一种功率因数调节电路的制作方法

xiaoxiao2020-08-01  1

专利名称:一种功率因数调节电路的制作方法
技术领域
本实用新型涉及功率因数调节技术领域,具体的说涉及用于对电网中的感性电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等设备的功率因数调节电路。
背景技术
目前无功补偿可以分为高压无功补偿和低压无功补偿。无功补偿的特性就是只补前面的,所以在高压处装无功补偿装置一是价位高,二是补偿效果不明显。低压无功补偿的方式可分为集中补偿和就地补偿。无功补偿的装置可分为静态、动态、静态+动态。低压无功自动补偿成套装置利用控制器跟踪系统无功负荷的变化,选功率因数或无功功率作为判据,使系统的功率因数保持为最佳状态,但是其都是通过投切电容器等实现无功补偿,无法实现实时控制与跟踪,且只能实现功率因数的最优化,而无法实现功率因数为一的精确调整。目前广泛使用的功率因数调节技术是通过晶闸管投切电容器进行无功补偿,但投切电容器移植性较差,对不同的负载需要不同容值的电容器,另外投切电容器必须并联在交流电源中,所以电容器需要较高的耐压值。

实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足,提供一种功率因数调节电路和控制方法,不仅解决了电容耐压的问题,对不同的负载只需改变控制程序就能够很好的实现功率因数调节,使负载呈现无阻性,保证负载电压和电流同相位。为了达到上述目的,本实用新型采取的技术方案是:一种功率因数调节电路,其包括主电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块,输入电源Vac的AC+接辅助电源模块的输入,AC-接地;辅助电源模块的输出Vcc分别与单片机控制模块和驱动模块的电源输入端Vcc连接;主电路的电压传感器采样电源两端电压,输出端接单片机控制模块的电压采样端,电流传感器串联接在主电路中,输出端接单片机控制模块的电流采样 端,驱动模块的输入接单片机控制模块的驱动信号端,驱动模块的四个驱动信号输出端各自相应的接第一、第二、第三、第四开关管的门极。进一步优化的,所述主电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、负载、电压传感器和电流传感器;第一开关管与第一二极管反并联,第二开关管与第二二极管反并联,第三开关管与第三二极管反并联,第四开关管与第四二极管反并联,第一开关管源极与第三开关管的漏极串联形成桥臂一,第二开关管的源极与第四开关管的漏极串联形成桥臂二,第一电容、桥臂一、桥臂二三者并联,其中第一电容的正极接第一开关管的漏极和第二开关管的漏极,第一电容的负极接第三开关管的源极和第四开关管的源极;电压传感器的输入和电源输入端并联,电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端;电流传感器的输入一端接零线,另一端接负载的一端,电流传感器的输出接单片机模块的电流采样端。进一步优化的,辅助电源模块包括整流桥Bridge,第二电容、第三电容、第四电容,第一电阻、第二电阻、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805 ;整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的AC+与AC-两端,左右两端分别与第二电容两端相接;第二电容的正极端接第一稳压芯片的Vin端,第一稳压芯片的输出端Vout接第二稳压芯片的输入端Vin,第二稳压芯片的输出端Vout与单片机模块和驱动模块的输入端Vcc连接;第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接,第二电阻的另一端接地;第一电阻的一端与第二电阻的一端连接,另一端接第一稳压芯片的输出端;第三电容接第二稳压芯片的输入端,另一端接地;第四电容正极端接第二稳压芯片的输出端,另一端接地。进一步优化的,驱动模块包括非门、第三电阻、第四电阻、第五电容、第六电容、第一与门、第二与门,四个相同的驱动隔离电路,四个相同的驱动隔离电路包括第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路、第三驱动隔离电路、第四驱动隔离电路;单片机控制模块输出的驱动信号分别连接非门的输入、第四电阻的一端和第一与门和第二与门的一个输入端;非门的输出接第三电阻的一端,第三电阻的另一端接第一与门的一端和第五电容的一端,第五电容的另一端接地;第四电阻的另一端接第六电容的一端和第二与门的另一输入端,第六电容的另一端也接地;第一与门的输出接第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路;第二与门的输出接第三驱动隔离电路、第四驱动隔离电路。