专利名称：自动控制功率因数补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电力工程技术领域，特别是涉及到利用反向阻断自关断器件控制电容器充放电电流大小，实现对用电设备的功率因数进行自动补偿的控制电路。
背景技术：
利用电容器对用电设 备进行功率因数补偿是目前节约电能行之有效的方法之一。现有电容器式补偿电路大都采用步进式，晶闸管为开关器件，用计算机控制排列组合方式对多只电容器进行交流电压0点投切补偿功率因数控制。该种补偿方式很好地解决了大型用电设备功率因数补偿的问题，0点投切降低了充放电电压对电容器的冲击，提高了设备的可靠性，延长了电容器的使用寿命。但是，这种补偿方式也存在明显的不足，晶闸管耐压需大于使用电源电压的4倍以上，工作时每只电容器还需设有放电电阻，控制功率因数补偿精度低，易造成过补偿和欠补偿；且存在控制电路复杂、体积大、成本高、效率低等缺点。此夕卜，为取得最佳的补偿效果，通常采取现场就地功率因数补偿方式，现有电容器式补偿电路致使补偿设备结构复杂且体积大，严重限制了其推广和应用。
发明内容
为了克服现有电容器功率因数补偿控制电路的不足，本发明用自关断器件阳极正向串联一只等容量二极管作为具有承受反向电压特性的反向阻断自关断器件，将一只反向阻断自关断器件的阴极与阳极和另一只反向阻断自关断器件的阴极与阳极反向并联，且在两只自关断器件的阴极和阳极两端分别反向并联功率稳压二极管，组成开关电路。为降低反向阻断自关断器件的耐压值，一方面采用阻容吸收；另一方面利用硅双向浪涌吸收器dssa嵌位将反向阻断自关断器件的工作电压限制在一定安全电压值范围内。在交流电的正负半周期内，由两个异或逻辑电路经驱动电路分别驱动两只反向阻断自关断器件，一只反向阻断自关断器件对电容器的充电电流进行控制，另一只反向阻断自关断器件对电容器的放电进行控制，两只反向阻断自关断器件在交流电压周期式交替工作中，由同步检测与功率因数控制电路实现对用电设备补偿电流的调控，进而达到对用电设备功率因数进行自动控制补偿的目的。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种自动控制功率因数补偿电路由同步检测与功率因数控制电路、滤波电路、充放电电容器、开关电路、电源电路、异或逻辑电路、驱动电路、光电隔离驱动电路和开关构成。所述的同步检测与功率因数控制电路由电流检测互感器DL和控制电路H构成；所述的滤波电路由电感L和两个滤波电容器Cl和C2构成；所述的开关电路由两只反向阻断自关断器件Tl和T2、硅双向浪涌吸收器dssa、电阻R和电容器C3构成；所述的电源电路由交流电经变压器BI变压后输出的两路低压交流电和两组整流稳压电路El和E2构成；所述的异或逻辑电路由两只二输入端异或门Ml和M2构成；所述的驱动电路由放大电路构成；所述的光电隔离驱动电路由一个发光二极管和一个光电接收管构成。所述的电源电路经变压器BI变压后分两路输出，一路经整流稳压电路El连接至所述的同步检测与功率因数控制电路、所述的开关电路、所述的异或逻辑电路和所述的驱动电路，另一路经整流稳压电路E2连接至所述的光电隔离驱动电路；所述的同步检测与功率因数控制电路内的控制电路H内的n端与所述的异或逻辑电路内的异或门Ml和M2的一输入端相连，控制电路H内的p端与异或门Ml的另一输入端相连，控制电路H内的0端与异或门M2的另一输入端相连；所述的异或逻辑电路内的异或门Ml的输出端与所述的驱动电路相连，所述的异或逻辑电路内的异或门M2的输出端与所述的光电隔离驱动电路内的发光二极管相连；所述的光电隔离驱动电路内的输出端与所述的开关电路内的自关断器件BG2的基极相连；所述的开关电路内的自关断器件BGl的基极与所述的驱动电路输出端相连；所述的开关电路经充放电电容器与所述的滤波电路相连。在上述方案中，所述的同步检测与功率因数控制电路内的电流检测互感器DL的一端接公共端N (GND),另一端与控制电路H的q端相接,控制电路H的s端与开关K的y端相接，对交流电压波形进行检测。一方面控制电路H将s端检测到的交流电压波形与电流检测互感器DL检测到的电流波形的相位进行比较，得出功率因数值，由控制电路H的n端 输出给异或逻辑电路内的异或门Ml的输入端b和异或门M2的输入端C，控制充放电电容器的充电时间。