TW201424228A - 主動式功因修正器 - Google Patents

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Abstract

為了維護供電品質，電力公司皆會要求終端用戶(負載)於電源輸入端加裝功因修正器(Power Factor Corrector-PFC)修正負載功率因素，以符合規定。功因修正器目前分為二大類，一為由電阻、電容、電感組合而成的被動式功因修正器(電路)，一為由主動元件與電阻、電容、電感組合而成的主動式功因修正器(電路)。目前主動式功因修正器大都採用PWM控制電路架構，其優點是效率高、體積小，非常符合輕、薄、短、小之需求，但強大的諧波失真與電磁干擾對電力系統品質也造成嚴重困擾。本發明是以類比放大電路與電橋電路組合之架構來達到功因修正目的，因為是採用類比結構，整體設計上幾乎不產生電磁干擾，諧波失真也遠小於標準值。本發明之電路架構是以電子學中恆流源電路與電橋電路設計為基礎而加以推導擴大應用至交流電源電路，故學理上是一極具價值之創新發明。

Description

主動式功因修正器
本發明技術特徵之一在於整合電子學與電力電子學上電路分析與設計的新發明，將直流電路恆流源電路與電橋電路設計原理加以推導擴大應用至交流電源電路並實用化，讓原先局限應用於直流電路設計領域擴展創新於交流電源電路設計的發明。
為了改善電力系統供電品質，電力公司都會要求終端用戶(負載)必須具有某一程度以上的功率因素(Power Factor)與某一程度以下的諧波失真(Harmonic Distortion)。
因此為了提升功率因素，皆會在電源輸入端與負載間增加一組功因修正器(電路)以符合電力公司要求。
功因修正器(電路)，目前區分為兩大類。由電阻、電容、電感等純被動元件組成的，就稱為被動式功因修正器(電路)，適用于大功率場合，由主動元件與電阻、電容、電感等組成的，稱為主動式功因修正器(電路)，適用于中、低功率場合。
主動式功因修正器(電路)，目前是以PWM控制電路架構為主，若終端負載是直流負載則大都祇需一級就可完成，所以EMI較小，效率也較高。若終端負載是交流負載，一般都需二級才能完成，第一級是以Boost或Buck-Boost為架構的DC/DC Converter，第二級則為DC/AC Inverter，所以EMI大，效率也低，故PWM主動式功因修正器(電路)大都用於中小功率系統(負載)。
請參考圖一之習知技藝，交流電源V ac /i ac 11直接接至負載Z L 12，故電力供應系統之品質將大幅下滑。
請參考圖二之另一習知技術，交流電源V ac /i ac 21接至功因修正器(PFC)23再接至負載Z L 22，所以電力供應系統品質將可大幅改善。
本發明主要技術特徵之一請先考圖六。交流電源V ac /i ac 60經全波整流電路61產生脈動直流電源V acm /i acm 601並接至Q 169與Q 2610，同時也接至介面電路62產生脈動直流參考電源V acr /i acr 602。脈動直流參考電源V acr /i acr 602則接至介面電路63、介面電路64、介面電路65、介面電路66以產生、V 1、V 2、V re3、V re4之控制信號。
主動元件Q 169、Q 2610、Q 3611、Q 4612與電阻R e3613、R e4614及阻抗負載Z L 615組合成一橋式連接電路，其中Q 169與Q 2610是被設計當開關，故工作於截止/飽和區，Q 169、Q 4610不能同時開(ON)或同時關(OFF)，Q 3611、Q 4612是被設計做線性放大，故工作於工作區，Q 3611、Q 4612也不能同時動作，一個動作，另一個則需停止。
Q 169、Q 4612是一組，Q 2610、Q 3611是另外一組，當Q 169開(ON)，則Q 4612也動作，此時Q 2610必須是關(OFF)，Q 3611也不能動作；當Q 2610開(ON)，則Q 3611也動作，此時Q 169必須是關(OFF)，Q 4612也不能動作。相關時序請參考圖六。
其中監控系統68之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路62、介面電路63、介面電路64、介面電路65、介面電路66、介面電路67，和主動元件Q 169、Q 2610、Q 3611、Q 4612以讀取相關電壓、電流、溫度有關資料，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。
因為交流電源V ac /i ac 60、脈動直流電源V acm /i acm 601、脈動直流參考電源V acr /i acr 602與 V re3、V re4被設計成同頻同相，且Q 3611與Q 4612工作於工作區，故交流電源V ac 60之電流i ac 、脈動直流電源V acm 601之電流i acm 、脈動直流參考電源V acr 602之電流i acr 必然也是同頻同相，所以脈動直流電源V acm /i acm 601之電壓、電流是同頻同相，脈動直流參考電源V acr /i acr 602之電壓、電流也是同頻同相，故交流電源V ac /i ac 60之電壓、電流也一定是同頻同相，因而達成功因修正目的。
監控系統任務就是在確保整體系統穩定工作於所設定之工作模式。
本發明主要技術特徵之一的直流電壓、電流同相結構，請參考圖三。根據習知電子學理論可知，當主動元件Q31處於工作區，主動元件Q是BJT、MOSFET等相關之主動元件，直流電源V dc 35之輸出電流I dc 必等於I c 且約為V re /R e 的值，其間並不會隨V dc 35、電阻R L 32大小改變而改變，故直流電源將會輸出一固定電流，其大小約為V re /R e 。V re 是可調控的，其大小可利用外部介面電路34、參考電源V ref 36之電路設計來達成此功效。
本發明另一技術特徵之一則是脈動電壓、電流同相結構，請參考圖四，並對照圖三。其中Z L 42取代R L 32，V acm 45取代V dc 35，若Q處於工作區，則。
令V re 與V acm 45同頻同相，則i acm 便與V acm 同頻同相且不因V acm 45與Z L 42大小改變而改變。
因為V acm 與V re 可能是弦波整流後波形，故在nπ(n=0,1,2...)附近會使Q無法工作於工作區而造成i acm 與V acm 不同相，但不影響本發明整體設計。
Z L 42：雙端等效零件(電阻、電容、電感組合而成)
