DE69525441T2

DE69525441T2 - Leistungsfaktorkorrektur

Info

Publication number: DE69525441T2
Application number: DE69525441T
Authority: DE
Inventors: Robert G Wagoner
Original assignee: Franklin Electric Co Inc
Current assignee: Franklin Electric Co Inc
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: US5614812A; DE69525441D1; EP0732797B1; DK0732797T3; EP0732797A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung.
Herkömmliche AC zu DC Konverter mit einem Vollwellenbrückengleichrichter und einem Speicherkondensator sind hinreichend bekannt. Wie außerdem hinreichend bekannt ist, bewirkt ein solcher Konverter, dass die Leitungsspannung nicht sinusförmig ist, wodurch ein Eingangsspannungsfaktor zwischen 0,6 und 0,7 erzeugt wird. Aufgrund dieses relativ schlechten Leistungsfaktors zieht die Schaltung wesentlich mehr Strom, als bei einer ohmschen Last der Fall sein würde (ein Leistungsfaktor von 1,0). Ein Netzgerät mit einem Eingangsleistungsfaktor von 0,6 bis 0,7 ist nachteilig, weil es erheblich weniger Leistung bei einem bestimmten Eingangsstrom liefert, als ein Netzteil mit einem Leistungsfaktor nahe 1,0.
Das Vorerwähnte ist dem Fachmann hinreichend bekannt und Stromversorgungsschaltungen mit Leistungsfaktorkorrekturkomponenten wurden geschaffen.
Die US-A-5,003,454 offenbart eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Entsprechend der gegenwärtigen Erfindung ist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung vorgesehen, mit ersten und zweiten Schaltungsleitungen, die betriebsfähig zur Verbindung mit einem Ausgang eines Verstärkers zur Bereitstellung einer verstärkten DC-Eingangsspannung auf den Schaltungsleitungen sind; einer Spule und einer Diode, die in Reihe in einer der Leitungen geschaltet sind; einem Ausgangskondensator, der parallel zu den Leitungen geschaltet ist, wobei eine DC-Ausgangsspannung repräsentierendes Signal parallel zu dem Ausgangskondensator im Betrieb der Schaltung auftritt und die Spule zwischen dem Verstärker und dem Ausgangskondensator im Betrieb der Schaltung ist; einem Steuerungsschalter mit zwei Spannungsanschlüssen und einem Steueranschluss, wobei die beiden Spannungsanschlüsse parallel zu den Schaltungsleitungen und zwischen die Spule und dem Ausgangskondensator geschaltet sind; Mitteln zur Gewährleistung eines Stromflusses durch den Schalter zur Bereitstellung eines spannungsabhängigen Signals; Oszillatormitteln zur Bereitstellung eines Signals mit einer festen Frequenz, die höher als die Frequenz einer AC-Quelle ist und in Wirkverbindung mit dem Steueranschluss zum Schließen des Steuerungsschalters in jedem Zyklus davon verbunden ist; Mitteln, die auf die Eingangsspannung zur Bereitstellung eines die Eingangsspannung repräsentierenden Signals ansprechen; und Vergleichsmitteln zum Öffnen des Steuerungsschalters, wenn das die Spannung repräsentierende Signal einen definierten Wert basierend auf dem die Eingangsspannung repräsentierenden Signals erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung hat:
Referenzmittel zur Bereitstellung einer DC-Referenzspannung; Summiermittel zum Summieren des die Eingangsspannungsreferenz repräsentierenden Signals und der Referenzspannung und Bilden eines Summiersignals; und Fehlermittel, die auf das Summiersignal und das die Ausgangsspannung repräsentierende Signal zur Bereitstellung eines Fehlersignals ansprechen, das proportional zu der Differenz zwischen dem die Ausgangsspannung repräsentierenden Signal und dem Summiersignal ist, wobei die Vergleichsmittel auf das die Spannung repräsentierende Signal und das Fehlersignal zur Öffnung des Steuerungsschalters ansprechen, wenn das die Spannung repräsentierende Signal einen definierten Wert relativ zu dem Fehlersignal erreicht.
Die vorliegende Erfindung hat also eine solche Schaltung in Kombination mit Verstärkermitteln mit einem Ausgang, der parallel zu den Schaltungsleitungen geklemmt ist und einen Eingang, der mit einer AC-Quelle zur Bereitstellung einer verstärkten DC-Eingangsspannung an den Schaltungsleitungen verschaltbar ist.
