專利名稱：適用于任意負(fù)載之模件化并聯(lián)式功率因數(shù)校正方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的功率因數(shù)校正方法及裝置，而尤指一種適用于任意負(fù)載之模件化泛用并聯(lián)式功率因數(shù)校正方法及裝置。其最顯著之特色系在于能無視于負(fù)載特性及負(fù)載大小的影響，而對(duì)任意負(fù)載進(jìn)行功因之改善。
一般的電力負(fù)載不論是家庭用的、辦公室用的或是工業(yè)用的，其功率因素(POWERFACTOR)通常都遠(yuǎn)低于1。造成電力公司在發(fā)電、輸電和配電上浪費(fèi)了不少設(shè)備。尤其近代電氣用品、儀器設(shè)備，其輸入端多為整流器，所汲取的電流皆是峰值系數(shù)(CRESTFACTOR)很高，諧波成分很大的脈波。這類負(fù)載，不但浪費(fèi)了電力設(shè)備，更污染了電源(噪音倒灌的關(guān)系)，降低了電力的品質(zhì)。
因此，全世界的科學(xué)家、工程師、電力公司和政府，逐漸達(dá)成了一個(gè)共識(shí)如何將每一種負(fù)載的功率因素提升，以便提高電力系統(tǒng)(發(fā)電、輸電和配電)的設(shè)備利用率，及能節(jié)約能源、提升電力品質(zhì)與減少噪音污染。
通常稱這種“提高負(fù)載之功率因素，(使盡量接近于一)”的作法為“功率因素校正法(POWERFACTORCORRECTION)”，簡(jiǎn)稱“功因校正(PFC)”。
而目前常見的PFC技術(shù)，概有無源式(PASSIVE)和有源式(ACTIVE)兩大類。其中，無源式PFC，通常用于線性負(fù)載。負(fù)載如為感性，則因其電流落后于電壓，乃用具有使電流趨前的功能的容性電路作功因校正。反之，負(fù)載如為容性，則用感性電路作功因校正。
有源式PFC，為比較新的技術(shù)，通常用于整流性負(fù)載。利用類似于有源濾波器同樣的技巧，強(qiáng)迫整流性負(fù)載汲取和電源電壓同樣波形的電流，而不是原來的脈波電流，因而改進(jìn)了功率因素。這類功因校正器，通常是針對(duì)輸入端為“開關(guān)式電源”(SWITCHINGPOWERSUPPLY)之儀器、設(shè)備而設(shè)計(jì)的，市面上已有專用集成電路出現(xiàn)，如UNITRODE公司之UC3854，MICROLINEAR公司之ML4812，SIEMENS公司之TDA4814，以及TOSHIBA公司之TA8310……等等。
而至目前為止，常用的PFC技術(shù)，不論其采用的是無源式或有源式，都有以下的共同缺點(diǎn)-只適用于專屬的負(fù)載，亦即容性PFC電路只能用于感性負(fù)載，感性PFC電路只能用于容性負(fù)載，而有源式PFCIC則只能用于整流性負(fù)載。因此，常用的PFC技術(shù)，在作“功因校正”的時(shí)候，必須先完全且充分的了解負(fù)載的特性(感性、容性或是整流性？功率因素是多少？峰值系數(shù)是多少？)以及功率大小(多少VA？)，才能著手設(shè)計(jì)。因此，1.設(shè)計(jì)工作須視負(fù)載之特性和大小而定，困難且繁復(fù)。
2.技術(shù)不能泛用。
3.PFC集成電路IC之噪音免疫力極低。
4.PFC集成電路IC無法適用于大容量的場(chǎng)合。
5.產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)即須將PFC設(shè)計(jì)進(jìn)去，對(duì)現(xiàn)存既有的產(chǎn)品，則無能為力。
6.對(duì)某一用戶而言，必須其所用的負(fù)載全數(shù)-做好PFC，才能符合電力公司或政府對(duì)PFC的要求。
據(jù)上所述，顯知，若欲完全解決上述1-6項(xiàng)關(guān)于目前PFC技術(shù)所面對(duì)的困難及缺點(diǎn)，則必需設(shè)計(jì)一種完全可以適用于任意負(fù)載(即無視于負(fù)載特性、大小)之新功率因素校正方法，始能積極而有效地改善各種用電場(chǎng)合的功率因素。
鑒于“發(fā)明背景”之所述，本發(fā)明人乃針對(duì)此而進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)，并在多次的測(cè)試、更正之后，本發(fā)明的目的是提供一種適用于任意負(fù)載之模件化泛用并聯(lián)式功率因素校正方法及實(shí)施這種方法的裝置。為使審查員易于了解本發(fā)明方法，茲配合附圖來加以說明。


圖1系為本發(fā)明之簡(jiǎn)圖。
圖2系為本發(fā)明之電路系統(tǒng)圖。
圖3系為本發(fā)明之自控回路圖。
圖4系為本發(fā)明在并聯(lián)組態(tài)下之實(shí)施例圖。