进一步优化的,驱动模块还包括四个结构相同的驱动隔离电路,每一个驱动隔离电路均各自包括第五三极管、第六三极管、第七电容、第一变压器、第五电阻;第五三极管的基极和第六三极管的基极相连后组成第一驱动隔离电路的输入端,连接第一与门的输出,第二驱动隔离电路输入端与第一驱动隔离电路输入端并联连接在第一与门输出;第三驱动隔离电路则与第四驱动隔离电路输入端并联连接在第二与门的输出;第五三极管的发射极和第六三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连,第五三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出,第六三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地,第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端;第一变压器的一个输出端与第五电阻的一端相连,另一端接主电路所驱动开关管的源极,第五电阻的另一端接主电路所驱动开关管的门极。所述功率因数调节电路的功率因数调节控制方法是:单片机控制模块接收主电路采样得到的输入电源电压和输入电流,然后分别计算输入电压和输入电流的过零点时刻,将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻,若两者差值为正,则提前单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻,且提前的时刻与差值的大小等比例;若两者差值为负,则延后单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻,延后的时刻同样与差值等比例;通过负反馈保证输入电压和输入电流的过零点时刻相同,即功率因素为I。与现有技术相比,本实用新型具有如下优点和技术效果:本实用新型调整功率因数的第一电容是串联在负载与输入电源中的,解决了电容耐压问题。单片机控制模块接收电压传感器和电流传感器的信号,从而选择第一、第二、第三、第四开关管开通关断的时刻,从而选择第一电容串联入负载的时刻。当负载变化时,只需改变驱动信号上升沿到来的时间就可以将功率因素调节到所需要求,解决了现有技术移植性差的问题。

[0012]图1是本实用新型的总体结构图。图2是本实用新型的辅助电源模块的电路图;图3是本实用新型的驱动模块的电路图;图4是本实用新型的驱动模块中的驱动隔离电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步说明,但本实用新型的实施和保护范围不限于此。图1给出了本实用新型示例的功率因数调节电路的总体结构图,其中包括主电路,辅助电源模块,单片机控制模块,驱动模块。主电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容Cl、负载、电压传感器、电流传感器。第一开关管与第一二极管反并联,第二开关管与第二二极管反并联,第三开关管与第三二极管反并联,第四开关管与第四二极管反并联,第一开关管源极与第三开关管的漏极串联形成桥臂一,第二开关管的源极与第四开关管的漏极串联形成桥臂二,第一电容、桥臂一、桥臂二三者并联,其中第一电容的正极接第一开关管的漏极和第二开关管的漏极,第一电容的负极接第三开关管的源极和第四开关管的源极。电压传感器的输入和电源输入端并联,电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端。负载串联在主电路中,电流传感器的输入一端接地,另一端接负载的一端,电流传感器的输出接单片机模块的电流采样端。辅助电源模块将220V的交流电压转化为15V和5V的直流电压输出,作为单片机控制模块和驱动模块的辅助电源。电压传感器采样交流输入电压,电流传感器采样电路的电流,两个采样信号都输入给单片机控制模块,单片机控制模块输出驱动信号给驱动模块。驱动模块将这路驱动信号分成四组相互隔离的驱动信号去驱动主电路中的四个开关管,通过调节第一、第二、第三、第四开关管的导通时刻,从而调节第一电容串联入负载的时间,从而调节负载的功率因数。在主电路中,第一电容Cl为调节功率因数的谐振电容;第一开关管Ql与第一二极管Dl反并联,第二开关管Q2与第二二极管D2反并联,第三开关管Q3与第三二极管D3反并联,第四开关管Q4与第四二极管D4反并联,第一开关管Ql的源极与第三开关管Q3的漏极串联形成桥臂一,第二开关管Q2的源极与第四开关管Q4的漏极串联形成桥臂二,第一电容Cl、桥臂一、桥臂二三者并联,其中第一电容Cl的正极接第一开关管Ql的漏极和第二开关管Q2的漏极,第一电容Cl的负极接第三开关管Q3的源极和第四开关管Q4的源极。图2给出了功率因数调节电路辅助电源模块的电路图,辅助电源模块包括整流桥Bridge,第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4,第一电阻R1、第二电阻R2。用于输出15V直流电压的第一稳压芯片TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805。整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的AC+与AC-两端,两端分别与第二电容两端相接。第二电容的正极端接第一稳压芯片的Vin端,第一稳压芯片的输出端Vout接第二稳压芯片的输入端Vin,第二稳压芯片的输出端Vout与单片机模块和驱动模块的输入端Vcc连接。第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接,第二电阻的另一端接地。