专利名称：自动功率因数校正器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率因数校正。更具体地，本发明涉及计算机控制的固态开关功率因数校正。
背景技术：
已经提出了许多种功率因数校正的技术，这是本领域公知的。通常，这些现有系统和技术只感应一个相位，并且使用继电式接触器来同时开关所有三个相位。
虽然下面所说的可能不必是"现有技术"，但读者可参考下面的美国专利文档作为一般性的背景材料。这些专利文档中的每一个，在这里都通过引用而整体结合进来，用作这里所包含的材料。
美国专利4,356,440描述了一种离散时间闭环功率因数校正器系统，其控制A形连接的开关电容器阵列耦合到可能具有时变、不平衡的电感负载的3或4线的电力线路。
美国专利4，417，194描述了一种电功率发生器系统，其包括开关电容器控制电感发生器，适合于以规则电压和频率提供电力。
美国专利4，493，040描述了一种计算机控制的焊接装置，其包括相位控制电阻焊接电路，用于有选择地将焊接电流的脉冲传导至工件，还包括控制电路，用于控制焊接电路的传导。
美国专利5,134,356描述了一种系统和方法，用于确定和提供对电感性负载的电抗功率补偿。美国专利5,180,963描述了一种光学触发的固态开关和用于开关高电压电流的方法。
美国专利5,473,244描述了一种装置，用于执行对传导元件(诸如电线、电缆等)的电压、电流和功率电平的非接触测量，其包括电容性传感器的配置，用来生成第一电流以响应传导元件电压的变化。
发明内容
希望提供一种用于在电功率系统中自动校正功率因数的方法和系统。特别地，希望提供这样一种方法和系统，其通过使用固态开关来消除电流涌入并且消除对处理这样的电流涌入所需的电抗的需要，而节省电能。还希望提供对系统中所需电平的频繁功率因数校正，其一旦安装就是自动的。
因此，本发明的实施例提供计算机控制的固态开关功率因数校正。
本发明的实施例提供使用固态开关的功率因数校正，其中固态开关在零交叉点或大约在零交叉点进行开关。
而且，本发明的实施例提供功率因数校正，其感应电流的相位角，并且按需要对每一相位分别增加或去除电容器。
此外，本发明的实施例提供功率因数校正，其每秒进行多次开关并且使用多个校正步骤。
本发明的实施例提供功率因数校正，其最小化电流涌入，由此消除与电流的涌入相关联的所需的电抗。
本发明的实施例提供功率因数校正，其是自动的。本发明的实施例提供功率因数校正，其感应多个相位。
本发明的额外优点和其他新颖特征将部分地在后面的说明书中阐述，并且在检査下面的内容之后，部分地变得对本领域技术人员显而易见，或者可以通过本发明的实践而学习到。通过在所附权利要求中特别指出的手段和组合，可以实现和获得本发明的优点。根据下面的说明，本领域技术人员将变得易于认识到本发明的另外的优点，在下面的说明中，显示和描述了本发明的优选实施例，简单地以适合最好地实现本发明的模式之一的图示方式来显示和描述。如将要认识到的，本发明能够是其他不同的实施例，其若干细节、特定电路和方法步骤能够进行修改，而不背离本发明。因此，附图和详细描述在本质上应该被视为解释说明性的，而非限制性的。
附图结合进说明书中，并且组成说明书的一部分，图示说明本发明的优选实施例。在后面的描述中描述了某些(尽管不是全部)可替换实施例。
在附图中
图1是显示发明的本实施例的主要部分的系统框图。
图2是发明的本实施例的功率因数控制方法的顶级流程图。
下面将要参考发明的本优选实施例，其一个例子图示在附图中。
具体实施例方式
使用功率因数校正来在A/C电力系统中对准电压和电流的相位角。在最大化电力系统能量效率方面，功率因数校正很重要。典型地，功率因数校正是通过在电容器中储存未使用的电流直到下一周期而完成的。功率因数校正中固定电容的使用被证明在负载不恒定的任何系统中都具有显著的限制。试图进行可调节的电容功率校正，但是现有系统还具有显著的缺陷。例如，现有系统只感应三相位电力系统的一个相位，然后只基于来自一个相位的信息就"校正"所有相位。而且，现有系统典型地使用了电磁继电器，其倾向于制造功率波峰。电磁继电器还易于受到触点磨损和损伤的影响，导致不想要的热量、电阻和失真。总之，电磁继电器不适合在开关电容器中使用。
本发明使用计算机化的电子开关技术来提供耐久的、低到不用维
护的、用户好使用的、全时功率因数校正。本发明可以通过690、 480、308、 240和208伏三相电力系统、Y形或A形配置以及50 Hz和60 Hz而工作。可以完成从零到最大额定的功率因数校正。本发明设计为分别感应所有三个相位上相位角，并且向每一相位施加单独的电压相位到电流相位校正。本发明的本实施例可以增量式调节，小到0.17kVAr，每相位多达256个增量步骤。在本发明的替换实施例中，可以增加或减少增量步骤的数目和调节量。通过使用计算机化的电子技术，本发明最小化了开关瞬变，提供了真的或接近真的零交叉。
图1显示了表示发明的本实施例的主要部分的系统框图，在这个实施例中，三相主线路电力IOO连接到逐降变压器101。三相主线路电力100可以是△形或Y形配置。逐降变压器101提供120 VAC电力108。 120 VAC电力108被提供给电源102。