圖5系為本發(fā)明對(duì)-RL負(fù)載作功因調(diào)整之波形比較圖。
圖6系為本發(fā)明對(duì)-RC負(fù)載作功因調(diào)整之波形比較圖。
圖7系為本發(fā)明對(duì)一整流性負(fù)載作功因調(diào)整之波形比較圖。
附圖中，標(biāo)號(hào)10表示主控制板，20表示直流電源產(chǎn)生裝置，30表示控制裝置，31表示直流參考電壓產(chǎn)生器，32表示誤差放大器，33表示D/A轉(zhuǎn)換器，34表示相位檢測(cè)器，35表示變壓器，36表示處理控制器(CPU)37表示存儲(chǔ)器，38表示低通濾波器，39表示電壓反饋控制器，40表示三角波產(chǎn)生器，Q1-Q4表示開關(guān)晶體管，C1表示濾波電容，C2表示儲(chǔ)能電容，CT表示電流互感器，50表示繼電器激勵(lì)器，60電源電流檢測(cè)器，61表示低通濾波器，62表示誤差放大器，63表示電流反饋控制器，70表示儲(chǔ)能槽控制裝置，71表示比較器，72表示靜寂時(shí)間產(chǎn)生器，73表示柵極驅(qū)動(dòng)器，80表示儲(chǔ)能槽，81、82表示繼電器開關(guān)，83表示扼流圈，D表示整流器，90表示副功率板。
請(qǐng)參閱圖1，其中，方塊A系指交流電源、方塊B系指任意負(fù)載(任意特性、任意大小之負(fù)載)、方塊C則指本發(fā)明裝置(其詳細(xì)內(nèi)容系如圖2所示，而主要包括一個(gè)主控制板10及若干個(gè)副功率板90，其中，副功率板90上設(shè)計(jì)一個(gè)直接與負(fù)載并聯(lián)的儲(chǔ)能槽)。為使原本受負(fù)載影響而與負(fù)載電流Iload相等之電源電流Ii變成與電源電壓Vi同相、且振幅能隨負(fù)載大小而變化之正弦波電流，以改進(jìn)系統(tǒng)的功率因素，本發(fā)明乃提供了一個(gè)功因調(diào)整電流Ipfc(請(qǐng)參考圖1)，來修正電源電流Ii的波形，藉以強(qiáng)迫電源電流Ii與電源電壓Vi同相、且振幅大小正好與負(fù)載大小相稱。而功因調(diào)整電流Ipfc是如何產(chǎn)生？其又如何具有修正電源電流Ii之能力？首先，本發(fā)明系先以一種相位檢測(cè)器而自輸入端點(diǎn)a、b上取得一個(gè)與電源電壓Vi同步之信號(hào)，并使一中央處理器(CPU)能根據(jù)此一同步信號(hào)來執(zhí)行正弦波制造程序，以產(chǎn)生一個(gè)與電源電壓Vi同相之單位正弦波(lsinwt)。而這個(gè)單位正弦波的振幅則將由一個(gè)電壓反饋控制回路以負(fù)反饋的方式來控制其大小(其詳細(xì)工作情形容后說明)，以使這個(gè)單位正弦波能變成一個(gè)相位與電源電壓Vi相同、振幅大小可隨負(fù)載大小變化之參考正弦波。這個(gè)參考正弦波即作為電源電流Ii的調(diào)整目標(biāo)。在另一方面、本發(fā)明又藉著一種電流檢測(cè)器(如電流互感器CT)，而隨時(shí)監(jiān)視、探測(cè)電源電流Ii的波形及大小，并將所探測(cè)到的Ii信號(hào)透過一個(gè)電流反饋控制回路，而以負(fù)反饋方式隨時(shí)將Ii送至一個(gè)電流反饋控制器，以隨時(shí)與前述之參考正弦波作比較。此一比較的差值信號(hào)將不斷地被作為脈寬調(diào)制(PWM)的根據(jù)，以得到一個(gè)控制脈波來控制一個(gè)由電感、電容及切換開關(guān)所構(gòu)成之儲(chǔ)能槽(類似升壓(BOOST)電路)的儲(chǔ)能、釋能操作。這個(gè)儲(chǔ)能槽本身并不消耗能量，而只是使能量適時(shí)地往返于負(fù)載及電容、電感之間，簡(jiǎn)單地說，它是一個(gè)能量吞吐的裝置。而在儲(chǔ)能槽儲(chǔ)能及釋能的切換操作下，本發(fā)明即因而產(chǎn)生一個(gè)功因調(diào)整電流Ipfc，藉以隨時(shí)修正電源電流Ii的波形。同時(shí)并因?yàn)镮i是以負(fù)反饋的方式而經(jīng)由電流反饋控制回路不斷地接受功因調(diào)整電流Ipfc的修正，因此，到最后它一定會(huì)相等于前述之參考正弦波。換句話說，對(duì)前面所提及電流反饋控制回路而言，電源電流是受控變量，而參考正弦波則是參考變量。反饋控制的目的就是要電源電流追蹤(TRACK)參考正弦波。而電源電流一直追蹤參考正弦波的結(jié)果，將令電源電流的波形一定與電源電壓Vi同相、且振幅大小正好與負(fù)載需求相當(dāng)，因此，即達(dá)到本發(fā)明對(duì)任意負(fù)載作功因校正之目的。值得注意的是、本發(fā)明只針對(duì)電源電流Ii做修正調(diào)整而已，至于負(fù)載電流Iload則仍是維持原狀(落后、超前或其它……等等)。換句話說，本發(fā)明只是以能量吞吐的方式來調(diào)整電源電流Ii，而負(fù)載電流Iload對(duì)它而言則只是一種噪音而已。