Eine Schaltung entsprechend der Erfindung kann weiterhin einen Flip-Flop mit Setz- und Rücksetzeingängen und einem Ausgang haben, wobei der Ausgang mit dem Steueranschluss des Steuerungsschalters verbunden ist, der Rücksetzeingang mit den Vergleichsmitteln verbunden ist und der Setzeingang mit den Oszillatormitteln verbunden ist.
Die auf den Stromfluss ansprechenden Mittel können in Reihe mit dem Steuerungsschalter oder in eine der Schaltungsleitungen oder in den Eingang der Verstärkermittel geschaltet sein.
Die auf die Eingangsspannung ansprechenden Mittel können mit einer der Schaltungsleitungen, z. B. zwischen die Verstärkermittel und die Spule, geschaltet sein.
Die Erfindung wird nun mit Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 - ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Verwirklichung der Erfindung zeigt;
Fig. 2 - ein detaillierteres schematisches Schaltbild der Schaltung zeigt;
Fig. 3 - eine Wertetabelle mit Testergebnissen der Schaltung aus Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 - ein schematisches Schaltbild ähnlich zu Fig. 2, das jedoch eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5 - eine Tabelle ähnlich zu Fig. 3, die jedoch Testergebnisse der Schaltung aus Fig. 5 zeigt;
Fig. 6 - ein Blockschaltbild ähnlich zu Fig. 1, das jedoch alternative Positionen eines Stromsensors zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Mit Bezug zunächst auf die Fig. 1 hat ein Vollwellenbrückengleichrichter 10 seine Eingänge mit Leitungen 11 gekoppelt, die im Betrieb mit einem AC-Eingang 12, wie z. B. einer 230 V-Leitung, während des Betriebs verbunden sind. Ein Eingangsfilterkondensator 13 und/oder 13A ist parallel zu den Eingangsleitungen 11 und/oder parallel zu den Brücken-Ausgangsleitungen 14 und 15 geschaltet. Der Kondensator 13 (13A) ist vorgesehen, um die Spulenbrummspannung zu filtern.
Eine Spule 17 und eine Hochgeschwindigkeitsdiode 18 sind in Reihe in die Leitung 14 zwischen der Brücke 10 und einem DC-Ausgangsanschluss 19 geschaltet. Die andere (Rück-) Leitung 15 ist mit einem Anschluss 19 A und der Masse verbunden. Eine Ausgangsfilter-Kondensatorbank 21 ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 19 und 19 A angeordnet.
Ein Strommodulator ist außerdem vorgesehen, der die vollwellengleichgerichtete Leitungsspannung mißt und bewirkt, dass der Eingangsstrom im wesentlichen sinusförmig und in Phase mit der Leitungsspannung ist. Der Modulator hat einen Halbleiterschalter 16, der in eine Leitung 25 zwischen die Leitung 15 und die Verbindung zwischen der Spule 17 und der Diode 18 geschaltet ist. Wenn der Schalter 26 geschlossen ist, fließt der Strom der Spule 17 hindurch und der Spulenstrom wird durch eine Schaltung 27 gemessen, die in Reihe mit dem Schalter 26 geschaltet ist. Wie in Verbindung mit der Fig. 6 beschrieben wird, kann der Spulenstrom an anderen Orten in der Schaltung gemessen werden. Das Spannungsausgangssignal der Messschaltung 27 ist durch eine Leitung 28 mit dem positiven (nicht invertierenden) Eingang 30 eines Spannungs- Vergleichmittels 29 verbunden, dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang 31 eines Flip-Flops 32 verbunden ist. Der Setzeingang 33 nimmt den Ausgang eines Festfrequenzoszillators 34 auf. Der Q-Ausgang 36 des Flip-Flops 32 ist mit dem Kontrollgatter 37 des Schalters 26 verbunden.
Der negative (invertierende) Eingang 41 des Vergleichsmittels 29 empfängt ein Signal, das charakteristisch zu der Eingangsspannung der Leitung 14 ist. Die vollwellengleichgerichtete Leiterspannung wird durch eine Leitung 42 überwacht, die durch einen Widerstandskondensatorblock 43 mit einem Summiermittel 44 verbunden ist, das außerdem eine Referenzspannung auf einer Leitung 46 erhält. Ein Fehlerverstärker 47 hat seinen positiven Eingang 48 verschaltet, um den Summenausgang des Summiermittels 44 zu empfangen, und hat seinen Ausgang 49 mit dem Eingang 41 des Vergleichsmittels 29 verschaltet. Die DC-Ausgangsspannung wird außerdem durch eine Leitung 51 überwacht, die mit dem Ausgangsanschluss 19 verbunden ist, wobei die Leitung 51 durch einen Spannungsteilerblock 52 mit dem negativen Eingang 53 des Fehlerverstärkers 47 verschaltet ist. Ein Widerstandskondensatorblock 54 ist in einer Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang 49 und dem Eingang 53 gekoppelt. Die drei Blöcke 43, 52 und 54 stellen die Amplitude und Phase der Spannungen ein.
