功率因數(shù)校正與實(shí)現(xiàn)

北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路秋生 石紅梅

一、不良功率因數(shù)的產(chǎn)生原因

開關(guān)電源的輸入端通常采用如圖1所示的由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路，22OV交流輸入市電整流后直接接電容器濾波，以得到波形較為平滑的直流電壓。

但是由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路是一種非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合，雖然交流輸入市電電壓的波形Vi是正弦的，但是整流元件的導(dǎo)通角不足18Oo，一般只有6O°左右，導(dǎo)致輸入交流電流波形嚴(yán)重畸變，呈圖1所示的脈沖狀。由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路主要存在如下的問題[1]。

（一）啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊電流，約為正常工作電流的十幾倍至數(shù)十倍。

（二）正常工作時(shí)，由于整流二極管的導(dǎo)通角很小，形成一個(gè)高幅度的窄脈沖，電流波峰因數(shù)（CF）高、電流總諧波失真（THD）通常超過1OO%，同時(shí)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。

（三）功率因數(shù)（PF）低，一般在O.5～O.6左右。

脈沖狀的輸入電流含有大量的諧波成份，但是交流輸入電流中只有基波電流才做功，其余各次諧波成份不做功，即各次諧波成份的平均功率為零，但是大量的諧波電流成份會(huì)使電路的諧波噪聲增加，需在整流電路的輸入端增加濾波器，濾波器即貴、體積和重量又大。同時(shí)大量諧波電流成份倒流入電網(wǎng)，會(huì)造成電網(wǎng)的諧波“污染”。一則產(chǎn)生“二次效應(yīng)”，即諧波電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，諧波電壓降反過來又會(huì)使電網(wǎng)電壓波形（原來是正弦波）發(fā)生畸變，二則會(huì)造成輸入電流有效值加大，使線路和變壓器過熱，同時(shí)諧波電流還會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振，或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過電流而發(fā)生爆炸。對(duì)三相交流供電，由于大量的諧波電流成份還會(huì)使中線電位偏移，中線電流過電流而發(fā)生故障等。感性負(fù)載或容性負(fù)載都會(huì)使交流輸入電壓、電流產(chǎn)生附加相移，使線路功率因數(shù)降低，電能利用率降低；非電阻性負(fù)載還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波失真，對(duì)電網(wǎng)造成干擾。

雖然輸入的電壓波形為正弦波，但是輸入的電流波形為非正弦波，呈現(xiàn)脈沖狀，其電流脈沖的持續(xù)時(shí)間只有交流輸入電流周期的1O%～2O%。

由于在由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路中電流的升降速度比輸入電壓的升降速度快，并且輸入電流的不連續(xù)性，所以產(chǎn)生了一系列如圖2所示的奇次諧波[3]，導(dǎo)致供電線路功率因數(shù)降低至O.6～O.7左右，所以線路不良功率因數(shù)主要來源于輸入電流波形的畸變。

從圖2可以看出，偶次諧波電流成份的幅度很小，這是由于正弦波的正負(fù)半波對(duì)稱，偶次諧波電流成份幾乎被抵消了，只剩下了奇次諧波電流成份的原因。在圖2中假定基波電流成份的幅度為1OO%，其它諧波電流成份的幅度被表示成了它占基波電流成份的百分比數(shù)。

圖1 全波橋式整流電路的電流和電壓波形

圖2 采用付立葉級(jí)數(shù)分析得到的輸入電流諧波成份圖

圖3 圖矢量

圖5 電路對(duì)比

二、功率因數(shù)PF的定義

功率因數(shù)PF的定義如公式（1）所示。

三、理想正弦波的討論

在這種情況下假定輸入的電流和電壓波形均為正弦波形，對(duì)輸入電流和電壓波形的相位移定義為 ，這可以用矢量圖3表示[1]。

對(duì)正弦交流輸入市電，交流輸入電流無波形失真時(shí)電路的功率因數(shù)可以用公式（2）表示。

四、非理想正弦電流波形

假定輸入交流市電電壓波形為理想正弦波，有效值可以用公式（3）表示。

如果輸入電流為非正弦的周期電流波，通過傅立葉級(jí)數(shù)變換有公式（4）成立。

式中IO為直流電流成分，I1RMS為基波電流有效值成分，I2RMS-InRMS為2～n次正弦諧波電流有效值成分，對(duì)正弦交流電而言，IO=O，而基波電流I1RMS由不同相位的I1RMSP和9O°相位差的基波電流成份I1RMSQ構(gòu)成。所以，交流總輸入電流的有效值可以利用公式（5）表示。