另一方面控制电路H将s端检测到的交流电负半周期电压同步波形由p端输出给异或逻辑电路内异或门Ml的输入端a，用于同步驱动在交流电负半周期内释放存储在充放电电容器中的电荷的驱动电压；将检测到的交流电正半周期电压同步波形由O端输出给异或逻辑电路内异或门M2的输入端d，用于同步驱动在交流电正半周期释放存储在充放电电容器中的电荷的驱动电压。在上述方案中，所述的开关电路内的反向阻断自关断器件Tl由自关断器件BGl与二极管Dl正向串接构成，即自关断器件BGl的阳极与二极管Dl的阴极相接；二极管Dl的阳极与自关断器件BG2的阴极相接作为开关电路的一个端点。反向阻断自关断器件T2由自关断器件BG2与二极管D2正向串接构成，即自关断器件BG2的阳极与二极管D2的阴极相接；二极管D2的阳极与自关断器件BGl的阴极相接作为开关电路的另一个端点；在自关断器件BGl和BG2的阴极与阳极两端分别反向并联功率稳压二极管DWl和DW2，自关断器件BGl和自关断器件BG2的基极为开关电路的驱动极。在交流电的正半周期内，自关断器件BGl以0点为起点，在0到/2周期内导通，导通时间可调；自关断器件BG2在自关断器件BGl关断时导通；在交流电的负半周期内，自关断器件BG2以2 为起点，在2 到3 /2周期内导通，导通时间可调，自关断器件BGl在自关断器件BG2关断时导通。进而在交流电正负周期内通过调解自关断器件BGl和自关断器件BG2导通时间控制充放电电容器的充放电电流大小，实现电容器对用电设备功率因数补偿电流的控制。所述自关断器件包括晶体三极管，IGBT、GT0、V0MSEF、MCT和具有自关断功能的新型半导体器件，以及由这些器件与二极管集成制得的反向阻断自关断器件。在上述方案中，所述的异或逻辑电路内的异或门Ml的输入端a为充放电电容器在交流电负半周期内的放电控制端，异或门M2的输入端d为充放电电容器在交流电正半周期内的放电控制端；异或门Ml的c端和异或门M2的b端相接为充放电电容器在交流电正负半周期内的充电控制端，异或门M2依据异或逻辑关系在交流电正半周期内经输出端f 控制光电隔离驱动电路，由光电隔离驱动电路驱动自关断器件BG2对充放电电容器进行交流电正半周期放电和负半周期充电控制，异或门Ml依据异或逻辑关系经输出端e控制驱动电路，驱动自关断器件BGl对充放电电容器进行交流电正半周期充电和负半周期放电控制。在上述方案中，所述光电隔离驱动电路经光电隔离后，将异或逻辑电路内的异或门M2的f端电流放大，经输出端g驱动自关断器件BG2对充放电电容器3进行正半周放电控制和负半周充电控制。利用本发明自动控制功率因数补偿电路作为一个单元，可进行多单元组合，对多相交流电进行功率因数补偿控制。本发明的有益效果是，本发明由于只采用两只反向阻断自关断器件组成的开关电路，通过控制一只电容器充放电电流大小来控制用电设备的功率因数，进而对用电设备进行自动功率因数补偿控制，使控制电路得以简化，提高了控制功率因数的精度；且采用并联稳压二极管DWl和DW2、RC吸收和dssa嵌位，降低了对反向阻断自关断器件耐压值的要求，其耐电压值仅为使用电源电压值的2倍；而零电压和零电流导通控制反向阻断自关断器件，也极大地降低了开关损耗，进而减小了开关电路的散热面积；再者工作时断开放电电阻 与充放电电容器间的连接，将电阻切换到RC阻容吸收回路，降低了工作时的电路损耗；此外采用异或逻辑驱动电路，又使驱动电路损耗进一步降低。因此，整机体积减小，成本降低。
图I用本发明制作的自动控制功率因数补偿装置的电路原理中标号I同步检测与功率因数控制电路2滤波电路3充放电电容器4开关电路5电源电路6异或逻辑电路7驱动电路8光电隔离驱动电路