Bezüglich des Betriebs der Schaltung wird angenommen, dass die Leitungen 11 mit einer AC-Leitungsspannungsversorgung 12 verbunden sind und dass die Ausgangsanschlüsse 19 bis 19 A mit einer DC-Last, wie z. B. einem Inverter oder einem Motor mit variabler Geschwindigkeit verbunden ist. Wenn der Schalter 26 offen ist, fließt Strom durch die Brücke 10, die Leitungen 14 und 15, die Spule 17 und die Diode 18 und lädt den Kondensator 21. Das Signal des Oszillators 34 hat eine höhere Frequenz (z. B. 10 kH bis 100 kH, wobei ein größerer Bereich auch akzeptabel sein kann) als die Spannungsleitungsfrequenz, und jeder Zyklus des Oszillators 34 setzt das Flip-Flop 32 und schaltet den Schalter 26 an (schließt). Mit dem geöffneten Schalter 26 wird der Strom der Spule 17 durch den Schalter 26 und das Strommeßgerät 27 abgeleitet. Die Diode 18 verhindert, dass sich der Kondensator 21 durch die Leitung 25 entlädt. Wenn das den Strom charakterisierende Spannungssignal auf der Leitung 28 das Spannungssignal an dem Eingang 41 überschreitet, schaltet das Ausgangssignal des Vergleichsmittels 29 und setzt das Flip-Flop 32 zurück, wobei der Schalter 26 ausgeschaltet und der Stromfluss durch die Leitung 25 gestoppt wird. Da die Frequenz des Oszillators 34 sehr viel höher ist, als die Leistungsleitungsfrequenz, kann der Schalter 26 mehrfach in jedem Zyklus der Leitungsspannung an- und ausgeschaltet werden.
Das Spannungssignal an dem Eingang 41 ist charakterisierend für die Eingangsspannung auf der Leitung 14. Das Spannungssignal von der Leitung 14 wird durch den Block 43 modifiziert und mit der Referenzspannung auf der Leitung 46 summiert. Die DC-Ausgangsspannung auf der Leitung 51 und die Spannung des Summierers 44 wird zu dem Fehlerverstärker geführt und der Fehler oder die Differenz wird zu dem Eingang 41 des Vergleichsmittels 29 geleitet. Wenn die Spannung an dem Eingang 30 die Spannung an dem Eingang 41 erreicht, wird der Schalter 23 geöffnet. Dadurch wird durch Modulieren der Spannung (durch Öffnen und Schließen des Schalters 26) mit einem die Leitungsspannung charakterisierenden Signal bewirkt, das die Stromwellenform der Spannungswellenform folgt.
Die Fig. 2 zeigt ein spezifisches Beispiel der Schaltung aus der Fig. 1 mit Werten der Komponenten und Typenbezeichnungen einiger Komponenten. Für die in der Fig. 2 gezeigten Komponente, die offensichtlich Entsprechungen in der Fig. 1 haben, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Gleichrichterbrücke 10 ist in der Fig. 2 nicht dargestellt, würde aber natürlich wie in der Fig. 1 gezeigt ausgebildet sein, und auch der Kondensator 13 kann vorgesehen sein.
Der UC 1842-Chip 61 enthält den Oszillator 34, das Flip-Flop 32 und das Vergleichsmittel 29. Der Chip 61 wird durch ein separates Netzteil (wie z. B. eine 15 V Quelle) versorgt, die mit einer Leitung 60 verbunden ist. Die Leitung 62 hat eine Spannung, die den Spulenstrom durch den Schalter 26 und die parallelen Widerstände 63 charakterisiert, wodurch der Stromsensor 27 gebildet ist.
Der Chip liefert außerdem die Referenzspannung an der Leitung 46, die z. B. eine 5 V-Gleichspannung sein kann und die mit dem Summiermittel 44 verbunden ist. Der Ausgang des Flip-Flop ist mit dem Schalter 26 durch einen Widerstand 64 und eine IN 914-Diode 65 verbunden. Der Schalter 26 ist z. B. ein IRFP450-Halbleiterschalter.