上面曾提及參考正弦波的振幅可隨負(fù)載大小而變動(dòng)，這是因?yàn)樨?fù)載變化時(shí)電源電流就要隨之變化，以使電源所提供的能量能符合負(fù)載的需求。而參考正弦波又是電源電流的調(diào)整目標(biāo)，因此，其振幅就要能隨負(fù)載而變化了。但是，它要如何來隨負(fù)載變動(dòng)呢？上面曾提及它是由一個(gè)電壓反饋控制回路來控制的。而這個(gè)電壓反饋控制回路的參考變量是一個(gè)由直流參考電壓產(chǎn)生器所產(chǎn)生之直流參考電位，而受控變量則是一個(gè)取自于儲(chǔ)能槽電容上的電壓信號(hào)。這個(gè)電壓信號(hào)是以負(fù)載反饋方式而經(jīng)由電壓反饋控制回路，來與前述之直流參考電位作比較，比較的差值信號(hào)則用來與前段述及之單位正弦波相乘，以決定參考正弦波的振幅。于是，當(dāng)負(fù)載變大而需要比較大的負(fù)載電流Iload時(shí)，由于儲(chǔ)能槽的切換開關(guān)尚未反應(yīng)過來，Ipfc尚未變化，因此Ii會(huì)變大(請(qǐng)參看圖1節(jié)點(diǎn)a上Ii、Ipfc與Iload三者的關(guān)系)。Ii變大時(shí)，經(jīng)由電流反饋控制回路而使Ipfc變小(請(qǐng)參考圖2及3)，注意，這時(shí)候Ipfc開始變化了。而Ipfc變小時(shí)，就會(huì)使得儲(chǔ)能槽電容猶如放電一般，電容電壓就開始下降。于是，電壓反饋控制回路的受控變量因而開始下降。這個(gè)下降量負(fù)反饋至直流參考電位(參考變量)與之作比較后，將使比較的差值變大(因?yàn)樨?fù)反饋的關(guān)系)，于是，參考正弦波的振幅就變大了。由于參考正弦波的變大正好可以支持前述電源電流必需變大之要求，最后，電源電流一定又與參考正弦波相等了。至于當(dāng)負(fù)載減少而需要比較小的負(fù)載電流Iload時(shí)，其原理與前述相仿，不再贅述。
綜合上述，可知本發(fā)明方法系主要先產(chǎn)生一個(gè)與電源電壓同相，且振幅可隨負(fù)載大小而變動(dòng)之參考正弦波，作為修正電源電流波形之依據(jù)。同時(shí)以負(fù)載方式隨時(shí)獲取電源電流與參考正弦波的差值信號(hào)，并根據(jù)此一差值信號(hào)而以脈寬調(diào)制的方式，隨時(shí)機(jī)動(dòng)地控制，調(diào)整與負(fù)載并聯(lián)之儲(chǔ)態(tài)槽，促使其做適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能或放能的動(dòng)作，藉以產(chǎn)生一個(gè)功因調(diào)整電流來修正電源電流的波形，而強(qiáng)迫電源電流變成與前述參考正弦波完全相等的電流波形。如此，就使電源電流變成與電源電壓同相，且大小滿足負(fù)載需求之正弦波電流，而達(dá)到其對(duì)任意負(fù)載作功因校正之目的，乃為其特征所在。
據(jù)上所述，顯見，本發(fā)明方法最主要的特色系在于可適用于任何特性的負(fù)載，不管負(fù)載電流是超前、落后或是任何奇異的波形，本發(fā)明方法總是會(huì)以隨時(shí)機(jī)動(dòng)吸收或釋放能量的方式，強(qiáng)迫電源電流追蹤(TRACK)同相于電源電壓的參考正弦波，而變成與電源電壓同相的正弦波。再者，在負(fù)載增加或減少時(shí)，本發(fā)明方法總能根據(jù)儲(chǔ)能槽電容上的電壓變化(注意，儲(chǔ)能槽是直接與負(fù)載并聯(lián)的)，而適時(shí)地調(diào)整參考正弦波的大小，因而使得追蹤于該參考正弦波的電源電流也能適時(shí)地調(diào)整其大小，以滿足負(fù)載之所需。如此，本發(fā)明方法乃能適用于任意負(fù)載，而無需考慮負(fù)載特性及大小，其廣泛之實(shí)用性誠(chéng)足以取代目前任何PFC，而為本發(fā)明方法之主要訴求目的。
接著，繼續(xù)以圖2、3、4來詳細(xì)說明本發(fā)明之具體內(nèi)容，及其如何以實(shí)際的裝置來實(shí)現(xiàn)上述之發(fā)明方法……。
請(qǐng)參閱圖2，系為本發(fā)明裝置之電路系統(tǒng)，其主要包括一個(gè)由直流電源產(chǎn)生裝置20、控制裝置30、三角波產(chǎn)生器40及繼電器激勵(lì)器50所組成之主控制板10，以及若干個(gè)各由輸入電流檢測(cè)器60、儲(chǔ)能槽控制裝置70、儲(chǔ)能槽80所組成之副功率板90。其中，