有功功率可以用公式（6）表示。

由于 表示交流輸入電壓與交流輸入基波電流之間的相位移，即：

這樣有公式（8）和公式（9）成立。

功率因數(shù)可以利用公式（1O）表示。

k表示諧波電流波形失真因數(shù)，系數(shù)k是一個(gè)和電流諧波成份有關(guān)的系數(shù)，如果交流輸入電流2次以上的諧波電流成份為O，有系數(shù)k=1。如果諧波電流波形失真用一個(gè)相位角θ有關(guān)的參數(shù)表示表示，有公式（12）成立。

這樣，功率因數(shù)PF和幾波電壓和基波電流相位移角 、諧波電流波形失真等有關(guān)功率成份之間的關(guān)系可以利用圖4表示。

在圖4中， 表示基波電流和電壓之間的相位差，θ表示和諧波電流有關(guān)的失真角，無功功率Q和失真功率D均會(huì)使輸入同樣有功功率的情況下輸入更大的交流電流有效值，從而產(chǎn)生額外的功耗，降低供電回路的供電效率?？梢姡梢酝ㄟ^以下途徑提高電路的功率因數(shù)PF。

（一） →O →1 降低I1RMS和V之間的相位移；

（二）θ→O →1 降低交流輸入電流IRMS總的諧波電流成份。

五、諧波電流的主要來源

通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生諧波電流的主要來源有以下幾種[2]。

（一）開關(guān)電源；

（二）調(diào)光裝置；

（三）電流調(diào)節(jié)裝置；

（四）頻率變換器；

（五）脈沖寬度調(diào)制的電源變換器；

（六）低功率燈；

（七）電弧爐；

（八）電焊機(jī)；

（九）由于磁芯飽和而導(dǎo)致不規(guī)則磁化電流的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；

（十）由于開關(guān)裝置與/或具有非線性V/I特性的負(fù)載等。

六、諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害

脈沖狀的交流輸入電流波形中含有大量的諧波電流成分，大量的諧波電流倒流入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成“污染”，供電電網(wǎng)中的諧波電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生以下不利影響。

（一）諧波電流的“二次效應(yīng)”，即諧波電流流過線路阻抗而造成的諧波電壓降反過來會(huì)使電網(wǎng)電壓波形（原來是正弦波）發(fā)生畸變。

（二）過大的諧波電流會(huì)引起供電線路故障，從而損壞用電設(shè)備。例如過大的諧波電流會(huì)使線路和配電設(shè)備過熱，諧波電流還會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振，或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過電流、過熱而導(dǎo)致電容器損壞。

（三）在三相四線制電路中，三次諧波在中線中的電流同相位，導(dǎo)致合成中線電流很大，有可能超過相線電流，中線又無保護(hù)裝置，使中線因過電流而導(dǎo)致中線過熱引起火災(zāi)，并損壞電氣設(shè)備。

（四）諧波電流對(duì)自身及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生惡劣的影響，例如會(huì)引起電子設(shè)備的誤動(dòng)作和電子設(shè)備的故障等。

由于目前開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，由此產(chǎn)生的輸入電流高次諧波成分的問題不容忽視，因此功率因數(shù)校正技術(shù)的應(yīng)用顯得十分迫切。

七、功率因數(shù)校正的常用方法

常用功率因數(shù)校正電路按工作原理劃分主要有以下2類。

（一）無源功率因數(shù)校正電路

無源功率因數(shù)校正電路利用電感和電容等元器件組成濾波器，將輸入電流波形進(jìn)行相移和整形，采用這種方法可使功率因數(shù)（PF）達(dá)O.9以上。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，適用于小功率應(yīng)用場(chǎng)合。缺點(diǎn)是在某頻率點(diǎn)可能產(chǎn)生諧振而損壞用電設(shè)備。

（二）有源功率因數(shù)校正電路

有源功率因數(shù)校正電路的基本工作原理是利用控制電路強(qiáng)迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形而實(shí)現(xiàn)交流輸入電流正弦化，并與交流輸入電壓同步。其中關(guān)鍵電路是乘法器和除法器，有源功率因數(shù)校正電路的特點(diǎn)是：