Der Block 43 (Fig. 1) ist durch zwei Widerstände 67 und 68 und einen Kondensator 69 gebildet. Der Block 54 ist durch einen Widerstand 171 und einen Kondensator 72 gebildet. Der Block 52 ist durch zwei Widerstände 73 und 74 gebildet, die einen Spannungsteiler zwischen den Ausgangsanschlüssen 19 und 19 A bilden. Die Widerstände 67 und 68 bilden natürlich ebenfalls einen Spannungsteiler, aber sie sind parallel zu den Eingangsleitungen 14 und 15 geschaltet.
Der Fehlerverstärker 47 ist ein LM 358 Operationsverstärker und die Diode 18 ist eine HFA15TB60. Die Spule 17 hat eine Induktivität von z. B. annähernd 400 uH.
Die Fig. 3 zeigt Testdaten für die Schaltung aus der Fig. 2, wobei zu erkennen ist, dass der Leistungsfaktor besser als 0,952 über einen ziemlich breiten Bereich der Eingangsspannungen ist.
Die Fig. 4 zeigt eine Schaltung ähnlich zu der aus der Fig. 2, aber mit überlegenen Testergebnissen, wie durch die Tabelle der Fig. 5 dargestellt ist.
Die meisten Komponenten der beiden Schaltungen sind die gleichen und daher werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Unterschiede sind:
Der Widerstand 68 aus der Fig. 4 beträgt 2 kΩ, wohingegen der Widerstand 68 aus der Fig. 2 20 kΩ beträgt; der Widerstand 71 aus der Fig. 2 ist in der Schaltung aus der Fig. 4 eliminiert; und eine Diode 47A ist in der Schaltung aus der Fig. 4 zwischen dem Fehlerverstärker 47 und dem Vergleichseingang des Chips 61 eingefügt. Der geringere Wert des Widerstands 74 in der Fig. 4 verbessert den Leistungsfaktor, wie in der Fig. 5 gezeigt, (der Leistungsfaktor ist größer als 0.970 über einen weiten Bereich der Spannungen) und vergrößert den Wert des Widerstands 71 ins Unendliche zur Verbesserung der Spannungsregulierung des DC-Ausgangs.
Die Fig. 1, 2 und 4 zeigen Schaltungen, wobei der Spulenstrom durch einen Sensor detektiert wird, der in Reihe mit dem Schalter 26 geschaltet ist. Da die Schaltung nur bei dem Spitzenspulenstrom arbeitet, kann der Spulenstrom auch an anderen Stellen, wie durch die gestrichelten Kästen 27A bis 27F in der Fig. 6 dargestellt, gemessen werden. Die Strommeßschaltung kann komplexere Anordnungen an einigen Stellen erfordern. Für die Stellen 27E und 27F müßten die Kondensatoren 13 und 13A klein sein und eine Vollwellengleichrichtung müßte zu dem Stromsignal hinzugefügt werden. Variationen und Änderungen können im Rahmen des Bereichs der beigefügten Ansprüche gemacht werden. Z. B. können in der Schaltung aus der Fig. 1 die Eingänge zu den Vergleichsmitteln 29 umgekehrt werden, wenn die Eingänge des Flip-Flops 32 im aktiven Zustand tief sind.
Es wird aus dem vorstehenden deutlich, dass eine neue und nützliche Leistungsversorgung mit einer Leistungsfaktorkorrektur geschaffen wurde. Die Schaltung beinhaltet eine Boostertopologie, die mit einer festen Frequenz im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus arbeitet. Der Schalter 26 wird so betätigt, dass der Spulenstrom der Eingangsspannung folgt oder damit gleichläuft. Die Ausgangsspannung wird außerdem gemessen und als eine äußere Kontrollschleife verwendet. Die Schaltung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil Sie relativ einfach ist und die Größen der Spule 17 und des Kondensators 21 relativ klein sind, wodurch die Gesamtkosten des Systems reduziert sind. Verglichen mit einer Standard-Front-End-Schaltung kann die Größe des Kondensators 21 relativ klein gehalten werden, da sein pulsierender Strom relativ gering ist, wenn der Eingangsleistungsfaktor nahezu 1,0 ist. Die Kapazität kann reduziert werden und die Brummspannung wird im wesentlichen die gleiche sein wie in einer Standard-Front-Feld-Schaltung. Die Diodenbrücke 10 kann einen reduzierten Stromnennwert aufgrund des nahezu gleichförmigen Leistungsfaktors haben.

