一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路的制作方法

本实用新型涉及功率因数校正的技术领域，尤其是指一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路。

背景技术：

由于大多数用电设备为阻感性负载，需要从电力系统吸收无功功率，功率因数不高，导致供电设备的容量不能得到充分利用，同时引起电力系统电能损耗增大和供电质量降低。为了提高整个系统的功率因数，通常在系统中添加功率因数校正电路。典型的功率因数校正方法包括无源功率因数校正和有源功率因数校正，无源功率因数校正根据电感电容无功功率互补的特性，通过在感性负载端并联电容的方法来提高电路的功率因数，结构简单。但由于电容容值是固定数值，不能连续变化，故当负载发生变化时，无法实现单位功率因数校正。有源功率因数校正装置虽然能做到实时功率因数校正，但是这些装置的结构复杂，而且成本较高。

近年来，分数阶电容这种新型器件已经成功生产。本实用新型利用分数阶电容阶数和容值均可调的特性，提出采用分数阶电容的实时功率因数校正电路。与现有功率因数校正电路相比，本实用新型不仅能够实现功率因数的实时校正，而且只用了一个可控的分数阶电容元件，结构简单，控制灵活，具有极好的应用前景。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合理、可靠的采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，能有效实现单位功率因数的实时校正。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，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。

所述实时功率因数校正电路的导纳如下：

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：

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：

已知负载阻抗为：

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：

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。

所述分数阶电容的阶数调节范围为0～2。

所述分数阶电容的容值能够连续调节。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过实时检测输入电压和负载电流，调整分数阶电容的容值和阶数，实现单位功率因数实时校正。

2、分数阶电容的阶数和容值连续可调。

3、当分数阶电容的阶数大于1时，分数阶电容不仅可以补偿无功功率，而且还提供了有功功率。

4、只用一个元件实现功率因数校正功能，结构简单。

附图说明

图1为本实用新型的实时功率因数校正电路图。

图2a为本实用新型的实时功率因数校正电路的输入交流侧电压、输入交流侧电流、分数阶电容电流、负载电流向量图之一。

图2b为本实用新型的实时功率因数校正电路的输入交流侧电压、输入交流侧电流、分数阶电容电流、负载电流向量图之二。

图3为本实用新型的实时功率因数校正电路仿真图。

图4为本实用新型采用1.3阶的分数阶电容的实时功率因数校正电路输入电压、输入电流和分数阶电容电流仿真图。

图5为本实用新型采用1.5阶的分数阶电容的实时功率因数校正电路输入电压、输入电流和分数阶电容电流仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的采用分数阶电容的实时功率因数校正电路，包括交流电源1、阶数和容值可控的分数阶电容2、负载3、电压采样器4、电流采样器5和控制器6。交流电源1的A端与分数阶电容2的一端相连，交流电源1的B端与分数阶电容2的另一端相连，负载3的一端与交流电源1的A端相连，负载3的另一端与电流采样器5的一端相连，电流采样器5的另一端与交流电源1的B端相连，电压采样器4的一端与交流电源1的A端相连，电压采样器的另一端与交流电源1的B端相连，电压采样器4的输出和电流采样器5的输出分别与控制器6相连，控制器6的输出与分数阶电容2相连。

本实施例上述实时功率因数校正电路的控制方法为：首先，控制器6将电压采样器4和电流采样器5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2的阶数、容值的大小；当电源电压或负载发生变化时，控制器6根据采样到的电压电流信号，调节分数阶电容2的大小，使得输入电源侧的功率因数达到1，从而实现单位功率因数的实时校正。

图1电路中的阻感性负载由电感L和电阻R_L构成，C_α为并联的分数阶电容。此时电路的导纳：

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。

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

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：

已知负载阻抗为：

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：

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∣，就可以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。分数阶电容的阶数调节范围为0～2，容值能够连续调节。

校正前，分数阶电容功率因数校正电路的输入电压V_s、输入电流I_s、分数阶电容电流I_c和负载电流I_L如图2a所示，显然电路功率因数未达到1。若分数阶电容的阶数不变，增大分数阶电容的容值，从而增大分数阶电容的电流。此时分数阶电容功率因数校正电路的输入电压V_s、输入电流I_s、分数阶电容电流I_c和负载电流I_L如图2b所示，可见电路的功率因数达到1。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可以向负载提供无功功率，而且还提供了有功功率。

图3为本实施例上述实时功率因数校正电路的PSIM仿真系统图。其中负载切换模块用于体现实用新型电路的功率因数实时校正效果；电压、电流信号转换模块将电压信号和电流信号转换为方波信号，便于相位检测；阻抗检测模块用于计算阻抗∣Z∣的大小；分数阶电容用一个受控电流源来实现，输出电流满足：其中C_α为分数阶电容的容值，α为分数阶电容的阶数，α∈(0,2)且α≠1。

按照仿真系统参数，(6)式变为：

式中K_s为电压采样系数，K_i为电流采样系数。K₁、K₂和K₄为比例调节系数，为了便于测量阻抗∣Z∣，令K_sK₁＝1，K_iK₂＝1。K₄＝1/(sin(0.5πα)ω^α)。

选取v_in为100V/50Hz的交流输入电压源来验证该电路，相应的电压采样系数K_s＝0.01，则K₁＝100；电流采样系数K_i＝0.1，则K₂＝10；负载切换前R_L＝30Ω，L＝14mH，负载切换后R_L＝25Ω，L＝14mH；取阶数α＝1.3，则K₄＝6.37×10^-4，仿真得到的输入电压v_in和输入电流i_in以及分数阶电容电流i_cα如图4所示，从图中看出当负载切换时，分数阶电容电流得到实时调节，输入电压和输入电流仍保持同相，电路的功率因数仍为1。若将阶数改为α＝1.5，则K₄＝2.54×10^-4，仿真得到的输入电压v_in和输入电流i_in以及分数阶电容电流i_cα如图5所示，从图中看出当负载切换时，分数阶电容电流得到实时调节，且输入电压和输入电流仍保持同相，电路的功率因数仍为1。仿真结果验证了本实用新型电路的可行性。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。