采用分数阶电容的实时功率因数校正电路及其控制方法与流程

技术特征：

1.一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，其特征在于：所述实时功率因数校正电路包括交流电源、阶数和容值可控的分数阶电容、负载、电压采样器、电流采样器和控制器；所述交流电源的A端与分数阶电容的一端相连，该交流电源的B端与分数阶电容的另一端相连，所述负载的一端与交流电源的A端相连，该负载的另一端与电流采样器的一端相连，该电流采样器的另一端与交流电源的B端相连，所述电压采样器的一端与交流电源的A端相连，该电压采样器的另一端与交流电源的B端相连，所述电压采样器的输出和电流采样器的输出分别与控制器相连，该控制器的输出与分数阶电容相连。

2.根据权利要求1所述的一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，其特征在于，所述实时功率因数校正电路的导纳如下：

$\begin{array}{c}{Y}_{eq}\left(j\mathrm{\ω}\right)=(\frac{R_L}{{R_L}^2+{\left(\mathrm{\ω}L\right)}^2}+{\mathrm{\ω}}^{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\α}}\cos \frac{\mathrm{\α}\mathrm{\π}}{2})+j({\mathrm{\ω}}^{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\α}}\sin \frac{\mathrm{\α}\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\ω}L}{{R_L}^2+{\left(\mathrm{\ω}L\right)}^2})\\ =G_{eq}+{\mathrm{jB}}_{eq}\end{array}---\left(1\right)$

式中，R_L为电阻的阻值，L为电感的感值，ω为电路工作的角频率，C_α为分数阶电容的容值，α为分数阶电容的阶数；负载由电感L和电阻R_L构成；

在电路中用有功功率P与视在功率S的比值cosφ来表示电路的功率因数角，φ为系统的阻抗角或者导纳角，由(1)式得该电路的功率因数：

$\mathrm{\λ}={\mathrm{cos\φ}}_Y=\frac{G_{eq}}{\sqrt{{G_{eq}}^2+{B_{eq}}^2}}---\left(2\right)$

从(2)式可知，要实现单位功率因数λ＝1，需使等效导纳中的B_eq＝0，则有：

$C_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\ω}L}{({R_L}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2)\sin \left(0.5\mathrm{\π}\mathrm{\α}\right){\mathrm{\ω}}^{\mathrm{\α}}}---\left(3\right)$

已知负载阻抗为：

$\left|Z\right|=\sqrt{{R_L}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2}---\left(4\right)$

记负载电压和电流的相位差为θ，则有：

ωL＝|Z|sinθ (5)

将(4)式和(5)式带入(3)式中，进一步得到分数阶电容的容值为：

$C_{\mathrm{\α}}=\frac{sin\mathrm{\θ}}{\left|Z\right|sin\left(0.5\mathrm{\π}\mathrm{\α}\right){\mathrm{\ω}}^{\mathrm{\α}}}---\left(6\right)$

通过实时检测负载电压即输入电压和电流的相位差θ和负载阻抗∣Z∣，就能够得到实现单位功率因数校正所需要的对应某一阶数分数阶电容的容值大小；

当分数阶电容的阶数大于1时，分数阶电容的电压向量和电流向量的夹角为πα/2，大于90度，此时分数阶电容不仅能够向负载提供无功功率，而且还提供有功功率。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，其特征在于：所述分数阶电容的阶数调节范围为0～2。

4.根据权利要求1或2所述的一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，其特征在于：所述分数阶电容的容值能够连续调节。

5.一种权利要求1所述采用分数阶电容的实时功率因数校正电路的控制方法，其特征在于：首先，控制器将电压采样器和电流采样器采样到的输入电压和负载电流转变成同频率同相位的方波信号，得到相应的输入电压和负载电流的相位差，同时根据输入电压和负载电流的大小，得到相应的负载阻抗；接着根据相位差和负载阻抗得到所需分数阶电容的阶数、容值的大小；当电源电压或负载发生变化时，控制器根据采样到的电压电流信号，调节分数阶电容的大小，使得输入电源侧的功率因数达到1，以实现单位功率因数的实时校正。