V acm /i acm 45：脈動直流電源
本發明又一技術特徵則是利用所述之交流電源其電壓、電流同相結構，請參考圖五，並對照圖三、圖四。交流電源50經全波整流電路51產生脈動直流電源V acm /i acm 501，並接至Z L 55，並經介面電路52產生脈動直流參考電源V acr /i acr 502，再接至介面電路53，若Q56處於工作區，V re 與V acm 同頻同相，則i acm 便與V acm 同頻同相，不因V acm 501與Z L 55大小改變而改變。
交流電源50經全波整流51與介面電路52產生V acm /i acm 501、V acr /i acr 502，且都同頻同相。V acr 經介面電路53產生所需之V re ，故V re 也與V acr 同頻同相。
又因為，故V acm 、i acm 、V acr 、i acr 同頻同相，所以交流電源之V ac 與i ac 便同相。
其中監控系統54之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路52、介面電路53、主動元件Q56，以讀取相關電壓、電流、溫度等資料參數，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。
除此之外，監控系統54再藉由相關介面電路讀取電阻、電容、電感組合而成的雙端等效零件Z L 55電壓、電流等相關資料而經介面電路53調控產生所需之V re 大小，以確保主動元件Q56處於工作區。
本發明類比主動式功因修正器(電路)實施例電路架構請參考圖六。交流電源60經全波整流電路61產生脈動直流電源V acm /i acm 601，並接至Q 169、Q 2610，再經介面電路62產生脈動直流參考電源V acr /i acr 602，並接至介面電路63、介面電路64、介面電路65、介面電路66；當Q 169呈現ON(V 1為Hi電位)，則Q 2610 OFF(V 2為Lo電位)，此時V re3為零，V re4則不為零且是與V acm 601同頻同相之脈動直流電，因此i acm 經Q 169流至Z L 615再經 Q 4612、R e4614流回，故也與V acm 601幾乎同相；當Q 169 OFF(V 1為Lo電位)，則Q 2610為ON(V 2為Hi電位)，此時V re3不為零且是與V acm 601同頻同相之脈動直流電，而V re4則為零。故i acm 便經由Q 2610流至Z L 615再經Q 3611、R e3613流回，所以也與V acm 601幾乎同相。
因此負載Z L 615二端電壓、電流變化就如同外接一交流電源，但其電壓、電流幾乎同相，因而達成功因修正目的。
Z L 615：雙端等效零件(電阻、電容、電感組合而成)
將上述技術特徵具體呈現的本發明另一實施例，請參考圖七，並對照圖六。交流電源70經全波整流電路71產生脈動直流電源V acm /i acm 701，並接至Q 179、Q 2710，再經介面電路72產生脈動直流參考電源V acr /i acr 702，並接至介面電路73、介面電路74、介面電路75、介面電路76，其中交流馬達(AC Motor)715取代負載Z L 615，交流馬達715若直接接至交流電源70，必然產生功因下降問題，而造成供電系統供電品質大幅下降。現將交流馬達715接至如圖七電路(功因修正電路)；在某半週時，Q 179 ON、Q 4712工作，Q 2710OFF、Q 3711不動作，因此i acm 經Q 179流至交流馬達715再經Q 4712、R e4714流回，而驅動交流馬達715且其與V acm 大約同相，故V ac /i ac 70也因此大約同相；在某另半週時，Q 179 OFF、Q 4712不動作，Q 2710 ON、Q 3711工作，因此i acm 經Q 2710流至交流馬達715再經Q 3711、R e3713流回，而驅動交流馬達715且其與V acm 大約同相，故V ac /i ac 70於此半週也大約同相。
因此交流馬達715就如同外接一交流電源且功能不變的正常工作，但對供電系統而言，其電壓、電流又大約同相，因此就達到功因修正目的。
Q 179、Q 2710、Q 3711、Q 4712是主動元件，可以是BJT、MOSFET等相關主動元件。
全波整流就是一般橋式整流，大都由二極體組成。V acr 702經介面電路73，介面電路74產生V 1、V 2。V acr 702經介面電路75，介面電路76產生V re3、V re4。
其中監控系統78之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路72、介面電路73、介面電路74、介面電路75、介面電路76、介面電路77，和主動元件Q 179、Q 2710、Q 3711、Q 4712以讀取相關電壓、電流、溫度有關資料，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。
以上各單元電路可由相關電子電路設計來完成。本發明所作組合而應用至功因修正器(電路)設計之學理與電路架構觀念是不可多得的發明，且可以用於電器產品有關之裝置。
RL、Re、R e3、R e4‧‧‧電阻
ZL‧‧‧電阻、電容、電感組合而成的雙端等效零件(負載)
Vac/iac‧‧‧交流電源
Vacm/iacm‧‧‧脈動直流電源
Vacr/iacr‧‧‧脈動直流參考電源
Vre3、Vre4‧‧‧電阻R e3、R e4二端電壓
Vre‧‧‧電阻Re二端電壓
Q 1、Q 2、Q 3、Q 4‧‧‧主動元件(如BJT、MOSFET有關元件)
ie、ic、ib‧‧‧電流
Vdc/I dc‧‧‧直流電源
Ie、Ic、Ib‧‧‧電流
圖一 習知不具功因修正器之負載架構
圖二 習知具功因修正器之負載架構
圖三 本發明直流電壓、電流同相原理
圖四 本發明脈動直流電壓、電流同相原理
圖五 本發明交流電源電壓、電流同相原理
圖六 本發明主動式功因修正器實施例電路架構
圖七 本發明主動式功因修正器具體實施例電路架構
60‧‧‧交流電源(單相或多相)V ac /i ac
61‧‧‧全波整流
62、63、64、65、66、67‧‧‧介面電路
68‧‧‧監控系統
69、610、611、612‧‧‧主動元件Q 1、Q 2、Q 3、Q 4
613、614‧‧‧電阻R e3、R e4
615‧‧‧電阻、電容、電感組合之等效阻抗負載Z L
601‧‧‧脈動直流電源V acm /i acm
602‧‧‧脈動直流參考電源V acr /i acr

