TWI404086B

TWI404086B - 功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置

Info

Publication number: TWI404086B
Application number: TW098125580A
Authority: TW
Inventors: Wun Chih Liu; Szu Hsien Liu; Szu Lin Liu
Original assignee: Wun Chih Liu; Szu Hsien Liu; Szu Lin Liu
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2013-08-01
Also published as: US20110026286A1; TW201104712A

Description

功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置

本發明係關於一種功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置，特別是關於一種直流電壓至交流電壓轉換裝置之功率因數補償變壓器。

如第1圖所示，係揭示一傳統變壓器81應用於一直流電壓至交流電壓轉換電路82之樣態。該變壓器81連接在在該直流電壓至交流電壓轉換電路82及市電之間，以將能量藉由轉換後輸出。更詳言之，如第1圖所示，該變壓器81具有一初級線圈811、一耦合線圈812及一鐵心813，其中該初級線圈811及該耦合線圈812係共同繞製在該鐵心813上，以便相互感應生電；該直流電壓至交流電壓轉換電路82具有一直流輸入端821及一交流輸出端822，該直流電壓至交流電壓轉換電路82之直流輸入端821係用以接收一來自綠色能源(如太陽能)之一直流電源；該變壓器81之初級線圈811係直接連接至市電，而該變壓器81之耦合線圈812係與該直流電壓至交流電壓轉換電路82之交流輸出端822電性連接；藉此，該直流電源可藉由該直流電壓至交流電壓轉換電路82之轉換，而於該交流輸出端822產生一交流電源，該交流電源再藉由該變壓器81之變壓，於該初級線圈811產生一與市電電壓一致之初級電壓，並饋入市電進行併聯運作。

一般而言，上述習用變壓器81具有下列缺點：由於該初級線圈811係直接連接至市電，因此會在該初級線圈811迴路上產生一電流，且該電流包含一初級線圈電感電流I₁ 之成分，使該初級線圈811產生大量的虛功率，進而降低系統整體功率因數(即市電側之功率因數)，以致無法達到電力公司之要求。

為了克服上述缺點，如第1圖所示，該習用變壓器81設有一並聯電容器C，該並聯電容器C係與該初級線圈811相互並聯，以便該並聯電容器C產生一電流，該電流包含一電容電流I_C ，且可藉由設計該並聯電容器C的電容值，使該電容電流I_C 之值與該初級線圈電感電流I₁ 之值幾乎相同且方向相反，進而相互抵消，即。因此饋入市電之虛功率會因此而減少，藉以達到提高系統整體功率因數之功效。然而，其具有下述缺點：為了使該並聯電容器C達到所設計的電容值要求，需進行多個電容的串並聯組合，以形成該具有預定電容值的並聯電容器C，惟該並聯電容器C係直接跨接於市電，因此其耐壓要求必須非常高，因此在進行多個電容的串並聯組合時，將勢必造成設計上的限制，進而無法使用該並聯電容器C。

另外，如第2圖所示，其揭示該變壓器81應用於一被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路91之另一樣態，如中華民國公開第200926567號「被動式觸發型直流至交流電能轉換裝置」專利案。相較於第1圖，第2圖之被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路91與變壓器81之間另串聯設置一具空氣間隙電感器92。該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路91藉由觸發角導通的方式進行一交流電源之轉換輸出，利用該具空氣間隙電感器92儲存之磁能，強迫電流由直流電源流出而饋入該變壓器81之一耦合線圈812，以完成直流電壓至交流電壓之能量轉換。第2圖之習用架構除具有如第1圖之初級線圈電感電流I₁ 之成分外，由於該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路91會產生一電流通過該具空氣間隙電感器92，而在該具空氣間隙電感器92上產生一耦合線圈電感電流I₂ 之成分，進一步在該變壓器93之市電側耦合產生另一虛功率，因而使該直流電壓至交流電壓轉換裝置之整體功率因數更為降低，嚴重影響電力品質。