具体实施例方式下面结合实施例及其附图对本发明做进一步详细说明。本发明设计了一种自动控制功率因数补偿电路，图I是用本发明制作的自动控制功率因数补偿装置的电路原理图。该电路由同步检测与功率因数控制电路I、滤波电路2、充放电电容器3、开关电路4、电源电路5、异或逻辑电路6、驱动电路7、光电隔离驱动电路8、输入端B、输出端A、公共端N(GND)和开关构成。所述的同步检测与功率因数控制电路I由可对用电设备电流波形进行检测的电流检测互感器DL和控制电路H构成；所述的滤波电路2由电感L和两个滤波电容器Cl和C2构成；开关电路4是由两只自关断器件BGl和BG2正向串联两只二极管Dl和D2组成的两只反向阻断自关断器件Tl和T2、硅双向浪涌吸收器dssa、电阻R和电容器C3构成；所述的电源电路5由交流电经变压器BI后输出的两路低压交流电和两组整流稳压电路El和E2构成；所述的异或逻辑电路6由两只二输入端异或门Ml和M2构成；所述的驱动电路7由放大电路构成；所述的光电隔离驱动电路8由一个发光二极管和一个光电接收管构成。电源电压由输入端B输入，经同步检测与功率因数控制电路I内的电流检测互感器DL和开关K的w端后，由输出端A输出向负载供电。开关K的y端连接至滤波电路2内的滤波电容器Cl和电感L的一端，电感L的另一端连接到滤波电路内2内的滤波电容器C2和充放电电容器3的一端，充放电电容器3的另一端连接至开关电路4内的二极管Dl的阳极与自关断器件BG2的阴极，同时与开关电路4内的硅双向浪涌吸收器dssa、电阻的R和电容器C3 —端相连；电容器Cl、C2、娃双向浪涌吸收器dssa和电容器C3的另一端与公共地N(GND)相连；电源电路5内的变压器BI的一端与开关K的y端和同步检测与功率因数控制电路I内的控制电路H的s端相连；同步检测与功率因数控制电路I内的控制电路H的n端连接至异或逻辑电路6内异或门Ml和M2的输入端b和C，同步检测与功率因数控制电路I内的控制电路H的p、O端分别与异或门Ml和M2的输入端a、d相连接，异或门Ml的输出端e端连接至驱动电路7内的t端，异或门M2的输出端f端连接至光电隔离驱动电路8内的发光二极管的阳极g端，发光二极管的阴极连接至公共地N(GND)，光电隔驱动与电源 电路5内的整流稳压电路E2相连，光电接收管的输出端和开关电路4内的自关断器件BG2的基极相连。当在电源电压输入端B和公共端N(GND)接入交流电时，电源电压经电流检测互感器DL由输出端A向负载供电，此时将开关K的w端与y端相接，电源电压经变压器BI变压后，输出的一路电压经整流稳压电路El向同步检测与功率因数控制电路I、异或逻辑电路6和驱动电路7供电；输出的另一路电压经整流稳压电路E2向光电隔离驱动电路8供电。开关K的w端与y端相接，同时断开z端与y端，电源电压经电流检测互感器DL、开关K、滤波电路内的电感L、滤波电容器Cl和C2滤波后向充放电电容器3和开关电路4供电。工作时同步检测与功率因数控制电路I内的控制电路H将s端检测到的交流电压波形与电流检测互感器DL检测到的电流波形进行比较后，得出功率因数值。由控制电路H的n端发出以交流电压波形0点和2 31为起点在0- 31 /2和2 31 -3 31 /2周期内可控的输出脉冲宽度波形，波形宽度依据功率因数大小进行变化。同时对控制电路H的s端检测到的交流电压正负半周波形进行分离处理，得到的同步正半周波形由O端输出方波，同步负半周波形由p端输出方波。异或逻辑电路6内的异或门Ml的b端和异或门M2的c端相连，由同步检测与功率因数控制电路I内控制电路H的n端发出充电控制电压，异或逻辑电路6内的异或门Ml的a端和同步检测与功率因数控制电路I内控制电路H的p端相接为交流电负半周期放电控制端，异或逻辑电路6内异或门M2的d端和同步检测与功率因数控制电路I内控制电路H的O端相接为交流电正半周期放电控制端。异或逻辑电路6内的异或门Ml的a端和b端输入的电脉冲信号经异或门Ml进行异或逻辑运算处理后，经由异或门Ml的e端输出给驱动电路7的t端，经驱动电路7放大后，由驱动电路7的m端输出给开关电路4内的BGl的基极，为BGl导通驱动脉冲；异或逻辑电路6内的异或门M2的c端和d端输入的电脉冲信号经异或门M2逻辑运算处理后，经f端输出给光电隔离驱动电路8的h端，经光电隔离驱动电路8放大后，由光电隔离驱动电路8的g端输出给开关电路4内的BG2的基极，为BG2导通驱动脉冲。为了防止再次工作时充放电电容器3的端电压与电源电压叠加，将开关K的y端与z端接通，由开关电路4内的电阻R将存储在充放电电容器3内的电荷释放掉。该装置按照上述原理在交流电周期式的工作中，实现了补偿用充放电电容器3的充放电电流可调，达到了自动调节用电设备功率因数的目的。利用上述装置作为一个独立单元，可进行多单元组合。二单元组合，可制成两相交流自动功率因数补偿装置；三单元组合，可制成三相交流自动功率因数补偿装置。利用本发明自动控制功率因数补偿电路制成的自动功率因数补偿装置，不但可对 用电设备的功率因数自动补偿，且补偿精度高，还具有补偿装置体积小、效率高、结构简单、成本低、使用方便等优点，尤其适用于现场的用电设备就地功率因数补偿。