主控制板10之組成如下直流電源產(chǎn)生裝置20，系為一種振鈴扼流圈式電源轉(zhuǎn)換器(RCCCIRCUIT)，其主要透過整流器D及濾波電容C1而自電源與負(fù)載之間的傳輸線上取得直流輸入，以轉(zhuǎn)換為提供本發(fā)明各部分所需之直流電。且其輸入側(cè)系適與儲(chǔ)能槽80之儲(chǔ)能電容C2并聯(lián)，正好可由之取出與DC匯流排電壓Vo-dc成比例之反饋信號(hào)VBUSFB至控制裝置30;
控制裝置30，系主要以一個(gè)直流參考電壓產(chǎn)生器31來產(chǎn)生一個(gè)直流參考電位Vref-dc，并使該直流參考電位Vref-dc與在直流電源產(chǎn)生裝置20輸入側(cè)上之DC匯流排電壓Vo-dc的反饋信號(hào)VBUSFB在電壓反饋控制器39內(nèi)作信號(hào)處理及比較。比較的結(jié)果即由誤差放大器32按比例放大成波幅控制電位Im(純量)而輸出至一個(gè)可兼作為乘法器使用之D/A轉(zhuǎn)換器33。而另一方面，該控制裝置30又藉著相位檢測(cè)器34配合一個(gè)變壓器35而自電源與負(fù)載間的傳輸線路上取得電源電壓之同步信號(hào)，以輸入一個(gè)中央處理器36，使中央處理器36能依據(jù)此同步信號(hào)而執(zhí)行存儲(chǔ)器37內(nèi)之正弦波制造程序，以產(chǎn)生一個(gè)同相于電源電壓之單位正弦波Iunit(＝lsinwt)，而輸入前述之D/A轉(zhuǎn)換器33。該單位正弦波Iunit及波幅控制電位Im經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器33的相乘后，使得D/A轉(zhuǎn)換器33輸出一個(gè)波幅由波幅控制電位Im控制，且相位同步于電源電壓之參考正弦波Iref。該參考正弦波Iref再經(jīng)低通濾波器38的濾波、整形之后，即以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形式而自控制裝置30輸出至副功率板90之電流反饋控制器63;
三角波產(chǎn)生器40，系主要產(chǎn)生高頻三角波以供輸給儲(chǔ)能槽控制裝置70，而提供脈寬調(diào)制(PWM)之用;
繼電器激勵(lì)器50，系受中央處理器36所控制，其主要能在本發(fā)明的裝置啟動(dòng)時(shí)，先等待直流電源產(chǎn)生器20及控制裝置30工作正常之后，并等到儲(chǔ)能槽80之儲(chǔ)能電容C2及濾波電容C1充電至相當(dāng)電位之時(shí)，再依據(jù)中央控制器36的命令，發(fā)出控制信號(hào)使設(shè)在儲(chǔ)能槽80前端之繼電器開關(guān)81、82起作用，以避免所有的副功率板90受到過大之突入電流。
又，上述副功率板90之組成如下電源電流檢測(cè)器60，系主要藉其電流互感器CT來探測(cè)電源電流Ii，并使所探測(cè)之Ii信號(hào)先經(jīng)過低通濾波器61濾波，再以負(fù)反饋方式與由控制裝置30產(chǎn)生之參考正弦波Iref在電流反饋控制器63內(nèi)做信號(hào)處理及比較。比較的結(jié)果經(jīng)誤差放大器62按比例放大成差值信號(hào)Ierror而輸入儲(chǔ)能槽控制裝置70的比較器71;
儲(chǔ)能槽控制裝置70，系能在上述之差值信號(hào)Ierror輸入至其比較器71時(shí)，藉著三角波產(chǎn)生器40所送來的高頻三角波，對(duì)差值信號(hào)Ierror作脈寬調(diào)制(PWM)，以使比較器71輸出相對(duì)于差值信號(hào)Ierror的控制脈波。該控制脈波再經(jīng)由靜寂時(shí)間產(chǎn)生器72(DEAD-TIMEGENERATOR)及柵極驅(qū)動(dòng)器73的處理之后，即輸出至儲(chǔ)能槽80，以控制儲(chǔ)能槽80之開關(guān)晶體管Q1-Q4的通斷動(dòng)作。其中，靜寂時(shí)間產(chǎn)生器72系用以避免同一行之開關(guān)晶體管同時(shí)導(dǎo)通而燒毀，而柵極驅(qū)動(dòng)器73，則是這些開關(guān)晶體管之柵極驅(qū)動(dòng)回路;
儲(chǔ)能槽80，系為一種升壓電路(BOOST)，乃主要由四個(gè)連接成橋狀之開關(guān)晶體管Q1、Q2、Q3及Q4組成控制能量流出流入之電子開關(guān)，而以扼流圈83及儲(chǔ)能電容C2為其升壓及儲(chǔ)能裝置。其中，該四個(gè)開關(guān)晶體管Q1、Q2、Q3及Q4的柵極系均接至儲(chǔ)能槽控制裝置70之柵極驅(qū)動(dòng)器73的輸出端，而接受該儲(chǔ)能槽控制裝置70的控制;
