專利名稱：交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路的制作方法
技術領域：
交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路技術領域：
本實用新型屬于電力功率因數(shù)補償技術領域，利用有源功率因數(shù)補 償方法替代電容器補償方法，具體而言是一種交流負載功率因數(shù)有源動態(tài)補償電路。背景技術：
交流功率因數(shù)補償是世界公認的節(jié)約電能的方法，現(xiàn)有的電力功率 因數(shù)補償大都采用電力電容器進行功率因數(shù)補償。功率因數(shù)補償裝置大都采用步進式切換 方法，不能隨機動態(tài)自適應隨負載變化投入其合適容量的電容器，經(jīng)常出現(xiàn)欠補償和過補 償現(xiàn)象。欠補償設備沒有起到應有的作用，過補償將造成電網(wǎng)電壓升高危及其他用電設備 安全，嚴重時會燒壞用電設備。由于電力電容器體積大，并且投切時為了限制電流過大還需 配備電抗器，致使設備體積大、效率低。尤其是在對三相電源進行補償時，由于三相電源中 每相功率因數(shù)是不可能一致的，并且每個單相在正負半波的工作周期內，隨負載變化的電 流和電壓波形也是不一致的，需要補償?shù)墓β室驍?shù)值也不一樣。現(xiàn)有裝置的補償功率因數(shù) 值大都經(jīng)兩項電壓與另一相電流的相位位移進行采樣比較而得出，因此，現(xiàn)有的這種功率 因數(shù)采樣方法不能如實反映每一相的實際功率因數(shù)。即便所謂的靜止型補償裝置，雖然可 自動跟蹤控制功率因數(shù)，但是三相功率因數(shù)本身也不可能是均衡的，并且由于結構復雜，成 本高而難以推廣。能否發(fā)揮電解電容器所具有的體積小、容量大的優(yōu)點，利用電力電子開關 元件對其進行有源精準控制，實現(xiàn)交流負載動態(tài)功率因數(shù)補償，并縮小補償裝置的體積，是 電力補償行業(yè)亟待解決的問題。
實用新型內容本實用新型目的是克服現(xiàn)有電容器式功率補償裝置的缺點，提 供一種交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路。本實用新型提供的交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路包括補償主電路用于實現(xiàn)對負載的動態(tài)功率因數(shù)的補償；穩(wěn)壓電源由補償主電路供電，穩(wěn)定輸出直流電壓供給檢測電路和控制電路；檢測電路用于檢測補償主電路中的電壓波形和電流波形，并根據(jù)電壓波形和電 流波形的比較結果向控制電路發(fā)出相位控制信號和功率因數(shù)控制信號；控制電路；根據(jù)檢測電路發(fā)出的相位控制信號和功率因數(shù)控制信號實現(xiàn)補償主電 路中的動態(tài)功率因數(shù)的補償。所述的補償主電路包括依次并聯(lián)的輸入濾波電路、變換電路、回能電路和輸出濾 波電路，其中輸入濾波電路由輸入濾波電容Cl、濾波電感Ll和電容器C2濾波構成；變換電路依次由變壓器B、充放電電容器組C3、自關斷元件S和限流電阻RX串 聯(lián)，再由二極管D與自關斷元件S和限流電阻RX并聯(lián)組成；回能電路由變壓器B的次級繞組N2和吸收電容C4并聯(lián)后、再與耦合電容C5串 聯(lián)構成；輸出濾波電路由變壓器B的初級繞組m和次級繞組N2之間并聯(lián)的輸出濾波電 感L2和輸出濾波電容C6構成。所述的充放電電容器組由兩只電解電容器與兩只半導體二極管采用反極性連接 組成。所述的自關斷元件可以是晶體三極管、場效管(IGBT和GT0)、或者是二者的組合。[0015]所述的檢測電路包括電壓變壓器DY:電壓變壓器的初級繞組與補償主電路并聯(lián)，用于檢測補償主電路 的電壓波形；電流互感器DL:設置于補償主電路的回路中并與電壓變壓器的次級繞組串聯(lián)，用 于檢測補償主電路的電流波形；功率因數(shù)檢測電路GL:功率因數(shù)檢測電路的兩個輸入端與電壓變壓器的次級繞 組和電流互感器構成的串聯(lián)之路并接，用于對檢測到的電壓波形與電流波形進行比較后向 控制電路發(fā)出功率因數(shù)控制信號；相位檢測電路W:相位檢測電路的兩個輸入端與補償主電路并接，根據(jù)檢測到的 電壓波形向控制電路發(fā)出相位控制信號。