TW202014715A - 模擬功率因數的交流負載系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種模擬功率因數的交流負載系統及其方法，包括一負載模擬電路，包括一可調電阻網路、一可調電感網路、一可調電容網路，該負載模擬電路通過導線連接一交流電源，其中該可調電阻網路中包括至少一電阻，該可調電感網路中包括至少一電感，該可調電容網路中包括至少一電容。一路徑切換電路連接於該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路。一控制單元依據一設定單元所設定的預設功率因數值或電阻、電感及電容值，通過該路徑切換電路選擇性地將該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路以一串並聯型式連接於該交流電源。

Description

模擬功率因數的交流負載系統及其方法
本發明係關於一種交流電子負載，特別是一種模擬功率因數的交流負載系統及其方法。
交流負載模擬裝置係用以模擬交流電路中各種實際負載，以瞭解並測試交流電源供應裝置或功率組件在特定負載下之工作狀態。
逆變器(Inverter)、不斷電電源(UPS)等實際電負載可區分為電阻性、電容性、電感性及整流性負載，其中電阻性及整流性負載以目前市場之習用交流電子負載產品可以模擬，但電容性及電感性負載的模擬仍然有困難。
本發明申請人先前提出用補償電源方法來模擬電感性及電容性負載的交流負載模擬裝置(發明專利第I540329號)，以期解決交流LC的PF功率因素負載之正電壓負電流及負電壓正電流，電子元件無法工作的範圍。但此方法成本高，又當待測試電源的頻率變動或電源電壓波形不是正弦波時便不適用。
本發明之主要目的即是提供一種可模擬功率因數的交流負載系統。本發明採用被動元件及配合的控制電路來達成模擬電感性及電容性負載的目的。
本發明所採用之技術手段係包括一負載模擬電路，包括一可調電阻網路、一可調電感網路、一可調電容網路，該負載模擬電路通過導線連接一交流電源，其中該可調電阻網路中包括至少一電阻，該可調電感網路中包括至少一電感，該可調電容網路中包括至少一電容。一路徑切換電路連接於該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路。一控制單元依據一設定單元所設定的預設功率因數值及電流值或電阻、電感、電容值，該預設功率因素值及電流值，實質上就是負載的電阻、電感、電容所組成的結果，兩者為等效關係，通過該路徑切換電路選擇性地將該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路以一串並聯型式連接於該交流電源。
較佳實施例中，本發明更包括一功率因數檢測電路，連接於該交流電源和該負載模擬電路之間，用以檢測該交流電源的電壓值和通過該導線的電流值，並依據該電壓值、電流值計算一實測功率因數值;一判別電路，連接該功率因數檢測電路，用以接收及判別該實測功率因數和該預設功率因數值間的至少一誤差值，並將該至少一誤差值傳送至該控制單元。控制單元依據該誤差值控制該路徑切換電路的該複數個切換單元，以調節該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路的該串並聯型式，以調節該負載模擬電路符合該預設功率因數值。
較佳實施例中，該功率因數檢測電路包括:一電壓檢測電路，跨接於該導線，用以檢測該交流電源的該電壓值；一類比至數位轉換器，連接於該電壓檢測電路，產生一數位型式的該電壓值;一電流檢測元件，串聯在該導線；一電流檢測電路，連接於該電流檢測元件，用以檢測通過該導線的該電流值；一類比至數位轉換器，連接於該電流檢測電路，產生一數位型式的該電流值;一計算單元，連接該電壓檢測電路和該電流檢測電路，依據接收的數位型式的該電壓值和該數位電流值計算得到該實測功率因數值。
較佳實施例中，該可調電阻網路中的該至少一電阻係包括至少一電阻元件或操作於電子負載定電阻模式或定電流模式的電子負載之一。
在效果方面，本發明可廣泛使用在各種電阻性、電容性、電感性的測試。本發明也適用在整流性負載(亦即在電子產品的電源電路中包括有整流電路、濾波電容等元件)的測試。本發明也適用各種非正弦波或頻率變化(變頻)的測試應用。
本發明所採用的具體技術，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