諸如上述所組成之本發(fā)明裝置，乃能藉其控制裝置30而產(chǎn)生一個(gè)同相于電源電壓Vi之參考正弦波Iref，且同時(shí)能藉其電源電流檢測(cè)器60而隨時(shí)檢測(cè)電源電流Ii的波形，以使電源電流Ii隨時(shí)能以負(fù)反饋方式與參考正弦波Iref作比較。然后，再以其兩者比較產(chǎn)生的差值信號(hào)Ierror作為PWM的根據(jù)，而使儲(chǔ)能槽控制裝置70得以透過PWM的方式來控制儲(chǔ)能槽80之開關(guān)晶體管Q1-Q4的通斷動(dòng)作，而令儲(chǔ)能槽80適時(shí)充電儲(chǔ)能或適時(shí)放電釋能。于是，在儲(chǔ)能槽80的儲(chǔ)能、釋能的動(dòng)作切換下，即在儲(chǔ)能槽80的輸入側(cè)產(chǎn)生一個(gè)功因調(diào)整電流Ipfc。由于Ipfc系隨時(shí)隨電源電流Ii的波形變化而作機(jī)動(dòng)性的調(diào)整，以隨時(shí)修正電源電流Ii的波形，因此而使電源電流Ii可在隨時(shí)機(jī)動(dòng)調(diào)整的情況下，能夠被調(diào)整，修正成同相于電源電壓Vi的正弦波形，而不再是落后，超前或非正弦波了。其中，要注意的是，功因調(diào)整電流Ipfc是儲(chǔ)能槽80與負(fù)載之間的能量往返結(jié)果，也就是能量吞吐的結(jié)果。而能量往返時(shí)機(jī)的控制則受控于儲(chǔ)能槽控制裝置70所輸出的控制脈波以及儲(chǔ)能槽80的儲(chǔ)能狀態(tài)。
從另一方面來講，我們更可藉著自動(dòng)控制的觀念來進(jìn)一步了解本發(fā)明。請(qǐng)參閱圖3，系上述本發(fā)明裝置的自控回路圖，而為一種由電流反饋控制回路及電壓反饋控制回路所組成之二環(huán)控制回路。其中，當(dāng)上述之參考正弦波Iref自控制裝置30的低通濾波器38進(jìn)入副功率板90的電流反饋控制器63后，即進(jìn)入系統(tǒng)的電流反饋控制回路。由于該反饋的受控變量即是電源電流Ii，而其參考變量即是Iref，這使得電源電流Ii能夠以負(fù)反饋方式不斷地追蹤(TRACK)參考變量Iref(即參考正弦波)。而由于參考變量I是被設(shè)計(jì)成相位與電源電壓Vi相同，波幅大小可隨負(fù)載而變化之正弦波，因而電源電流Ii在整個(gè)回路穩(wěn)定時(shí)，勢(shì)必相同于參考變量Iref而與電源電壓Vi同相，且大小又能完成符合負(fù)載的需求。其中，該電流反饋控制回路必需具備響應(yīng)快，頻寬大的特性，以便使電源電流Ii能夠即時(shí)追蹤參考正弦波Iref。又此一電源反饋控制回路的零分貝交越頻率必需低于開關(guān)晶體管Q1-Q4之切換頻率的十分之一，以免切換頻率之噪音出現(xiàn)地受控變量(Ii)上。
注意，對(duì)電流反饋控制回路而言，它是將負(fù)載電流Iload當(dāng)做是后級(jí)噪音。一般而言，負(fù)反饋可以抑制后級(jí)噪音。此即是本發(fā)明之所以能夠無視于Iload的波形變化，而始終維持電源電流Ii為同相于電源電壓Vi之正弦波而能適用于任意性質(zhì)之負(fù)載的主要原因。
至于參考正弦波Iref的振幅如何隨負(fù)載之大小而調(diào)整呢？上面曾提及是以波幅控制電位Im來控制的。而這個(gè)波幅控制電位Im事實(shí)上就是電壓反饋控制回路的反饋結(jié)果。因此，欲明白參考正弦波Iref的振幅如何變化，則必須透過電壓反饋控制回路來說明了首先，圖3中系指出，功因調(diào)整電流Ipfc的任何變化均將影響著儲(chǔ)能電容C2上的電壓，亦即是影響著在直流電源產(chǎn)生器20輸入側(cè)之DC蕩流排電壓Vo-dc以及與該Vo-dc成比例之反饋信號(hào)VBUSFB(因?yàn)镃2并聯(lián)于直流電源產(chǎn)生器20的輸入側(cè))。于是，當(dāng)負(fù)載變大而需要比較大的負(fù)載電流(Iload)時(shí)，由于儲(chǔ)能槽80的開關(guān)晶體管Q1-Q4尚未反應(yīng)過來，Ipfc尚未變化，因此電源電流Ii會(huì)變大(請(qǐng)注意圖中Ii、Ipfc與Iload三者的關(guān)系)。Ii變大時(shí)，經(jīng)由電流反饋控制回路而使Ipfc變小或變負(fù)時(shí)，就會(huì)使得儲(chǔ)能槽80的儲(chǔ)能電容C2猶如放電一般，電容電壓就開始下降，而使得在直流電源產(chǎn)生器20輸入側(cè)之DC匯流排電壓Vo-dc亦隨之同步下降。于是，前述之反饋信號(hào)VBUSFB也開始下降。這個(gè)下降量負(fù)反饋至電壓反饋控制器39與直流參考電位Vref-dc(參考變量)作比較后，使比較的差值變大，也就是波幅控制電位Im變大了。于是，參考正弦波Iref的振幅就變大。而由于電源電流Ii系經(jīng)由電流反饋控制回路來控制其必需追蹤參考正弦波Iref的波形，所以，最后電源電流Ii一定又與參考正弦波Iref相等，而正好證明前述Ii必會(huì)變大的說法。另當(dāng)負(fù)載變小而需要比較小的負(fù)載電流時(shí)，其動(dòng)作原理與前述相仿，不再贅述。因此，即使負(fù)載大小有變化，亦不會(huì)影響本發(fā)明對(duì)功率因素的調(diào)整，而始終能合電源提供適當(dāng)?shù)哪芰拷o負(fù)載。同樣的道理，即使負(fù)載有大有小，本發(fā)明均能自動(dòng)針對(duì)該負(fù)載的大小而調(diào)整Iref(也就是Ii)的大小，而使電源所提供的能量正好能與負(fù)載所消耗的能量相當(dāng)。