值得注意的是，由於該耦合線圈電感電流I₂ 是由該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路91導通觸發產生，因此該耦合線圈電感電流I₂ 耦合到該市電側時，並非一正弦波形，因此即使加入該並聯電容器C仍然無法克服該耦合線圈電感電流I₂ 所衍生功率因數下降的問題。

本發明目的乃改良上述各種習知變壓器應用於直流電壓至交流電壓轉換裝置之缺點，以提供一種直流電壓至交流電壓轉換裝置之功率因數補償變壓器，使該直流電壓至交流電壓轉換裝置之功率因數獲得改善者。

本發明次一目的係提供一種功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置，以有效簡化電路設計。

本發明再一目的係提供一種功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置，以有效減少裝置體積及成本。

根據本發明功率因數補償變壓器，係包含一鐵心、一初級線圈、一耦合線圈、一功因補償線圈、一功因補償電容組、一觸發控制開關及一限制電容電流瞬變電感；該初級線圈繞製在該鐵心上，且該初級線圈具有一初級線圈連接端；該耦合線圈繞製在該鐵心上，且該耦合線圈的繞製方向與該初級線圈相同，該耦合線圈具有一耦合線圈連接端；該功因補償線圈，繞製在該鐵心上，且該功因補償線圈的繞製方向與該初級線圈及該耦合線圈相同；該功因補償電容組與該功因補償線圈係相互並聯連接；該觸發控制開關係串聯設置在該功因補償線圈及該功因補償電容組之間；該限制電容電流瞬變電感，係串聯設置在該功因補償線圈、該觸發控制開關及該功因補償電容組之間。

根據本發明功率因數補償變壓器，係包含一鐵心、一初級線圈、一耦合線圈、一功因補償線圈及一功因補償電容組；該初級線圈繞製在該鐵心上，且該初級線圈具有一初級線圈連接端；該耦合線圈繞製在該鐵心上，且該耦合線圈具有一耦合線圈連接端；該功因補償線圈繞製在該鐵心上，且該功因補償線圈的繞製方向與該初級線圈及該耦合線圈相同；該功因補償電容組與該功因補償線圈相互並聯連接。

根據本發明直流電壓至交流電壓轉換裝置，係包含一被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路及一功率因數補償變壓器；該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路設有一交流輸出端及一具空氣間隙電感器；該功率因數補償變壓器，包含一初級線圈、一耦合線圈、一鐵心、一功因補償線圈、一功因補償電容組、一限制電容電流瞬變電感及一觸發控制開關，該初級線圈具有一初級線圈連接端，該初級線圈連接端係供市電並聯，該耦合線圈具有一耦合線圈連接端，該耦合線圈連接端藉由串聯於其上之具空氣間隙電感器與該交流輸出端並聯，該初級線圈、該耦合線圈及該功因補償線圈係以同一繞線方向共同繞製於該鐵心上，該功因補償電容組與該功因補償線圈係相互並聯連接，該觸發控制開關係串聯設置在該功因補償線圈及該功因補償電容組之間，該限制電容電流瞬變電感係串聯設置在該功因補償線圈、該觸發控制開關及該功因補償電容組之間。

根據本發明直流電壓至交流電壓轉換裝置，係包含一內建振盪源直流電壓至交流電壓轉換電路及一功率因數補償變壓器；該內建振盪源直流電壓至交流電壓轉換電路具有一交流輸出端；一功率因數補償變壓器包含一初級線圈、一耦合線圈、一鐵心、一功因補償線圈及一功因補償電容組，該初級線圈具有一初級線圈連接端，該初級線圈連接端係供市電並聯，該耦合線圈具有一耦合線圈連接端，該耦合線圈連接端與該交流輸出端並聯，該初級線圈、該耦合線圈及該功因補償線圈係以同一繞線方向共同繞製於該鐵心上，該功因補償電容組與該功因補償線圈係相互並聯連接。