Claims (12)

  1. 一種主動式功因修正器，其包括：全波整流：其輸入端接至交流電源，其輸出端接至電橋電路、介面電路，並將交流電源整流成脈動直流電源；電橋電路：其輸入端接至全波整流之輸出端，其輸出端則接至負載，而使負載具有接至一交流電源且功能不變的正常功能；監控系統：連接介面電路讀取所需之相關資料並判讀之，再經由介面電路送出適當的控制信號，而使整體系統正確穩定的在一設定之工作模式中運作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其輸入之交流電源可以是單相電源或多相電源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其全波整流是由二極體組成的橋式整流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，進一步內含一組主動元件，其主動元件可能是BJT、MOSFET等相關元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其進一步包括電阻零件，並接至主動元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其電橋電路是單相橋式結構或多相橋式結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其電橋電路之橋臂是由兩個主動元件與一個被動元件所組成。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之主動式功因修正器，其電橋電路之橋臂上二個主動元件其作動功能非同時一樣的作動，主要是依循交流電源相位時序作動。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之主動式功因修正器，其電橋電路之橋臂上二個主動元件，其中一個當開關使用，工作於飽和區或截止區，另一個工作於工作區是行使綫性放大功能。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，所述介面電路是接至監控系統、主動元件、被動元件之連接。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，所述監控系統，係經由介面電路連接至上述各項單元、主動元件、被動零件，並讀取相關資料以下達控制信號，使系統穩定工作。
  12. 一種應用如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其係用於電器產品有關之裝置。
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