請同時參閱圖1所示，其顯示本發明模擬功率因數的交流負載系統及的電路方塊圖。本發明的模擬功率因數的交流負載系統包括一負載模擬電路1，其經由一對導線W1、W2連接一交流電源ACV。負載模擬電路1係可由一可調電阻網路R、一可調電感網路L、一可調電容網路C所組成。
一路徑切換電路2包括複數個切換單元，分別連接於該負載模擬電路1的可調電阻網路R、可調電感網路L、可調電容網路C。
一控制單元3，通過該路徑切換電路2連接於該負載模擬電路1中的可調電阻網路R、可調電感網路L、可調電容網路C。一設定單元4連接於該控制單元3，供使用者設定一預設功率因數值PF1、負載模擬電路1的負載電流值I1或電阻、電感、電容設定值。
控制單元3依據設定單元4所設定的預設功率因數值PF1及負載電流值I1，通過該路徑切換電路2選擇性地將該負載模擬電路1的可調電阻網路R、可調電感網路L、可調電容網路C以一串並聯型式連接於該交流電源ACV，以組成符合該預設功率因數值PF1及負載電流值I1的交流負載電路。
一功率因數檢測電路5連接於交流電源ACV和負載模擬電路1之間，用以檢測導線W1、W2間的電壓值V和通過該導線W1、W2的電流值I，並依據該電壓值V、電流值I及交流電源的功率值W計算一實測功率因數值PF2，PF2=W/VI。
一判別電路6可接收及判別該功率因數檢測電路5所量測出的實測功率因數值PF2和設定單元4所設定的預設功率因數值PF1間的誤差值E，並將該誤差值E傳送至控制單元3。
控制單元3除了依據設定單元4所設定的預設功率因數值PF1及負載電流值I1，通過路徑切換電路2選擇性地控制負載模擬電路1的可調電阻網路R、可調電感網路L、可調電容網路C之外，亦依據判別電路6所產生的誤差值E控制該路徑切換電路2的對應切換單元調節該負載模擬電路1的該可調電阻網路R、可調電感網路L、可調電容網路C的串並聯型式，直到負載模擬電路1精確符合使用者所預設定的功率因數值及負載電流值。
除電感、電容外，會再視需要增加一個串聯等效電阻Rs。串聯等效電阻Rs是模擬實際應用時交流電源(例如UPS或Inverter)輸出到電器設備輸入之導線、保險絲、開關、EMI濾波器及連接器之等效電阻，此串聯等效電阻Rs即是模擬實際的等效電阻值。
前述可調電阻網路R可採用操作於電子負載定電阻模式(CR Mode)或定電流模式(CC Mode)的電孒模擬負載，亦可採用內建一個或多個電阻元件而構成可調電阻網路R。可調電感網路L是模擬實際負載(例如馬達、壓縮機、吸塵器、冷氣機、洗衣機、電冰箱等)的等效電感值。可調電感網路L中內建一個或多個電感元件。可調電容網路C是模擬實際上倂聯於電感性負載的等效電容器，因為馬達或壓縮機等實際負載會變化，功率因數調整是偏重載時調整到約大於-0.8以上，所以當空載或輕載時會變成電容性，這時候電流會超前電壓，所以有電容性存在。可調電容網路C中內建一個或多個電容元件。
基本上電感、電容阻抗的範圍分別視負載而定，例如電感負載或電容負載是負載的50%，另外50%為電子負載或電阻負載，這樣的功率因數值 為45度約能達到+0.707~-0.707，來滿足實際電容性及電感性的負載需求。若要更大功率因數範圍就需要再並聯電阻、電感、電容模組，就能夠實現。
負載模擬電路1中除了內建的一個或多個電阻、電感、電容之外，另可外加客戶自行自訂的並聯或串聯的擴增電感與電容，若不足則可再擴增所需的電阻、電感、電容模組。
圖2A顯示圖1中的可調電阻網路R的一實施例，其包括複數個電阻R1、R2、R3...Rn及複數個切換單元S11、S12、S13...S1n。各個切換單元S11、S12、S13...S1n是分別對應地串聯連接於各個電阻R1、R2、R3...Rn。故當控制切換單元S11、S12、S13...S1n的閉路和開路，即可由複數個電阻R1、R2、R3...Rn組成具有所需電阻值的可調電阻網路R。可調電阻網路R中可預留一擴增電阻腳位Rext與一擴增切換單元S1ext，便於外加所需的擴增電阻。
圖2B顯示圖1中的可調電阻網路R採用一操作於電子負載定電阻模式的實施例示意圖。圖2C顯示圖1中的可調電阻網路R採用一操作於電子負載定電流模式的實施例示意圖。
圖3顯示圖1中的可調電感網路L的一實施例，其包括複數個電感L1、L2、L3...Ln及複數個切換單元S21、S22、S23...S2n。各個切換單元S21、S22、S23...S2n是分別串聯連接於各個電感L1、L2、L3...Ln後再予以並聯。故當控制切換單元S21、S22、S23...S2n的閉路和開路，即可由複數個電感L1、L2、L3...Ln組成具有所需電感值的可調電感網路L。可調電感網路L中可預留一擴增電感腳位Lext與一擴增切換單元S2ext，便於外加所需的擴增電感。