在本实施例中，电源102提供5VDC功率109以向控制器103和计算机或处理器104供电。电流传感器105a、 105b、 105c连接到三相主线路电力100的相位，每一相位具有与其连接的电流传感器105a、b、c。电流传感器105a、 b、 c识别在三相主线路电力IOO的每一相位上测量的电流信号的相位。每一电流传感器105a、 b、 c提供电流信号110a、b、 c给控制器103。电压信号111从电源102发送到控制器103。这个电压信号lll包含来自主线路电力IOO的电压的AC相位信息。控制器103处理接收到的电压信号lll和接收到的电流相位信号110a、 b、 c，并且为主线路电力100的每一相位产生方波电压信号112和方波电流信号113a、 b、 c。在这个实施例中，这些信号112、 113a、 b、 c是方波，但在替换实施例中，这些信号也可以是其他可检测的波形，包括但不限于，锯齿波、三角波、正弦波等。这些信号112、 113a、 b、 c由控制器103提供给计算机104进行处理。计算机104处理并且比较信号112、 113a、 b、 c的相位角。计算机104识别每一电流分量的相位角是否滞后或领先于电压的相位角。 一旦相位角领先或滞后，由计算机104为主线路电力100的每一相位进行识别，计算机104命令开关组SCR A 106a、 SCR B 106b和SCR C 106c接入或切断一组或多组电容器107a、 107b、 107c。在本发明的这个实施例中，每一 SCR 106a、b、 c包括八组的一个或多个SCR，由此，能够为每一相位A、 B和C开或关多达八组不同的电容器。而且，在本实施例中，每一开关SCRA106a、 SCRB 106b和SCR C 106c连接到八个电容器的组或者电容器组107a、 b、 c。每组电容器107a、 b、 c目前由电容值增加的变化电容的电容器构成。例如，典型电容器组107a、 b、 c将包括具有相对较小电容的一组电容器、电容值为第一组的二倍的第二组、电容值为第二组的二倍的第三组，等等， 一共八组电容器。这样，有多达256个不同的电容组合或电容级可供选择用于主线路电力100的每一相位。电容组107a、 b、 c每个都接收主线路电力IOO的一个相位，提供三相电力，其中电流的相位角对准电压的相位角。因此，本发明最小化了电压信号和电流信号之间的相位差引起的电能损失。典型的AC电力工作于50Hz或60Hz，因此，在本发明的这个实施例中，由计算机104进行校正，命令到电容器组107a、 b、 c的开关106a、 b、 c，由此至少每周期一次或每秒50或60次地校正电流和电压信号的相位角。在替换实施例中，对电力相位的相位角的校正可以更频繁或更不频繁地进行，并且需要电力有效对准。传感器105a、 b、 c适合于感应和表现三相主线路电力100的电流分量的特征。典型地，这包括感应电流相位角。控制器103将传感器信号转换成波形，其可以由计算机104进行处理和比较。计算机104执行相位角比较并且控制为三相电力100的每一相位选择电容。如上所述，开关106a、 b、 c从计算机104接收控制信号，按需要开通或关断电容器组107a、 b、 c，以便实现电流的相位角
移动，由此将电流与电压对准。
图2显示了发明的本实施例的功率因数控制方法的顶级流程图。比较电流和电压相位角的方法的这个实施例是在可编程计算机设备104中执行的。典型的这样的计算机104包括处理器；动态和静态存储器；长期存贮设备，诸如磁盘驱动器；输入设备，诸如键盘和/或鼠标；显示设备，诸如CRT或平板显示器；以及输出设备，诸如打印机等。尽管如此，在替换实施例中，计算机可以是不具有专用输入、显示或输出设备的单机处理单元。而且，有可能将向本发明中使用的计算机设备提供网络接口，用于同其他计算设备通信，通信经由专用线路、
电话线、无线RF链路等。本发明使用Pascal编程语言编写，编译以在标准个人计算机上执行。本方法的替换实施例可以用替换语言或汇编或机器代码编写，并且可以在专用计算设备上执行，这都不背离本发明的概念。典型地，但不排他，本方法开始于变量和参数初始化201。用户随后有机会来修改202用于接收到的电流相位角与电压相位角之间的比较的值和触发点。进行每一电流相位角和电压相位角的比较203。如果比较结果是差超过在初始化201过程或修改202过程中设定的参数触发或阈值的话，设置204 SCR为接通或关断合适的电容器组。这个比较203步骤包括接收电流和电压相位角，计算电流和电压相位角之差，以及产生电流和电压相位角之差的数量的值。将该差值与步骤201中初始化或步骤202中修改的值和/或触发点进行比较。值，包括电流和电压的相位角或其他测量值，以及变量和参数，包括触发点，可以随后显示205给用户。处理是连续的，通过返回到修改值的步骤202而重复206，在步骤202，向用户提供修改值的机会。在某些替换配置中，在操作期间，将不执行修改值的步骤202和显示值的步骤205。在这些替换实施例中，这些步骤202和205只在诊断或系统管理员维护期间执行。