第一电阻的一端与第二电阻的一端连接,另一端接第一稳压芯片的输出端。第三电容C3接第二稳压芯片的输入端,另一端接地。第四电容正极端接第二稳压芯片的输出端,另一端接地。整流桥将220V的交流电压整流成直流电压,第四电容C4为滤波电容,第一电阻和第二电阻的阻值调节TL783输出电压的大小,第三电容C3为第一稳压芯片TL783的输出滤波电容和第二稳压芯片7805的输入滤波电容。第四电容C4为第二稳压芯片的输出滤波电容。稳压芯片TL783和7805分别输出15V和5V的直流电压,作为系统内部各控制电路的电源。图3为驱动模块的电路图,驱动模块包括非门U、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电容C5、第六电容C6、第一与门U1、第二与门U2,两个相同的第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路。单片机控制模块输出的驱动信号分别连接非门的输入、第四电阻的一端和第一与门和第二与门的一个输入端。非门的输出接第三电阻的一端,第三电阻的另一端接第一与门的一端和第五电容的一端,第五电容的另一端接地;第四电阻的另一端接第六电容的一端和第二与门的另一输入端,第六电容的另一端也接地。第一和第二与门的输出分别接第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路。非门U将单片机控制模块的驱动信号进行反向,当非门U的高电平到来时,由于第五电容C5两端的电压不能突变,所以第一与门Ul输出信号的上升沿到来的时间比非门U输出信号的上升沿到来的时间有一定的延迟,从而产生死区时间。两个驱动隔离电路结构相同,它们的作用是将驱动信号进行隔离,从而解决了第一、第二开关管的隔离驱动问题。同样对于U2来讲,通过第六电容C6两端电压不变来产生死区时间。图4为驱动模块中驱动隔离的电路图,每一个驱动隔离电路都包括第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七电容C7、第一变压器Tl、第五电阻R5 ;第五三极管的基极和第六三极管的基极相连后组成第一驱动隔离电路的输入端,连接第一与门的输出端,第二驱动隔离电路输入端与第一驱动隔离电路输入端并联连接在第一与门输出端,第三驱动隔离电路与第四驱动隔离电路输入端并联连接在第二与门的输出。第五三极管的发射极和第六三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连,第五三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出,第六三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地,第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端;第一变压器的一个输出端与第五电阻的一端相连,另一端接主电路所驱动开关管的源极,第五电阻的另一端接主电路所驱动开关管的门极。当驱动信号的高电平到来时,第五三极管Q5导通,由于第一变压器Tl的作用,第一驱动信号I输出高电平,驱动第一开关管导通。当驱动信号为低电平时,第六三极管Q6导通,第一变压器输入为低电平,第一驱动信号I输出低电平,驱动第一开关管关断。该功率因数调节电路的功率因数调节控制方法:单片机控制模块通过电压传感器和电流传感器分别接收采样主电路得到的输入电压和输入电流,然后分别计算输入电压和输入电流的过零点时刻,将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻,若两者差值为正,则提前单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻,且提前时刻的多少与差值的大小等比例;若两者差值为负,则延后单片机控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻,延后的时刻的多少同样与差值大小等比例。单片机输出的驱动信号经过驱动模块处理产生第一驱动信号1、第四驱动信号4来驱动第一开关管Q1、第四开关管Q4同时导通或是关断以及第二驱动信号2、第三驱动信号3来驱动第二开关管Q2、第三开关管Q3同时导通或是关断。整个电路通过负反馈保证输入电压和输入电流的过零点时刻相同,即功率因素为1,从而达到调整功率因数的目的。
权利要求1.一种功率因数调节电路,其特征在于包括主电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块,输入电源Vac的AC+接辅助电源模块的输入,AC-接地;辅助电源模块的输出Vcc分别与单片机控制模块和驱动模块的电源 输入端Vcc连接;主电路的电压传感器采样电源两端电压,输出端接单片机控制模块的电压采样端,电流传感器串联接在主电路中,输出端接单片机控制模块的电流采样端,驱动模块的输入接单片机控制模块的驱动信号端,驱动模块的四个驱动信号输出端各自相应的接第一、第二、第三、第四开关管的门极。