圖4顯示圖1中的可調電容網路C的一實施例，其包括複數個電容C1、C2、C3...Cn及複數個切換單元S31、S32、S33...S3n。各個切換單元S31、S32、S33...S3n是分別串聯連接於各個電容C1、C2、C3...Cn後再予以並聯。故當控制切換單元S31、S32、S33...S3n的閉路和開路，即可由複數個電容C1、C2、C3...Cn組成所需具有所需電容值的可調電容網路L。可調電容網路L中可預留一擴增電容腳位Cext與一擴增切換單元S3ext，便於外加所需的擴增電容。
圖5顯示圖1中的串聯等效電阻Rs的一實施例，其包括複數個等效電阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn及複數個切換單元S40、S41、S42、S43...S4n。故當控制切換單元S41、S42、S43...S4n的閉路和開路，即可由複數個等效電阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn組成所需電阻值的串聯等效電阻Rs。當切換單元S40為閉路時，此時的串聯等效電阻Rs便為0。串聯等效電阻Rs中可預留一擴增串聯等效電阻腳位Rsext與一擴增切換單元S4ext，便於外加所需的擴增串聯等效電阻。
控制單元3可依據負載電流值與功率因數值計算出所需的電阻值、電感值、電容值。以功率因數值PF=0.707為例，R=XC，PF=-0.707時，R=XL，然後依據頻率及公式XL=2πfL，XC=1/2πfC就可計算出電感值、電容值及電阻值。
控制單元3依據計算出的電感值、電容值及電阻值，即可控制各個切換單元S11、S12、S13...S1n、S21、S22、S23...S2n、S31、S32、S33...S3n、S41、S42、S43...S4n的閉路和開路，從而將電阻R1、R2、R3...Rn、電感L1、L2、L3...Ln、電容C1、C2、C3...Cn、等效電阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn組合成符合所需電阻值、電感值、電容值及功率因素值的各種不同的串並聯電路，便能達成可模擬電感性及電容性的功率因數交流負載。
前述的串並聯電路，例如可為電阻和電感並聯、電阻和電感串聯、電阻和電容並聯、電阻和電容串聯、串聯等效電阻和電感串聯後再與電阻並聯、串聯等效電阻和電感和電阻串聯、串聯等效電阻和電容串聯後再與電阻並聯、串聯等效電阻和電容和電阻串聯...等各種不同型式。
本發明即是結合電孒模擬負載(或實際的電阻元件)與可調電感網路L及可調電容網路C所組合的負載，搭配功率因數檢測電路來達成電感性負載與電容性負載之功率因素模擬，可用來測試驗證Inverter或UPS對實際各種電器設備，其功率因素都不相同之負載條件下，輸出能力是否穩定、足夠及是否能正常運作。
圖6顯示圖1中功率因數檢測電路5的進一步電路圖，其包括一電壓檢測電路51、一類比至數位轉換器52、一計算單元53、一電流檢測元件54、一電流檢測電路55、一類比至數位轉換器56。電壓檢測電路51跨接於交流電源ACV，可用以檢測導線W1、W2間的電壓值V。電壓值V經類比至數位轉換器52後，產生一數位型式的電壓值至計算單元53。電流檢測電路55跨接於電流檢測元件54的兩端，可用來量測負載電流值I的大小。電流值I經類比至數位轉換器56後，產生一數位型式的電流值至計算單元53。
計算單元53在接收該數位型式的電壓值V和電流值I之後，即可依據電壓值V、電流值I計算出視在功率VI與平均功率W，再據以計算出實測功率因數值PF2。
圖7顯示本發明控制流程圖。茲配合圖1~6所示的電路設計，對本發明的控制流程說明如下。本發明的控制流程包括下列步驟： 步驟101:      建置一負載模擬電路1，並將該負載模擬電路1通過導線連接一交流電源ACV。負載模擬電路1中包括一可調電阻網路R、一可調電感網路L、一可調電容網路C; 步驟102:      將負載模擬電路1通過一路徑切換電路2連接於一控制單元3，該路徑切換電路2中包括複數個切換單元; 步驟103:      設定一預設功率因數值PF1及負載電流值I1或電阻、電感、電容值; 步驟104:      控制單元3依據該預設功率因數值PF1及負載電流值I1，通過該路徑切換電路2選擇性地將該負載模擬電路1的該可調電阻網路R、該可調電感網路L、該可調電容網路C以一串並聯型式連接於該交流電源ACV，以組成符合該預設功率因數值PF1及負載電流值I1的交流負載電路。