung von Komparator 76 an seinem Eingang S aufnimmt, stellt sicher, dass lediglich ein einziger Impuls an einem Ausgang Q von Signal speicher 82 abgegeben wird, um Schalter 28 einzuschalten (d. h. leitend zu machen). Signalspeicher 82 wird rückgesetzt, wenn ein Strom von im Wesentlichen Null durch Primärwicklung 16 fließt. Ein solcher Stromfluss von im Wesentlichen Null wird durch eine Sekundärwicklung 17 von Transformator 19 nachgewiesen, welche den Stromfluss durch Primärwicklung 16 überwacht und diesen einem Schmitt-Trigger 85 zuführt. Ein hoher Logikpegel wird von Schmitt-Trigger 85 abgegeben und dem Eingang R von Signalspeicher 82 zugeführt, um diesen rückzusetzen, sobald ein Stromfluss mit einem Pegel von im Wesentlichen Null durch Primärwicklung 16 festgestellt wird.
Komparator 76 führt Schalter 28 eine Schaltfolge zu, welche den Spitzenwert des durch Primärwicklung 16 fließenden Stroms mit dem von DAC 73 abgegebenen Referenzstrom zwangsläufig im Wesentlichen gleichsetzt. Die Größe von LUT 40 ist von der Auflösung des gewünschten, von DAC 73 abzugebenden Analogsignals und dem Verhältnis zwischen der zweiten Frequenz M und der ersten Frequenz N, welche PLL 37 zugeordnet ist, abhängig. Eine hohe, von DAC 73 vorgesehene Auflösung kann eine im Wesentlichen perfekte Sinuswellenform synthetisieren, so dass der THD des von Vorschaltgerät 12 entnommenen Eingangsstroms signifikant reduziert werden kann.
Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, ist ein verbesserter Preconditioner 14 mit Leistungsfaktorregler 31 durch die zeitweilige Verzerrung der Netzspannung durch Speicherung einer Sinuswelle in LUT 40 unbeeinflusst. Leistungsfaktorregler 14 hält ohne Verwendung eines relativ großen Elektrolytkondensators zur Einhaltung eines geringen THDs einen relativ hohen Leistungsfaktor (z. B. größer als 95%) aufrecht.

Claims

Preconditioner (14) eines Vorschaltgeräts mit: einem Ausgangskondensator (22), um im Wesentlichen eine Gleichspannung zu erzeugen; einem Schalter (28) zur Regelung der in dem Kondensator in Reaktion auf ein Schaltsignal gespeicherten Energiemenge; sowie einem Leistungsfaktorregler (31) zur Erzeugung des Schaltsignals, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsfaktorregler einen Referenzkurvenformgenerator (34, 37, 40) mit einer Verweistabelle (40) aufweist, um Werte von mindestens einer Wellenform zu speichern, wobei das von dem Leistungsfaktorregler erzeugte Schaltsignal auf der mindestens einen Wellenform, auf welche von der Verweistabelle zugegriffen wurde, basiert.
Preconditioner nach Anspruch 1, wobei der Leistungsfaktorregler weiterhin aufweist: eine Skalierungsschaltung (52, 49, 46), um die Größe der Wellenform einzustellen, auf welche von der Verweistabelle zugegriffen wurde.
Preconditioner nach Anspruch 2, wobei die Skalierungsschaltung (52, 49, 46) auf die Spannung an dem Ausgangskondensator des Preconditioners (14) reagiert, indem sie die Größe der Wellenform einstellt, auf welche von der Verweistabelle zugegriffen wurde.
Preconditioner nach Anspruch 1, wobei der Preconditioner (14) von einem Wechselstromsignal auf einer ersten Frequenz gespeist wird und der Referenzkurvenformgenerator weiterhin einen Phasenregelkreis (37) mit einem Impulsausgangssignal auf einer zweiten Frequenz aufweist, wobei die zweite Frequenz ein Vielfaches der ersten Frequenz ist.
Preconditioner nach Anspruch 4, wobei das Impulsausgangssignal durch eine Impulsfolge dargestellt ist, wobei der Beginn der Impulsfolge auf einen Spannungszustand des Wechselstromsignals von im Wesentlichen Null abgestimmt ist.
Preconditioner nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Impulsausgangssignal als Taktsignal zum Lesen der Werte von mindestens einer Wellenform, die in der Verweistabelle gespeichert ist, dient.
Preconditioner nach Anspruch 1, wobei die Werte von mindestens einer Wellenform, die in der Verweistabelle gespeichert ist, eine Halbperiode einer Sinuswelle darstellen.
Preconditioner nach Anspruch 1, wobei der Leistungsfaktorregler einen Mikrocontroller mit einem, als Verweistabelle dienenden Nurlesespeicher aufweist.