而前段述及之電壓反饋控制回路，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其響應(yīng)不可太快，以免在直流電源產(chǎn)生器20輸入側(cè)的DC匯流排電壓Vo-dc之變化反應(yīng)到參考正弦波Iref及電源電流Ii的波形上。尤其由于此Vo-dc具有兩倍于電源頻率之脈動(dòng)波(因?yàn)槿ㄕ鞯年P(guān)系)，因此，其零分貝交越頻率須定為兩倍電源頻率的十分之一，以避免脈動(dòng)波出現(xiàn)到Ii上。另外為了使Vo-dc得到良好的穩(wěn)壓，則此電壓反饋控制回路的直流增益應(yīng)予適度的提高。因此，回路內(nèi)必須含有一個(gè)類似于比例一積分控制器之裝置。
接著，請(qǐng)參閱圖4。由于本發(fā)明裝置之副功率板90系作成模件化，而可以如圖所示般地直接并聯(lián)多個(gè)副功率板90而共用一個(gè)主控制板10。當(dāng)然，這是視需求而來決定要關(guān)聯(lián)多少個(gè)副功率板90(關(guān)聯(lián)愈多表示整個(gè)裝置之儲(chǔ)能槽的能量吞吐量愈大，而可以適用于更大的用電場(chǎng)合)。必要時(shí)本發(fā)明裝置也可以多并聯(lián)幾組副功率板90作為備用，以在原副功率板損壞時(shí)，仍可由備用副功率板來繼續(xù)工作(因?yàn)樗鼈兪遣⒙?lián)關(guān)系)，如此，即可提高整個(gè)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailure)及可靠性。
1.本發(fā)明對(duì)RL負(fù)載所作的功因校正之實(shí)例，此負(fù)載為1KVA/800W、功率因數(shù)PF＝0.8、R＝9.68歐姆、L＝19.26mH。請(qǐng)參閱圖5(a)、其中，Vi為電源電壓、Ii為電源電流、Iload為負(fù)載電流(滯后)、Ipfc為功因調(diào)整電流、Vo-dc為在直流電源產(chǎn)生器20輸入側(cè)之DC匯流排電壓(亦即儲(chǔ)能電容C2上之電壓)。為方便觀察比較起見，特將前述波形予以重疊(除VO-DC外)，如圖5(b)所示。
由圖5的觀察中，可以看出盡管Iload落后于Vi，但經(jīng)過Ipfc的校正后，Ii是一個(gè)完全和Vi同相的正弦波。注意Ii所提供的能量與Iload所消耗的能量是完全相等的，可是Ii卻有比較小的峰值。這正是PFC的好處之一可以提高電力系統(tǒng)的設(shè)備利用率。
2.本發(fā)明對(duì)RC負(fù)載所作功因校正之實(shí)例，此負(fù)載為1KVA/800W、PF＝0.8、R＝9.68歐姆、C＝265.31uF。請(qǐng)參閱圖6(a)、其中，Vi為電源電壓、Ii為電源電流、Iload為負(fù)載電流(超前)、Ipfc為功因調(diào)整電流、Vo-dc為在直流電源產(chǎn)生器20輸入側(cè)之DC匯流排電壓(亦即儲(chǔ)能電容C2上之電壓)。為方便觀察比較起見，特將前述諸波形予以重疊(除Vo-dc外)，如圖6(b)所示。
觀察圖6，其結(jié)果與第1項(xiàng)中所述的結(jié)果相仿，不再贅述。
3.本發(fā)明對(duì)整性負(fù)載所作功因校正之實(shí)例，此整流性負(fù)載系為一種“電容輸入”(CAPACITOR-INPUT)之全波整流器(電容C＝2000uF、而電阻R＝25歐姆與該電容并聯(lián))。請(qǐng)參閱圖7(a)，其中，Vi為電源電壓，Ii為電源電流、Iload為負(fù)載電流、Ipfc為功因調(diào)整電流、Vo-dc為在直流電源產(chǎn)生器20輸入側(cè)的DC匯流排電壓(亦即儲(chǔ)能電容C2上之電壓)。為方便觀察比較起見，特將前述諸波形以重疊(除Vo-dc外)，如圖7(b)所示。
由圖7的觀察中，可以看出盡管負(fù)載所抽取的是峰值系數(shù)約為2.8的脈波，但經(jīng)過Ipfc的校正后，Ii仍是一個(gè)同相于Vi的正弦波電流。注意，Iload的波形有很大的諧波成分，而Ii則無。這又是PFC的另一個(gè)好處-減少噪音對(duì)電流的污染。當(dāng)然，Ii的峰值也很明顯的遠(yuǎn)低于Iload的峰值，顯見其對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備利用率的提高效果是與前兩例一樣的(當(dāng)然Ii所提供的能量仍然是與Iload所消消耗的能量相等)。