所述的控制電路包括 PWM控制電路P =PWM控制電路的兩個輸入端a和b，分別連接檢測電路中的相位控 制信號輸出端和功率因數(shù)控制信號輸出端，并根據(jù)檢測電路發(fā)出的相位控制信號和功率因 數(shù)控制信號實現(xiàn)對驅動電路的控制；驅動電路Q 驅動電路通過電路c由PWM控制電路控制，輸出端連接補償主電路的 變換電路中的自關斷元件控制極，并驅動自關斷元件按照檢測電路發(fā)出的相位控制信號和 功率因數(shù)控制信號指令的相位和脈寬工作；限流電路X 限流電路的兩個輸入端與補償主電路的變換電路中的限流電阻并 接，根據(jù)限流電阻檢測到的補償主電路工作電流的大小向PWM控制電路發(fā)出控制脈寬寬窄 的控制電壓，當限流電阻檢測到補償主電路工作電流超出額定值時，限流電路發(fā)出控制電 壓給PWM控制電路控制脈沖變窄，限制了輸出電流過大進而保護自關斷元件S。以上所述的補償電路為交流單相電路，通過對其組合可完成三相交流動態(tài)功率因 數(shù)補償電路，實現(xiàn)對三相交流電設備的功率因數(shù)進行補償。具體工作過程本實用新型利用二極管與電解電容器組成的充放電電容器組對市 電的正負半波周期內的功率因數(shù)波形進行檢測后，用有源動態(tài)控制電路，對充放電電容器 組進行有源動態(tài)充放電控制，進而實現(xiàn)了對功率因數(shù)的補償控制。S卩，在交流電正半周期的前二分之一時間段，通過變壓器對充放電電容器組進行 充電控制，采用一只充放電二極管，在交流電正半周期的后二分之一時間段，由充放電電容 器組對電源進行放電，實現(xiàn)了正半周期的動態(tài)功率因數(shù)補償。在負半周期的前二分之一時間段，利用二極管對充放電電容器組進行充電控制， 在負半周期的后二分之一時間段，利用自關斷元件采用PWM控制方式，讓充放電電容器組 對電源進行放電控制。利用變壓器將上述充放電電容器組充放電流時所產(chǎn)生的感應電流對負載進行功 率因數(shù)補償。以上所述充放電電容器組所充放的電量，實際上就是對電容器組調控的電容值， 即通過該電路就實現(xiàn)了動態(tài)連續(xù)可變有源電容器功率因數(shù)的補償。本實用新型的優(yōu)點和積極效果本實用新型采用的交流有源功率因數(shù)補償方法對補償后的電壓不會升高，從而克 服了現(xiàn)有過補償后會造成電壓升高的危險。采用脈寬調制后可對負載大小自動進行線性功率因數(shù)補償，克服了現(xiàn)有補償方法(步進式切換)不能動態(tài)控制補償?shù)娜秉c。由于對電容放 電時采用5 100千周開關頻率，大大的縮小了主回路的電感體積，進而縮小了整機體積。 尤其對于三相電源，采用單相電源電路組合實現(xiàn)三相電源均衡補償，補償后的波形變形小， 提高了電網(wǎng)的質量，為功率因數(shù)補償技術提供了新的方法。

圖1是交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路原理圖。圖中方框標號1.補償主電路，2.穩(wěn)壓電源，3.檢測電路，4控制電路。
具體實施方式實施例1 如圖1所示，本實用新型提供的補償電路由補償主電路1，穩(wěn)壓電源2，檢測電路3 和控制電路4組成。補償主電路1:包括依次并聯(lián)的輸入濾波電路、變換電路、回能電路和輸出濾波電路，其中輸入濾波電路由輸入濾波電容Cl、濾波電感Ll和電容器C2濾波構成；變換電路依次由變壓器B、充放電電容器組C3、自關斷元件S和限流電阻RX串 聯(lián)，再由二極管D與自關斷元件S和限流電阻RX并聯(lián)組成；回能電路由變壓器B的次級繞組N2和吸收電容C4并聯(lián)后、再與耦合電容C5串 聯(lián)構成；輸出濾波電路由變壓器B的初級繞組m和次級繞組N2之間并聯(lián)的輸出濾波電 感L2和輸出濾波電容C6串聯(lián)構成，通過輸出濾波電容C6向負載RL供電。所述的充放電電容器組由兩只電解電容器Ca和Cb串聯(lián)再與采用正極相對的方式 反極性串聯(lián)的兩只半導體二極管Dl和D2并聯(lián)組成，其中兩只電解電容器的中間節(jié)點與兩 只半導體二極管的中間節(jié)點相互連接在一起。所述的自關斷元件S可以是晶體三極管、場 效管(IGBT和GT0)、或者是二者的組合。