提供上述的对本发明的实施例的描述是为了说明和描述发明人当前已知的本发明的最佳模式。其不希望是穷举的或把本发明限制于所公开的精确形式。通过上面的教导，明显的修改或变化都是可能的和可预知的。选择和描述本发明的这个实施例是为了提供对本发明的原理及其实践应用的最佳说明，由此使得本领域普通技术人员能够以各
种实施例以及通过适合于特定使用情况的各种修改而做出和使用本发明。落入权利要求范围内的所有这样的修改和变化，当随后根据其真实、合法和合理授权的宽度解释时，都应该被视为在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于功率因数校正的系统，包括(A)传感器，其接收AC电力线路并且产生传感器输出；(B)控制器，其接收传感器输出并且产生表示电流分量相位角的波形和表示电压分量相位角的波形；(C)计算机，其接收所述电流分量波形和所述电压分量波形，所述计算机比较所述电流分量波形和所述电压分量波形并且产生控制信号；(D)开关，其从所述计算机接收所述控制信号并且产生一组一个或多个选择信号；以及(E)一组或多组电容器的组，其接收AC电力线路和所述一个或多个选择信号并且产生AC输出电力信号，其中所述电压的相位角一般地与所述电流的相位角对准。
2. 如权利要求l所述的用于功率因数校正的系统，其中所述计算 机以不小于所述接收到的AC电力线路的频率的速率来产生所述控制 信号。
3. 如权利要求1所述的用于功率因数校正的系统，其中所述开关 进一步包括八个开关的组，其中每一个都产生选择信号。
4. 如权利要求l所述的用于功率因数校正的系统，其中所述一组 或多组电容器的组进一步包括八组电容器。
5. 如权利要求4所述的用于功率因数校正的系统，其中所述八组 电容器各自都具有不同的电容值。
6. 如权利要求l所述的用于功率因数校正的系统，其中所述计算 机进一步包括数字处理器。
7. 如权利要求l所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括第 二传感器，其接收所述AC电力线路的第二相位。
8. 如权利要求l所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括第二开关，其从所述计算机接收第二控制信号并且产生第二组一个或多 个选择信号。
9. 如权利要求8所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括第 二组的电容器，其接收所述AC电力线路的所述第二相位和所述第二组 一个或多个选择信号。
10. 如权利要求7所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括 第三传感器，其接收所述AC电力线路的第三相位。
11. 如权利要求8所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括 第三开关，其从所述计算机接收第三控制信号并且产生第三组一个或 多个选择信号。
12. 如权利要求ll所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括 第三组的电容器，其接收所述AC电力线路的所述第三相位和所述第三 组一个或多个选择信号。
13. 如权利要求1所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括 逐降变压器，其接收所述AC电力线路并且产生标准120 VAC电力线 路。
14. 如权利要求13所述的用于功率因数校正的系统，进一步包括 电源，其接收所述120 VAC电力线路并且产生适合于对所述控制器和 所述计算机供电的电力信号。
15. 如权利要求1所述的用于功率因数校正的系统，其中所述计 算机进一步包括用于比较电流和电压相位角的程序。
16. 如权利要求15所述的用于功率因数校正的系统，其中所述程序进一步包括包含下列步骤的方法(1) 初始化数据值；(2) 接收电流相位角信息；(3) 接收电压相位角信息；(4) 比较所述电流相位角信息与所述电压相位角信息；(5) 确定所述电流相位角信息与所述电压相位角信息的所述比较 结果是否超过阈值；以及(6) 基于所述确定结果来设置开关，所述开关将一个或多个电容 器电连接到AC电力线路或与之断开。
17. 如权利要求16所述的用于功率因数校正的系统，其中所述方 法进一步包括修改所述数据值。
18. 如权利要求16所述的用于功率因数校正的系统，其中所述方 法进一步包括向用户显示信息。
19. 如权利要求16所述的用于功率因数校正的系统，其中所述方 法进一步包括重复所述的接收电流相位角信息的步骤、所述的接收电 压相位角信息的步骤以及比较的步骤。
全文摘要
一种计算机控制固态开关功率因数校正器，其感应电流和电压的每一相位的相位角，自动将电流相位角与电压相位角对准。该功率因数校正设计为以电力线路的频率进行更新并且提供大量离散校正步骤。
文档编号G01R13/00GK101529258SQ200580042159
公开日2009年9月9日 申请日期2005年12月7日 优先权日2004年12月8日
发明者爱德华·D·威德纳 申请人:特里帕茨系统公司