為讓本發明之上述之他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第3圖所示，其揭示本發明第一實施例之功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置。該直流電壓至交流電壓轉換裝置包含一被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路1及一功率因數補償變壓器2，該功率因數補償變壓器2係應用於該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路1。更進一步言之，該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路1具有一直流輸入端11、一交流輸出端12及一具空氣間隙電感器13；該功率因數補償變壓器2包含一初級線圈21、一耦合線圈22、一鐵心23、一功因補償線圈24、一功因補償電容組25、一限制電容電流瞬變電感26及一觸發控制開關27。該直流輸入端11接收一直流電源；該初級線圈21具有一初級線圈連接端211，其係與市電並聯；該耦合線圈22具有一耦合線圈連接端221，該交流輸出端12與該耦合線圈22之耦合線圈連接端221並聯，以便將該交流輸出端12輸出之一交流電源饋入該耦合線圈22；該鐵心23具有一封閉迴路，以供封閉磁通在其內部迴路流動，該鐵心23供該初級線圈21、耦合線圈22、及該功因補償線圈24共同於其上進行同一方向之繞製作業，即該三線圈21、22、24同樣以順時針方向於該鐵心23上進行繞製；或以反時針方向進行繞製；該功因補償電容組25與該功因補償線圈24係相互並聯連接；本發明之該限制電容電流瞬變電感26及該觸發控制開關27係串聯設置在該功因補償線圈24及該功因補償電容組25之間。其中該功因補償線圈24、該功因補償電容組25、該限制電容電流瞬變電感26及該觸發控制開關27共同形成一功率因數補償電路。

請再參照第3圖所示，當該功因補償線圈24因該初級線圈21及耦合線圈22之作動而感應生電時，會在該功因補償線圈24建立一預定電壓，因而在該功率因數補償電路中產生一補償電流I₃ ，且該補償電流I₃ 係流入該功因補償線圈24內，因此，該鐵心23之磁通Φ可表示成下式：

其中N₁ 、N₂ 、N₃ 係分別表示該初級線圈21、耦合線圈22及功因補償線圈24之線圈匝數。

因為該初級線圈21係並聯於市電，若市電電壓為V₁ ，則V₁ 可表示為：

將式(1)帶入式(2)可寫成：

或將上式整理得：

由於市電並聯的條件必須使該初級線圈21電壓與市電電壓V₁ 維持相同且恆定，因此若將式(3)或(4)右項之N₃ I₃ 項變大時，由於該N₂ I₂ 項亦為固定(因其係由該直流電壓至交流電壓轉換電路1所產生)，故N₁ I₁ 項必然減少，即消除初級線圈電感電流I₁ 產生大量的虛功率，以提高該直流電壓至交流電壓轉換裝置整體之功率因數。換言之，若能將N₃ I₃ 項等於N₁ I₁ +N₂ I₂ 項，則式(4)可進一步改寫成

其中，代表不包含該初級線圈電感電流I₁ 成分之電流。

請再參考第3圖所示，由於該功因補償線圈24因耦合作用感應出與市電電壓V₁ 大小與相位相同的感應電壓，因而使該功因補償電容組25流入一電容性電流I_C ，然而該電容性電流I_C 與補償電流I₃ 之相位呈現180度，因此該電容性電流I_C 之流向與該補償電流I₃ 之流向實際上為相同，因此可進一步證明式(5)之補償方式係為可行。