穩(wěn)壓電源2:由補償主電路1供電，穩(wěn)定輸出15 18V直流電壓供給檢測電路3和控制電路4。檢測電路3包括電壓變壓器DY:電壓變壓器的初級繞組與補償主電路并聯(lián)，用于檢測補償主電路 的電壓波形；電流互感器DL:設置于補償主電路的回路中并與電壓變壓器的次級繞組串聯(lián)，用 于檢測補償主電路的電流波形；功率因數(shù)檢測電路GL:功率因數(shù)檢測電路的兩個輸入端與電壓變壓器的次級繞 組和電流互感器構成的串聯(lián)之路并接，用于對檢測到的電壓波形與電流波形進行比較后向 控制電路發(fā)出功率因數(shù)控制信號；相位檢測電路W:相位檢測電路的兩個輸入端與補償主電路并接，根據(jù)檢測到的 電壓波形向控制電路發(fā)出相位控制信號。控制電路4包括
6[0051 ] PWM控制電路P =PWM控制電路的兩個輸入端a和b，分別連接檢測電路中的相位檢 測電路W的相位控制信號輸出端和功率因數(shù)檢測電路GL的功率因數(shù)控制信號輸出端，并根 據(jù)檢測電路發(fā)出的相位控制信號和功率因數(shù)控制信號實現(xiàn)對驅動電路的控制；驅動電路Q 驅動電路通過電路c由PWM控制電路控制，輸出端連接補償主電路的 變換電路中的自關斷元件控制極，并驅動自關斷元件S按照檢測電路發(fā)出的相位控制信號 和功率因數(shù)控制信號指令的相位和脈寬工作；限流電路X 限流電路的兩個輸入端與補償主電路的變換電路中的限流電阻Rx并 接，根據(jù)限流電阻Rx檢測到的補償主電路工作電流的大小向PWM控制電路發(fā)出控制脈寬寬 窄的控制電壓，當限流電阻檢測到補償主電路工作電流超出額定值時，限流電路發(fā)出控制 電壓給PWM控制電路控制脈沖變窄，限制了輸出電流過大進而保護自關斷元件S。以上所述的補償電路為交流單相電路，通過對其組合可完成三相交流動態(tài)功率因 數(shù)補償電路，實現(xiàn)對三相交流電設備的功率因數(shù)進行補償。本實用新型補償電路的工作原理市電為AC 220/50HZ交流電，當工作時電流經(jīng)輸入濾波電容Cl、濾波電感Ll和電 容器C2濾波、經(jīng)輸出濾波電感L2和電容器C6濾波、再經(jīng)負載RL、電流互感器DL構成回路， 并對負載RL供電。檢查電路3內的電壓檢測變壓器DY所檢測的電壓與電流互感器DL檢測的電流由 功率因數(shù)檢測電路GL進行比較，當功率因數(shù)小于0. 95 1時，給控制電路4內的PWM控制 電路P發(fā)出控制電壓值，P發(fā)出一定脈沖寬度給控制驅動電路Q，驅動開關元件S通斷工作； 此時檢測電路3內的相位檢測電路W，檢測到電源相位在0 π /2和3 π /2 2 π周期內， 分別對控制電路發(fā)出控制自關斷元件S工作信號。當交流電在0 π/2周期內開關元件S導通電源經(jīng)變壓器初級m、充放電電容 器組C3內的二極管Dl和限流保護電阻Rx對Cb充電，充電過程中流過變壓器初級的電流， 在次級繞組N2感應出的電動勢經(jīng)耦合電容C5、吸收電容C4，由輸出濾波電容C6濾波后，對 負載RL進行功率因數(shù)補償。當交流電在π /2 π周期內存儲在充放電電容Cb電流經(jīng)充放電電容器Ca、二 極管D放回市電AC，對負載功率因數(shù)進行補償。當交流電在π 3π/2周期內電源經(jīng)二極管D由二極管D2、變壓器B的初級Μ 構成回路，對充放電電容器組C3內的充放電電容器Ca進行充電。當交流電在3π/2 周期內自關斷元件S以PWM式開通，存儲在充放電電容 組C3內充放電電容器Ca的電流經(jīng)變壓器B的初級Ni、充放電電容組C3內充放電電容器 Cb、限流保護電阻Rx構成回路進行放電，變壓器次級繞組N2感應的電動勢經(jīng)耦合電容C5、 吸收電容C4，由輸出電容C6濾波后對負載RL進行功率因數(shù)補償。
權利要求一種交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路，其特征在于該補償電路包括補償主電路用于實現(xiàn)對負載的動態(tài)功率因數(shù)的補償；穩(wěn)壓電源由補償主電路供電，穩(wěn)定輸出直流電壓供給檢測電路和控制電路；檢測電路用于檢測補償主電路中的電壓波形和電流波形，并根據(jù)電壓波形和電流波形的比較結果向控制電路發(fā)出相位控制信號和功率因數(shù)控制信號；控制電路；根據(jù)檢測電路發(fā)出的相位控制信號和功率因數(shù)控制信號實現(xiàn)補償主電路中的動態(tài)功率因數(shù)的補償。