2.根据权利要求1所述的功率因数调节电路,特征在于主电路包括第一开关管、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一电容(Cl)、负载、电压传感器和电流传感器;第一开关管与第一二极管反并联,第二开关管与第二二极管反并联,第三开关管与第三二极管反并联,第四开关管与第四二极管反并联,第一开关管源极与第三开关管的漏极串联形成桥臂一,第二开关管的源极与第四开关管的漏极串联形成桥臂二,第一电容、桥臂一、桥臂二三者并联,其中第一电容的正极接第一开关管的漏极和第二开关管的漏极,第一电容的负极接第三开关管的源极和第四开关管的源极;电压传感器的输入和电源输入端并联,电压传感器的输出接单片机控制模块的电压采样端;电流传感器的输入一端接零线,另一端接负载的一端,电流传感器的输出接单片机模块的电流采样端。
3.根据权利要求1所述的功率因数调节电路,特征在于辅助电源模块包括整流桥Bridge,第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4),第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805 ;整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的AC+与AC-两端,左右两端分别与第二电容两端相接;第二电容的正极端接第一稳压芯片的Vin端,第一稳压芯片的输出端Vout接第二稳压芯片的输入端Vin,第二稳压芯片的输出端Vout与单片机模块和驱动模块的输入端Vcc连接;第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接,第二电阻的另一端接地;第一电阻的一端与第二电阻的一端连接,另一端接第一稳压芯片的输出端;第三电容(C3)接第二稳压芯片的输入端,另一端接地;第四电容正极端接第二稳压芯片的输出端,另一端接地。
4.根据权利要求1所述的功率因数调节电路,特征在于驱动模块包括非门(U)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第一与门(U1)、第二与门(U2),四个相同的驱动隔离电路,四个相同的驱动隔离电路包括第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路、第三驱动隔离电路、第四驱动隔离电路;单片机控制模块输出的驱动信号分别连接非门的输入、第四电阻的一端和第一与门和第二与门的一个输入端;非门的输出接第三电阻的一端,第三电阻的另一端接第一与门的一端和第五电容的一端,第五电容的另一端接地;第四电阻的另一端接第六电容的一端和第二与门的另一输入端,第六电容的另一端也接地;第一与门的输出接第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路;第二与门的输出接第三驱动隔离电路、第四驱动隔离电路。
5.根据权利要求1所述的功率因数调节电路,特征在于驱动模块还包括四个结构相同的驱动隔离电路,每一个驱动隔离电路均各自包括第五三极管(Q5)、第六三极管(Q6)、第七电容(C7)、第一变压器(Tl)、第五电阻(R5);第五三极管的基极和第六三极管的基极相连后组成第一驱动隔离电路的输入端,连接第一与门的输出,第二驱动隔离电路输入端与第一驱动隔离电路输入端并联连接在第一与门输出;第三驱动隔离电路则与第四驱动隔离电路输入端并联连接在第二与门的输出;第五三极管的发射极和第六三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连,第五三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出,第六三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地,第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端;第一变压器的一个输出端与第五电阻的一端相连,另一端接主电路所驱动开关管的源极,第五电阻 的另一端接主电路所驱动开关管的门极。
专利摘要本实用新型公开了一种功率因数调节电路。所调节电路包括主电路,辅助电源模块,单片机控制模块,驱动模块。输入电源Vac接辅助电源模块的输入,辅助电源模块的输出分别与单片机控制模块和驱动模块的电源输入端连接,单片机控制模块采样主电路的输入电压和输入电流,驱动模块的输入接单片机控制模块的驱动信号端,驱动模块的输出接主电路中四个开关管。本实用新型能对不同的负载能实现自动调节,通过负反馈保证输入电压和输入电流的过零点时刻相同。本实用新型主要用于对电网中的感性电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等设备进行无功补偿。
文档编号H02J3/18GK203086146SQ201320014919
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月12日 优先权日2013年1月12日
发明者康龙云, 陶思念, 姜凯, 林玉健, 温懋勤 申请人:华南理工大学

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