為了克服在該具空氣間隙電感器13上產生之耦合線圈電感電流I₂ ，造成該直流電壓至交流電壓轉換裝置之整體功率因數更為下降之缺點，本發明第一實施例之功率因數補償變壓器2在該功因補償線圈24及該功因補償電容組25之間另串聯設置該限制電容電流瞬變電感26及該觸發控制開關27。請再參照第3圖所示，由於該耦合線圈電感電流I₂ 會受到該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路1’內部的閘流體的觸發角度所影響，因此該耦合線圈電感電流I₂ 並非是一個理想的正弦波形，故藉由將該觸發控制開關27控制其導通角與該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路1之導通角呈相關性，即該被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路1之導通角提前觸發時，控制該觸發控制開關27之導通角亦提前觸發；反之，亦同。藉此，可消除該具空氣間隙電感器13上產生之耦合線圈電感電流I₂ 。因此本發明第一實施例之功率因數補償變壓器可藉由提供電容性虛功同時補償該初級線圈21產生之一電感性虛功及該具空氣間隙電感器13產生的電感性虛功。

另外，由於該功因補償電容組25永遠被充電至最高電壓時，該觸發控制開關27才會被停止導通，但是該觸發控制開關27被觸發導通時，建立在該功因補償電容組25的電壓未必達到最高，因此該限制電容電流瞬變電感26係用以限制該觸發控制開關27被觸發導通時，流進或流出該功因補償電容組25的電流上升或下降的速度，即dI_C /dt的速度，該限制電容電流瞬變電感26並不需要考慮磁飽和問題，故僅需選擇小尺寸的電感，而可降低該直流電壓至交流電壓轉換裝置整體重量及成本。

請參照第4圖所示，其揭示本發明功率因數補償變壓器2之功因補償電容組25之電路。其具有一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第一電容C1及一第二電容C2。該第一電阻R1及第一電容C1係相互並聯；該第二電阻R2及第二電容C2係相互並聯；且該第一電容C1及第二電容C2係相互串聯，以形成分壓；同樣的，該第一電阻R1及第二電阻R2亦相互串聯，以形成分壓；該二電容C1、C2係可選擇較小電容量之電解質電容，以降低電路成本。另外，該第一二極體D1及第二二極體D2係形成反向串接，並分別與該第一電容C1及第二電容C2係相互並聯，以避免該第一電容C1及第二電容C2發生逆向偏壓而損毀。再者，該第一電阻R1及第二電阻R2係用以提供該二電容C1、C2之殘餘電壓放電。

請參照第5圖所示，其揭示本發明第二實施例之功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置，與第一實施例之差別在於，其另設有一輔助功因補償電容組28，該輔助功因補償電容組28係並聯在該觸發控制開關27及該功因補償線圈24之間，該輔助功因補償電容組28之電路組成及連接方式與該功因補償電容組25相同，於此不作贅述。本發明第二實施例之該功因補償電容組25及該輔助功因補償電容組28可藉由適當設計分別提供該功因補償線圈24不同的電流迴路，以消除由該具空氣間隙電感器13通過該耦合線圈電感電流I₂ 產生的虛功率及該市電側之初級線圈電感電流I₁ 產生的虛功率，以進一步提高該直流電壓至交流電壓轉換裝置整體之功率因數。

請再參照第5圖所示，其中本發明第二實施例之該功因補償線圈24、該功因補償電容組25、該限制電容電流瞬變電感26、該觸發控制開關27及該輔助功因補償電容組28共同形成一功率因數補償電路。

請參照第6圖所示，其揭示本發明第三實施例之功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置，與第一及二實施例之差別在於：一功率因數補償變壓器2’係連接於一內建振盪源直流電壓至交流電壓轉換電路1’。該內建振盪源直流電壓至交流電壓轉換電路1’僅具有一直流輸入端11’及一交流輸出端12’，該內建振盪源直流電壓至交流電壓轉換電路1’因自我振盪於該交流輸出端12’產生一交流電壓，因此不需要裝設如本發明第一及二實施例之該具空氣間隙電感器13，故不會產生由該具空氣間隙電感器13之電感性虛功，也因此該功率因數補償變壓器2’可不需要裝設如第一及二實施例之該限制電容電流瞬變電感26及該觸發控制開關27，亦即本發明第三實施例之功率因數補償變壓器2’僅包含一初級線圈21’、一耦合線圈22’、一鐵心23’、一功因補償線圈24’及一功因補償電容組25’。其連接方式除該耦合線圈22’之一耦合線圈連接端221’直接並聯該交流輸出端12’，以及該功因補償線圈24’直接並聯該功因補償電容組25’之外，其餘構件都與第一及二實施例之連接及設置方式相同，於此不作贅述。