2.根據(jù)權利要求1所述的補償電路，其特征在于所述的補償主電路包括依次連接的輸 入濾波電路、變換電路、回能電路和輸出濾波電路，其中輸入濾波電路由輸入濾波電容(C1)、濾波電感(L1)和電容器(C2)濾波構成； 變換電路依次由變壓器⑶、充放電電容器組(C3)、自關斷元件⑶和限流電阻(RX) 串聯(lián)，再由二極管⑶與自關斷元件⑶和限流電阻(RX)并聯(lián)組成；回能電路由變壓器⑶的次級繞組(N2)和吸收電容(C4)并聯(lián)后、再與耦合電容(C5) 串聯(lián)構成；輸出濾波電路由變壓器(B)的初級繞組(N1)和次級繞組(N2)之間并聯(lián)的輸出濾波 電感(L2)和輸出濾波電容(C6)構成。
3.根據(jù)權利要求2所述的補償電路，其特征在于所述的自關斷元件是晶體三極管、場 效管、或者是二者的組合。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的補償電路，其特征在于所述的檢測電路包括 電壓變壓器(DY)電壓變壓器的初級繞組與補償主電路并聯(lián)，用于檢測補償主電路的電壓波形；電流互感器(DL)設置于補償主電路的回路中并與電壓變壓器的次級繞組串聯(lián)，用于 檢測補償主電路的電流波形；功率因數(shù)檢測電路(GL)功率因數(shù)檢測電路的兩個輸入端與電壓變壓器的次級繞組 和電流互感器構成的串聯(lián)之路并接，用于對檢測到的電壓波形與電流波形進行比較后向控 制電路發(fā)出功率因數(shù)控制信號；相位檢測電路(W)相位檢測電路的兩個輸入端與補償主電路并接，根據(jù)檢測到的電 壓波形向控制電路發(fā)出相位控制信號。
5.根據(jù)權利要求2至3中任一項所述的補償電路，其特征在于所述的控制電路包括 PWM控制電路(P) :PWM控制電路的兩個輸入端a和b，分別連接檢測電路中的相位控制信號輸出端和功率因數(shù)控制信號輸出端，并根據(jù)檢測電路發(fā)出的相位控制信號和功率因數(shù) 控制信號實現(xiàn)對驅動電路的控制；驅動電路(Q)驅動電路通過電路c由PWM控制電路控制，輸出端連接補償主電路的變 換電路中的自關斷元件控制極，并驅動自關斷元件按照檢測電路發(fā)出的相位控制信號和功 率因數(shù)控制信號指令的相位和脈寬工作；限流電路⑴限流電路的兩個輸入端與補償主電路的變換電路中的限流電阻并接， 根據(jù)限流電阻檢測到的補償主電路工作電流的大小向PWM控制電路發(fā)出控制脈寬寬窄的 控制電壓，當限流電阻檢測到補償主電路工作電流超出額定值時，限流電路發(fā)出控制電壓 給PWM控制電路控制脈沖變窄，限制了輸出電流過大進而保護自關斷元件。
6.根據(jù)權利要求1所述的補償電路，其特征在于所述的補償電路為交流單相電路，通 過對其組合可完成三相交流動態(tài)功率因數(shù)補償電路，實現(xiàn)對三相交流電設備的功率因數(shù)進 行補償。
專利摘要一種交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償電路。該補償電路由補償主電路，穩(wěn)壓電源，檢測電路和控制電路組成。本實用新型采用二極管與半導體開關元件進行5-100千周脈寬調制式開關電路控制電容器充放電，利用功率因數(shù)反饋電壓，采用PWM電路對補償電流的大小進行實時控制，達到動態(tài)補償功率因數(shù)的目的。具體是在交流電的0-π/2、π-3π/2周期，由自關斷元件控制的充放電電容器組進行脈沖式充電；在π/2-π、3π/2-2π周期，進行PWM脈沖式放電。該補償電路可精確地控制交流負載功率因數(shù)到1，具有功率因數(shù)可動態(tài)補償，體積小，重量輕，成本低等優(yōu)點，且不會造成電網(wǎng)電壓升高?？蓮V泛應用于涉及用電的各種行業(yè)領域，部分替代現(xiàn)有電容器式功率因數(shù)補償裝置，節(jié)約用電。
文檔編號H02J3/01GK201656485SQ20102013261
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2010年3月17日
發(fā)明者李香龍, 毛書凡, 謝寧 申請人:天津理工大學