控制單元3係依據負載電流值與功率因數值計算出負載模擬電路1中的可調電阻網路R、可調電感網路L、可調電容網路C中所需的電阻值、電感值、電容值。 步驟105:      檢測該交流電源ACV的電壓值V和通過該導線的電流值I，並依據該電壓值V、電流值I計算一實測功率因數值PF2; 步驟106:      接收及判別該預設功率因數值PF1和該實測功率因數值PF2間的誤差值E; 步驟107:      控制單元3依據該誤差值E通過該路徑切換電路2的該複數個切換單元，以調節該負載模擬電路1的該可調電阻網路R、該可調電感網路L、該可調電容網路C的該串並聯型式，直到該實測功率因數值PF2實質相等於該預設功率因數值PF1。
圖7顯示本發明在進行實測功率因數值PF2的量測時的控制流程圖，其包括下列步驟： 步驟201:      以一電壓檢測電路51檢測導線W1、W2間的電壓值V; 步驟202:      將該電壓值V經類比至數位轉換器52產生一數位型式的電壓值; 步驟203:      以一電流檢測電路54檢測通過該導線W1、W2的電流值I; 步驟204:      將該電流值I經類比至數位轉換器56產生一數位型式的電流值; 步驟205:      以一計算單元53接收該數位型式的電壓值和電流值，依據該電壓值、電流值計算出該實測功率因數值PF2; 步驟206:      將該實測功率因數值PF2傳送至該控制單元3。
以上所舉實施例僅係用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下而完成的等效修飾或置換，均應包含於後述申請專利範圍內。
1:負載模擬電路2:路徑切換電路3:控制單元4:設定單元5:功率因數檢測電路51:電壓檢測電路52:類比至數位轉換器53:計算單元54:電流檢測元件55:電流檢測電路56:類比至數位轉換器6:判別電路ACV:交流電源R:可調電阻網路R1、R2、R3...Rn:電阻Rext:擴增電阻腳位Rs:串聯等效電阻Rs1、Rs2、Rs3...Rsn:等效電阻Rsext:擴增串聯等效電阻腳位L:可調電感網路L1、L2、L3...Ln:電感Lext:擴增電感腳位C:可調電容網路C1、C2、C3...Cn:電容Cext:擴增電容腳位PF1:預設功率因數值PF2:實測功率因數值E:誤差值V:電壓值I:電流值I1:負載電流值S11、S12、S13...S1n、S1ext:切換單元S21、S22、S23...S2n、S2ext:切換單元S31、S32、S33...S3n、S3ext:切換單元S41、S42、S43...S4n、S4ext:切換單元W1、W2:導線
［圖1］顯示本發明模擬功率因數的交流負載系統及其方法的電路方塊圖。 ［圖2A］顯示圖1中的可調電阻網路R的一實施例。 ［圖2B］顯示圖1中的可調電阻網路R採用一操作於電子負載定電阻模式的實施例示意圖。 ［圖2C］顯示圖1中的可調電阻網路R採用一操作於電子負載定電流模式的實施例示意圖。［圖3］顯示圖1中的可調電感網路L的一實施例。 ［圖4］顯示圖1中的可調電容網路C的一實施例。 ［圖5］顯示圖1中的串聯等效電阻Rs的一實施例。 ［圖6］顯示圖1中功率因數檢測電路的進一步電路圖。 ［圖7］顯示本發明控制流程圖。
1:負載模擬電路
2:路徑切換電路
3:控制單元
4:設定單元
5:功率因數檢測電路
6:判別電路
ACV:交流電源
R:可調電阻網路
Rs:串聯等效電阻
L:可調電感網路
C:可調電容網路
PF1:預設功率因數值
PF2:實測功率因數值
E:誤差值
V:電壓值
I:電流值
I1:負載電流值
S11-S1n:切換單元
S21-S2n:切換單元
S31-S3n:切換單元
S41-S4n:切換單元
W1、W2:導線

Claims (9)

  1. 一種模擬功率因數的交流負載系統，包括： 一負載模擬電路，包括一可調電阻網路、一可調電感網路、一可調電容網路，該負載模擬電路通過導線連接一交流電源，其中該可調電阻網路中包括至少一電阻，該可調電感網路中包括至少一電感，該可調電容網路中包括至少一電容; 一路徑切換電路，包括複數個切換單元，分別連接於該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路; 一控制單元，連接該路徑切換電路中的該複數個切換單元; 一設定單元，連接於該控制單元，供使用者設定一預設功率因數值及負載電流值或電阻、電感、電容值； 其中該控制單元依據該設定單元所設定的該預設功率因數值及負載電流值，通過該路徑切換電路選擇性地將該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路以一串並聯型式連接於該交流電源。