綜合上述，顯見，上面所舉之本發(fā)明裝置確能依照本發(fā)明之方法而執(zhí)行之，使能無視于負(fù)載特性及大小而對(duì)負(fù)載作有效的功因校正。其不但是PFC技術(shù)的最新突破，且為一首先創(chuàng)作而能廣泛適用于各種需求之新發(fā)明。敦請(qǐng)勻局詳為審查，復(fù)冀早日準(zhǔn)予發(fā)明專利，實(shí)感德便。
權(quán)利要求
1.一種適用于任意負(fù)載之模件化并聯(lián)式功率因素校正方法，其特征在于包含下列步驟(a)取得與電源電壓同步之信號(hào)，作為中央處理器(CPU)執(zhí)行正弦波制造程序之依據(jù)，以產(chǎn)生一個(gè)與電源電壓同相之單位正弦波；(b)取得一個(gè)可隨負(fù)載大小變化之波幅控制電位(直流電位)，使之與(a)中之單位正弦波相乘，而產(chǎn)生一個(gè)與電源電壓同相，且振幅可隨負(fù)載大小而變化之參考正弦波，以做為修正電源電流波形之目標(biāo)；(c)隨時(shí)探測(cè)電源電流的波形變化及大小，使之與(b)中之參考正弦波做比較，以取得一差值信號(hào)；(d)對(duì)(c)中之差值信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制，以取得一控制脈波；(e)依據(jù)(d)中之控制脈波來控制直接與負(fù)載并聯(lián)之儲(chǔ)能槽的切換開關(guān)，促使此儲(chǔ)能槽做適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能或放能的操作，產(chǎn)生一個(gè)功因調(diào)整電流來隨時(shí)修正電源電流的波形，而強(qiáng)迫電源電流變成與前述參考正弦波完全相等的電流波形。
2.如權(quán)利要求1所述功率因數(shù)校正方法，其特征在于其中的步驟(a)系透過相位檢測(cè)方式而自電源與負(fù)載間之傳輸線上取得電源電壓之同步信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述之功率因數(shù)校正方法，其特征在于，其中的步驟(b)系透過一個(gè)電壓反饋控制回路來達(dá)成，其中回路之受控變量系為一個(gè)與儲(chǔ)能槽儲(chǔ)能電容之電壓成比例的負(fù)反饋信號(hào)，使之與此回路之參考變量(一個(gè)直流參考電壓)做比較，以獲得可隨負(fù)載大小而變化之波幅控制電位。
4.如權(quán)利要求1所述功率因數(shù)校正方法，其特征在于，其中的步驟(c)系透過一個(gè)電流反饋控制回路來達(dá)成，其中，回路之受控變量系為可隨時(shí)藉由電流互感器檢測(cè)其波形變化及大小之電源電流，而參考變數(shù)則為(b)中之參考正弦波，且該受控變量系以負(fù)反饋方式不斷地與參考變量做比較，以獲得一差值信號(hào)，而為步驟(e)中之功因調(diào)整電流的產(chǎn)生根據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述之功率因數(shù)校正方法，其特征在于其步驟(e)中之儲(chǔ)能槽，必需為一個(gè)可以直接與負(fù)載并聯(lián)之升壓電路(BOOST)，且其輸入側(cè)需為一可控之雙向電子開關(guān)。
6.一種適用于任意負(fù)載之模組化并聯(lián)式功率因數(shù)校正裝置，其特征在于，包括一個(gè)主控制板，及若干個(gè)同時(shí)與該主控板配合之副功率板，其中，主控制板系主要在輸出上述之參考正弦波至各副功率板，而副功率板則主要在隨時(shí)探測(cè)電源電流之波形變化及大小，并使之與所接收之參考正弦波作比較，作為儲(chǔ)能槽的控制依據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述之功率因數(shù)校正裝置，其特征在于，其主控制板系包括直流電源產(chǎn)生裝置，系為一種振鈴扼流圈式電源轉(zhuǎn)換器，其主要透過整流器及濾波電容而得以自電源與負(fù)載之間的傳輸線上取得直流輸入電源，以轉(zhuǎn)換為提供本發(fā)明各部分所需之直流電源，且其輸入側(cè)系與儲(chǔ)能槽之儲(chǔ)能電容并聯(lián)，正好可由之取出與DC匯流排電壓成比例之反饋信號(hào)至控制裝置;控制裝置，系主要以一個(gè)直流參考電壓產(chǎn)生器來產(chǎn)生一個(gè)直流參考電位，并使該直流參考電位與在直流電源產(chǎn)生裝置輸入側(cè)上之匯流排電壓的反饋信號(hào)在電壓反饋控制器內(nèi)