1.功率因數(shù)高，PF可達(dá)O.99以上；

2.總諧波失真低，THD<1O%；

3.交流輸入電壓范圍寬，交流輸入電壓范圍可達(dá)9O～27OVAC；

4.輸出電壓穩(wěn)定；

5.所需磁元件小。

有源功率因數(shù)校正電路的缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，由于有源功率因數(shù)校正電路的引入，降低了電路的總體工作效率，并且電磁輻射干擾（EMI）較大。

八、提高電源功率因數(shù)的意義

（一）用戶和供電部門都會(huì)從高功率因數(shù)中獲益

例如，功率因數(shù)為1的22OV標(biāo)準(zhǔn)交流市電供電，在降低至最低85V時(shí)需為負(fù)載提供15A的有功供電電流，當(dāng)電路的功率因數(shù)降低至O.6時(shí)只能為負(fù)載提供9A的有功供電電流。例如，同樣一個(gè)壁式電源插座，功率因數(shù)為1時(shí)可為4臺(tái)功率為28OW的電器設(shè)備供電，當(dāng)功率因數(shù)為O.6時(shí)僅可以為2臺(tái)功率為28OW的電器設(shè)備供電。功率因數(shù)低意味在為負(fù)載提供同等功率的情況下要提供更大的電流，因而供電線路的損耗要加大，并且供電線路導(dǎo)線的線徑也要加大，使供電線路的供電效率降低，而需多提供的功率和諧波電流成份有關(guān)。同時(shí)由于交流輸入電流的波形失真而引入的諧波電流還會(huì)致使交流市電過零檢測(cè)電路不能正常工作，在零線產(chǎn)生過電流和過電壓。

目前在歐盟和美國(guó)已對(duì)電器設(shè)備的功率因數(shù)這個(gè)技術(shù)指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求，規(guī)定在歐盟銷售的功率大于75W的電器設(shè)備，要求它們的功率因數(shù)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EN61OOO-3-2（IEC61OOO-3-2）的要求，否則不能進(jìn)入歐洲市場(chǎng)，同樣在美國(guó)也做出了類似的技術(shù)要求。在EN61OOO-3-2（IEC61OOO-3-2）中對(duì)用電設(shè)備的供電輸入高至39次的諧波電流幅度做出了限制要求，所以，今后的電子產(chǎn)品如不能滿足有關(guān)功率因數(shù)技術(shù)指標(biāo)要求則不能進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)[2]。

（二）下游變換器的元器件成本降低

在同等輸出功率的情況下如果采用了PFC電路，對(duì)下游變換器的功率開關(guān)管的技術(shù)要求也要低些，例如對(duì)下游變換器功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻的要求就可以低些。同時(shí)，采用PFC電路后下游變換器的功率變壓器的體積可以小些，導(dǎo)線線徑也可以小些，采用有源PFC電路后由于穩(wěn)壓范圍寬（85VAC～265VAC），所以也可以省掉11O/22OVAC的電源選擇開關(guān)，也可以在不加大濾波電容器容量的情況下提高供電電路的保持時(shí)間。

（三）有源功率因數(shù)校正電路對(duì)電網(wǎng)的影響

當(dāng)然功率因數(shù)校正電路會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)電網(wǎng)的高頻諧波干擾，對(duì)這些高頻諧波干擾需設(shè)計(jì)專門的EMI和RFI濾波器（如圖5所示）加以濾除[4]，圖5表示采用了有源功率因數(shù)校正和沒有采用功率因數(shù)的電路對(duì)比，實(shí)用中需根據(jù)具體技術(shù)要求選用PFC電路結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的工作模式。

九、結(jié)論

由于對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量要求越來越高，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)需考慮IEC 555-2和IEC61OOO-3-2標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)技術(shù)要求，采用功率因數(shù)校正技術(shù)的開關(guān)電源可以很好的改善開關(guān)電源的技術(shù)性能，同時(shí)采用有源功率因數(shù)校正后，開關(guān)電源的供電直流電壓更為穩(wěn)定，還可以省掉11O/22OVAC交流輸入市電電壓選擇開關(guān)。

[1]L.Wuidart.Application note understanding power factor[Z].AN824/1003,2003,www.st.com.

[2]路秋生.功率因數(shù)校正技術(shù)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,ISBN7-111-18381-9,2006,02:1-10.

[3]AND8147/D An Innovation Approach to Achieving Single Stage APFC and Step-down Conversion for Distributive Systems On Semiconductor.

[4]AND8124/D 90W,Universal Input,Single Stage,APFC Converter On Semiconductor.