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之模擬功率因數的交流負載系統，更包括: 一功率因數檢測電路，連接於該交流電源和該負載模擬電路之間，用以檢測該交流電源的電壓值和通過該導線的電流值，並依據該電壓值、電流值計算一實測功率因數值; 一判別電路，連接該功率因數檢測電路，用以接收及判別該實測功率因數和該預設功率因數值間的至少一誤差值，並將該至少一誤差值傳送至該控制單元; 該控制單元依據該誤差值控制該路徑切換電路的該複數個切換單元，以調節該負載模擬電路的該可調電阻網路、該可調電感網路、該可調電容網路的該串並聯型式，以調節該負載模擬電路符合該預設功率因數值。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之模擬功率因數的交流負載系統，其中該功率因數檢測電路包括: 一電壓檢測電路，跨接於該導線，用以檢測該交流電源的該電壓值； 一類比至數位轉換器，連接於該電壓檢測電路，產生一數位型式的該電壓值; 一電流檢測元件，串聯在該導線； 一電流檢測電路，連接於該電流檢測元件，用以檢測通過該導線的該電流值； 一類比至數位轉換器，連接於該電流檢測電路，產生一數位型式的該電流值; 一計算單元，連接該電壓檢測電路和該電流檢測電路，依據接收的數位型式的該電壓值和該數位電流值計算得到該實測功率因數值。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之模擬功率因數的交流負載系統，其中該可調電阻網路中的該至少一電阻係包括至少一電阻元件或操作於電子負載定電阻模式的電子負載或操作於定電流模式的電子負載之一。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之模擬功率因數的交流負載系統，其中該可調電阻網路中預留至少一擴增電阻腳位、該可調電感網路中預留至少一擴增電感腳位、該可調電容網路中預留至少一擴增電容腳位。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之模擬功率因數的交流負載系統，更包括一串聯等效電阻，該串聯等效電阻係串聯連接於該導線。
  7. 一種模擬功率因數的交流負載的方法，包括下列步驟： (a)    建置一個包括一可調電阻網路、一可調電感網路、一可調電容網路的負載模擬電路，並將該負載模擬電路通過導線連接一交流電源，其中該可調電阻網路中包括至少一電阻，該可調電感網路中包括至少一電感，該可調電容網路中包括至少一電容; (b)   將負載模擬電路通過一路徑切換電路連接於一控制單元，該路徑切換電路中包括複數個切換單元; (c)    設定一預設功率因數值及負載電流值或電阻、電感、電容值; (d)   依據該預設功率因數值，通過該路徑切換電路選擇性地將該可調電阻網路中的該至少一電阻、該可調電感網路中的該至少一電感、該可調電容網路中的該至少一電容以一串並聯型式連接於該交流電源。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之模擬功率因數的交流負載的方法，其中步驟(d)之後更包括下列步驟： (e)    檢測該交流電源的電壓值和通過該導線的電流值，並依據該電壓值、電流值計算一實測功率因數值; (f)    接收及判別該預設功率因數值和該實測功率因數值間的誤差值; (g)   依據該誤差值通過該路徑切換電路的該複數個切換單元，以調節該負載模擬電路的該可調電阻網路中的該至少一電阻、該可調電感網路中的該至少一電感、該可調電容網路中的該至少一電容的該串並聯型式，直到該實測功率因數值實質相等於該預設功率因數值。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之模擬功率因數的交流負載的方法，其中步驟(e)在計算該實測功率因數值時包括下列步驟： (e1) 以一電壓檢測電路檢測該導線間的該電壓值; (e2) 以一電流檢測電路檢測通過該導線的該電流值; (e3) 依據該電壓值、該電流值計算出該實測功率因數值; (e4) 將該實測功率因數值傳送至該控制單元。
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