作信號(hào)處理及比較，比較的結(jié)果即由誤差放大器比例放大成波幅控制電位(純量)而輸出至一個(gè)可兼作為乘法器使用之D/A轉(zhuǎn)換器;而另一方面，該控制裝置又藉著相位檢測(cè)器配合一個(gè)變壓器而自電源與負(fù)載間的傳輸線路上取得電源電壓之同步信號(hào)，以輸入一個(gè)中央處理器，使該中央處理器得以依據(jù)此同步信號(hào)而執(zhí)行存儲(chǔ)器內(nèi)之正弦波制造程序，而產(chǎn)生一個(gè)同相于電源電壓之單位正弦波，以輸入前述之D/A轉(zhuǎn)換器，該單位正弦波及波幅控制電位經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器的相乘操作后，使得D/A轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)波幅由波幅控制位準(zhǔn)控制，且相位同步于電源電壓之參考正弦波，該參考正弦波再經(jīng)低通濾波器的濾波，整形之后，即以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形狀而自該控制裝置輸出至副功率板之電流反饋控制器;三角波產(chǎn)生器，系主要在產(chǎn)生高頻三角波以供輸予儲(chǔ)能槽控制裝置，而提供脈寬調(diào)制之用;繼電器激勵(lì)器，系受中央處理器所控制，其主要能在本功率因數(shù)校正裝置啟動(dòng)時(shí)，先等待直流電源產(chǎn)生器及控制裝置工作正常之后，并等到儲(chǔ)能槽之儲(chǔ)能電容及濾波電容充電至相當(dāng)位準(zhǔn)之時(shí)，再依據(jù)中央處理器的命令，發(fā)出控制信號(hào)使設(shè)在儲(chǔ)能槽前端之繼電器開關(guān)起作用，避免所有的副功率板受到過大之突入電流。
8.如權(quán)利要求6所述之功率因數(shù)校正裝置，其特征在于，其副功率板系包括電源電流檢測(cè)器，系主要藉其電流互感器來探測(cè)電源電流，并使所探測(cè)之信號(hào)先經(jīng)過低通濾波器濾波，再以負(fù)反饋方式與由控制裝置產(chǎn)生之參考正弦波在電流反饋控制器內(nèi)做信號(hào)處理及比較，比較的結(jié)果經(jīng)誤差放大器按比例放大成差值信號(hào)而輸入儲(chǔ)能槽控制裝置的比較器;儲(chǔ)能槽控制裝置，系能在上述之差值信號(hào)輸入至其比較器時(shí)，藉著三角波產(chǎn)生器所送來的高頻三角波，對(duì)差值信號(hào)作脈寬調(diào)制，以使比較器輸出相對(duì)于差值信號(hào)的控制脈波，該控制脈波再經(jīng)由靜寂時(shí)間產(chǎn)生器及柵極驅(qū)動(dòng)器的處理之后，即輸出至儲(chǔ)能槽，以控制儲(chǔ)能槽之開關(guān)晶體管的通斷動(dòng)作;儲(chǔ)能槽，系受控于儲(chǔ)能槽控制裝置之柵極驅(qū)動(dòng)器，而為一種升壓電路(BOOST)，乃主要以由四個(gè)連接成橋狀之開關(guān)晶體管作為控制能量流出流入之電子開關(guān)，而以扼流圈及儲(chǔ)能電容為其升壓及儲(chǔ)能裝置。
9.如權(quán)利要求6或8所述之功率因數(shù)校正裝置，其特征在于其副功率板系做成模組化，而可視需要以直接和負(fù)載并聯(lián)的方式增設(shè)，并統(tǒng)由同一主控制板控制。
10.如權(quán)利要求6或8所述之功率因數(shù)校正裝置，其特征在于其副功率板亦可比負(fù)載之實(shí)際需求多并聯(lián)幾組做為備用，以提高系統(tǒng)的可靠性。
全文摘要
適用于任意負(fù)載之模件化并聯(lián)式功因校正方法及裝置，以主控制板之控制裝置產(chǎn)生與電源電壓同相之參考正弦波，參考正弦波在不必探測(cè)負(fù)載電流的情況下，透過電壓反饋控制回路控制其振幅大小適與負(fù)載成比例。各個(gè)副功率板之輸入電流檢測(cè)器隨時(shí)探測(cè)電源電流波形，使電源電流透過電流反饋控制回路隨時(shí)以負(fù)反饋方式與參考正弦波作比較。比較的差值信號(hào)用作脈寬調(diào)制之根據(jù)，隨時(shí)機(jī)動(dòng)地控制副功率板之儲(chǔ)能槽的儲(chǔ)能、放能及時(shí)間，藉以產(chǎn)生功因調(diào)整電流修正電源電流的波形。
文檔編號(hào)G05F1/70GK1086615SQ92112878
公開日1994年5月11日 申請(qǐng)日期1992年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月2日
發(fā)明者郭明彥, 汪安國(guó), 黃意隆, 江偉石, 盧為明, 陳民欽 申請(qǐng)人:永大機(jī)電工業(yè)股份有限公司