Claims

1. Leistungsfaktorkorrekturschaltung mit ersten und zweiten Schaltungsleitungen (14, 15), die betriebsfähig zur Verbindung mit einem Ausgang eines Verstärkers (10) zur Bereitstellung einer verstärkten DC- Eingangsspannung auf den Schaltungsleitungen (14, 15) sind; einer Spule (17) und einer Diode (18), die in Reihe in eine der Leitungen (14) geschaltet sind; einem Ausgangskondensator (21), der parallel zu den Leitungen (14, 15) geschaltet ist, wobei eine DC-Ausgangsspannung repräsentierendes Signal parallel zu dem Ausgangskondensator (21) im Betrieb der Schaltung auftritt und die Spule (17) zwischen dem Verstärker (10) und dem Ausgangskondensator (21) im Betrieb der Schaltung ist; einem Steuerungsschalter (26) mit zwei Spannungsanschlüssen und einem Steueranschluss (37), wobei die beiden Spannungsanschlüsse parallel zu den Schaltungsleitungen (14, 15) und zwischen die Spule (17) und den Ausgangskondensator (21) geschaltet sind; Mitteln (27) zur Gewährleistung eines Stromflusses durch den Schalter (26) zur Bereitstellung eines spannungsabhängigen Signals; Oszillatormitteln (34) zur Bereitstellung eines Signals mit einer festen Frequenz, die höher als die Frequenz einer AC-Quelle (12) ist und in Wirkverbindung mit dem Steueranschluss (37) zum Schließen des Steuerungsschalters (26) in jedem Zyklus davon verbunden ist; Mitteln (42), die auf die Eingangsspannung zur Bereitstellung eines die Eingangsspannung repräsentierenden Signals ansprechen; und Vergleichsmitteln (29) zum Öffnen des Steuerungsschalters (26), wenn das die Spannung repräsentierende Signal einen definierten Wert basierend auf dem die Eingangsspannung repräsentierenden Signals erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung hat: Referenzmittel (46) zur Bereitstellung einer DC-Referenzspannung;

Summiermittel (44) zum Summieren des die Eingangsspannungsreferenz repräsentierenden Signals und der Referenzspannung und Bilden eines Summiersignals; und

Fehlermittel (47, 48, 49, 51, 52, 53, 54), die auf das Summiersignal und das die Ausgangsspannung repräsentierende Signal zur Bereitstellung eines Fehlersignals ansprechen, das proportional zu der Differenz zwischen dem die Ausgangsspannung repräsentierenden Signal und dem Summiersignal ist, wobei die Vergleichsmittel (29) auf das die Spannung repräsentierende Signal und das Fehlersignal zur Öffnung des Steuerungsschalters (26) ansprechen, wenn das die Spannung repräsentierende Signal einen definierten Wert relativ zu dem Fehlersignal erreicht.

2. Schaltung nach Anspruch 1 in Kombination mit Verstärkungsmitteln (10) mit einem Ausgang, der parallel zu den Schaltungsleitungen (14, 15) geschaltet ist und einen mit einer AC-Quelle (12) verschaltbaren Eingang zur Bereitstellung einer verstärkten DC-Eingangsspannung auf den Schaltungsleitungen hat.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit einem Flip-Flop (32) mit Setz- und Rücksetzeingängen (33, 31) und einem Ausgang (36), wobei der Ausgang (36) mit dem Steueranschluss (37) des Steuerungsschalters (26) verbunden ist, wobei der Rücksetzeingang (31) mit den Vergleichsmitteln (29) und der Setzeingang (33) mit den Oszillatormitteln (34) verbunden ist.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das stromflussbereitstellende Mittel (27) in Reihe mit dem Steuerungsschalter (26) geschaltet ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das stromflussbereitstellende Mittel (27B oder 27C oder 27D) in eine der Schaltungsleitungen (14 oder 15) geschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3 in Abhängigkeit von Anspruch 2, wobei das stromflussbereitstellende Mittel (27I oder 27F) mit dem Eingang der Verstärkungsmittel (10) verbunden ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (42), die auf die Eingangsspannung ansprechen, mit einer der Schaltungsleitungen (14) verbunden ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7 in Abhängigkeit von Anspruch 2, wobei die Mittel (42), die auf die Eingangsspannung ansprechen, mit eine der Schaltungsleitungen (14) zwischen den Verstärkungsmitteln (10) und der Spule (17) verbunden sind.