藉由前揭各實施例之功率因數補償變壓器2及2’的特徵，本發明除可達到提高該直流電壓至交流電壓轉換裝置整體之功率因數的功效外，另有如下所述之諸多功效：

1、該功因補償電容組25及該輔助功因補償電容組28的承受耐電壓值有效大幅降低，藉以降低電容器成本及提高使用效率：由於該功因補償線圈24的匝數N₃ 少於該初級線圈21的匝數N₁ ，且完全不受市電電壓V₁ 的影響。即使在轉換市電電壓V₁ 時，僅需變動該初級線圈21的匝數N₁ ，而不致更改該直流電壓至交流電壓轉換裝置之其他部分電路。

2、提高供電電力品質：如前所述，由於該耦合線圈電感電流I₂ 並非是一個理想的正弦波形，藉由本發明之功率因數補償變壓器2的觸發控制開關27之導通角控制，可解決上述問題，使感應到該初級線圈21的電壓維持正弦波形，以提高供電電力品質之功效。

3、該功率因數補償變壓器2功能的高度整合：本發明可將該初級線圈21、該耦合線圈22及該功因補償線圈24整合在該功率因數補償變壓器2之同一鐵心23，以達到整合之功效。

4、該功率因數補償變壓器2裝置體積及成本降低：該功因補償線圈24產生之補償電流I₃ 將用以抵消該初級線圈電感電流I₁ 之成分，所以該初級線圈21流過的電流會被有效的降低，因此該初級線圈21所需的銅線可選擇較小線徑，故可降低變壓器裝置體積及成本。

如上所述，本發明功率因數補償變壓器2及2’確實具有提高功率因數、降低電容器成本、提高供電電力品質、高度整合變壓器功能及降低變壓器裝置體積、成本等特點，因此，適合應用於市電並聯運轉之場合，以提供較佳之供電品質。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

1．．．被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路

11．．．直流輸入端

12．．．交流輸出端

13．．．具空氣間隙電感器

2．．．功率因數補償變壓器

21．．．初級線圈

211．．．初級線圈連接端

22．．．耦合線圈

221．．．耦合線圈連接端

23．．．鐵心

24．．．功因補償線圈

25．．．功因補償電容組

26．．．限制電容電流瞬變電感

27．．．觸發控制開關

28．．．輔助功因補償電容組

1’．．．內建振盪源直流電壓至交流電壓轉換電路

11’．．．直流輸入端

12’．．．交流輸出端

2’．．．功率因數補償變壓器

21’．．．初級線圈

211’．．．初級線圈連接端

22’．．．耦合線圈

221’．．．耦合線圈連接端

23’．．．鐵心

24’．．．功因補償線圈

25’．．．功因補償電容組

[習知]

81．．．變壓器

811．．．初級線圈

812．．．耦合線圈

813．．．鐵心

82．．．直流電壓至交流電壓轉換電路

821．．．直流輸入端

822．．．交流輸出端

91．．．被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換電路

92．．．具空氣間隙電感器

第1圖：習知另一種傳統變壓器應用於一直流電壓至交流電壓轉換裝置的電路圖。

第2圖：習知另一種傳統變壓器應用於一被動式觸發型直流電壓至交流電壓轉換裝置的電路圖。

第3圖：本發明功率因數補償變壓器之功因補償電容組之電路圖。

第4圖：本發明第一實施例功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置的電路圖。

第5圖：本發明第二實施例功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置的電路圖。

第6圖：本發明第三實施例功率因數補償變壓器及其構成之直流電壓至交流電壓轉換裝置的電路圖。