权利要求
1.自动控制功率因数补偿电路由同步检测与功率因数控制电路(I)、滤波电路⑵、充放电电容器⑶、开关电路⑷、电源电路(5)、异或逻辑电路(6)、驱动电路(7)、光电隔离驱动电路⑶和开关构成。
2.根据权利要求I所述的ー种自动控制功率因数补偿电路，其特征在于所述的开关电路(4)由两只反向阻断自关断器件Tl和T2、硅双向浪涌吸收器dssa、电阻R和电容器C3组成。
3.根据权利要求I和2所述的ー种自动控制功率因数补偿电路，其特征在于所述的开关电路(4)内的反向阻断自关断器件Tl由自关断器件BGl与ニ极管Dl正向串接构成，SP自关断器件BGl的阳极与ニ极管Dl的阴极相接；ニ极管Dl的阳极与自关断器件BG2的阴极相接作为开关电路的ー个端点。反向阻断自关断器件T2由自关断器件BG2与ニ极管D2正向串接构成，即自关断器件BG2的阳极与ニ极管D2的阴极相接；ニ极管D2的阳极与自关断器件BGl的阴极相接作为开关电路(4)的另ー个端点；在自关断器件BGl和BG2的阴极与阳极两端分别反向并联功率稳压ニ极管DWl和DW2，自关断器件BGl和自关断器件BG2的基极为开关电路(4)的驱动扱。
4.根据权利要求1、2和3所述的ー种自动控制功率因数补偿电路，其特征在于在交流电的正半周期内，自关断器件BGl以O点为起点，在O到/2周期内导通，导通时间可调；自关断器件BG2在自关断器件BGl关断时导通；在交流电的负半周期内，自关断器件BG2以2为起点，在2ji到3ji/2周期内导通，导通时间可调，自关断器件BGl在自关断器件BG2关断时导通。进而在交流电正负周期内通过调解自关断器件BGl和自关断器件BG2导通时间控制充放电电容器⑶的充放电电流大小，实现电容器对用电设备功率因数补偿电流的控制。所述自关断器件包括晶体三极管，IGBT、GTO、VOMSEF、MCT和具有自关断功能的新型半导体器件，以及由这些器件与ニ极管集成制得的反向阻断自关断器件。
5.根据权利要求I所述的ー种自动控制功率因数补偿电路，其特征是在于所述的异或逻辑电路(6)内的异或门Ml的输入端a为充放电电容器(3)在交流电负半周期内的放电控制端，异或门M2的输入端d为充放电电容器(3)在交流电正半周期内的放电控制端,异或门Ml的c端和异或门M2的b端相接为充放电电容器(3)在交流电正负半周期内的充电控制端，异或门M2依据异或逻辑关系在交流电正半周期内经输出端f 控制光电隔离驱动电路(8)，由光电隔离驱动电路(8)驱动自关断器件BG2对充放电电容器(3)进行交流电压正半周期放电和负半周期充电控制，异或门Ml依据异或逻辑关系经输出端e控制驱动电路，驱动自关断器件BGl对充放电电容器(3)进行交流电压正半周期充电和负半周期放电控制。
6.根据权利要求I所述的ー种自动控制功率因数补偿电路，其特征在将该电路作为一个单元，可进行多单元组合，对多相交流电进行功率因数补偿控制。
全文摘要
本发明公开了一种自动控制功率因数补偿电路。由两个异或逻辑电路经驱动电路分别驱动两只反向阻断自关断器件，对电容器的充放电电压进行控制，进而对交流电负载进行自动功率因数补偿。本发明采用并联稳压二极管DW1和DW2、RC吸收和dssa嵌位，降低了对反向阻断自关断器件耐压值的要求；而零电压和零电流导通控制反向阻断自关断器件，也极大地降低了开关损耗；进而减小了开关电路的散热面积；再者工作时将电阻切换到RC阻容吸收回路，降低了工作时的电路损耗；此外采用异或逻辑驱动电路，又使驱动电路损耗进一步降低。从而减小了整机体积，降低了成本，使用和维护简便易普及推广，尤其适用于现场的用电设备就地功率因数补偿。
文档编号H02J3/18GK102761130SQ20121014197
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月30日 优先权日2012年4月30日
发明者任载峰, 张炜, 李香龙 申请人:李香龙