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PFC的基础知识汇总

h1654155282.3538 来源:电子设计基础 作者:电子设计基础 2021-05-01 17:59 次阅读

PF、PFC、PPFC、APFC 的含义功率因数

(PF)的定义

功率因数(PF)的大小与电路的负荷性质有关,负荷的性质可以粗略的分为三种:电阻性负载,电容性负载以及电感性负载。生活中纯粹的电感性负载和电容性负载很少,更多的是电感和电阻混合型负载(阻感型负载)或电容和电阻混合型负载(阻容型负载)。白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1,一般阻感性负载的电路功率因数都小于 1。生产中最常见的交流异步电动机就是一个阻感性负载,在额定负载时的功率因数一般为 0.7--0.9,如果在轻载时其功率因数就更低。其它设备如工频炉、电焊变压器以及日光灯等,负载的功率因数也都是较低的。

各种负载类型的负荷等效电路如图 1所示:

o4YBAGB-pjOAWtzpAACb_w7QxPM256.png

图1 输入负载等效

图 2 示出了上图中 4 种类型负载的消耗能量的情况:

o4YBAGB-pjmAIJ-WAALmiX7YQKI139.png

图2 负载消耗或者释放能量

在某一时刻既有电压又有电流,根据 P=UI,该时刻负荷产生功率的交换,究竟是吸收功率还是发出功率,要看电压和电流的方向,电压和电流同方向则吸收功率,电压和电流方向相反则发出功率。在图 2 中,将负荷吸收的功率的积分, 也就是从电网吸收的电量画在 t 轴的上半部分;将负荷发出的功率的积分,也就是负荷发送到电网的电量,画在 t 轴的下半部分。图 2中粉红色的面积代表负荷吸收或发送的电量。

由 2 图可以看到,电阻总是向电网吸收电能(表现为粉红色的面积总是在

t 轴的上面),而电容和电感却不是,一会从电网吸取能量,一会向电网提供能量

(表现为粉红色的面积时而在 t 轴的上面,时而在 t 轴的下面),产生这种现象的原因是,电感和电容属于储能设备,本身不消耗能量。但是从发电厂传送到用户之间的供电线是有电阻的,在上面流过电流就会消耗电能。在这个储能放能的过程中,能量都被消耗在了供电线上了。

下面再来分析下二极管以及电容构成的整流电路的功率交换情况。这是一种很常见的结构,在开关电源中用的非常多。二极管只有在输入交流电压比电容电压高时,才能导通,此时才有电流。在输入交流电压比电容电压低时,二极管承受反压而截止。在二极管导通的一小段时间内为了提供整个周期的功率,在这段时间内会有很大的电流,也就是说,AC 源必须在短短的时间内提供够用很长一端时间的能量给设备,这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降。由于供电厂只能产生正弦形式的功率输出,为了达到这个目的,供电厂必须建设远超出正常消耗的供电设备,以维持用电设备的用电。 为了描述这种电容电感导致的,电流和电压不同步的情况,引入功率因数的定义。

功率因数(PF)是用电设备的一个重要技术指标。在交流电路中,电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数,用符号 cosΦ表示,在数值上,功率因数是有功功率 P(P=UIcosΦ)和视在功率 S(P=UI)的比值,即 cosΦ=P/S.如图 1.3 所示。

视在功率 S,有功功率 P,无功功率 Q 之间的关系满足式

P^2 + Q^2 =S^2

o4YBAGB-pj-AUHeQAAGih0qTzqs745.png

功率因数

在纯电阻电路中,电压与电流同相,其功率因数为 1,如图 1.4 所示。对于其他负载来说,其功率因数介于 0 与 1 之间,且多数为感性负载。电压和电流越不同步,计算功率时两者乘积越小。

o4YBAGB-pkSABoqGAAIRAOgUWZY623.png

电阻性负载电压电流波形

在实际中,提高功率因数意味着:

1) 提高用电质量,改善设备运行条件,可保证设备在正常条件下工作,这

就有利于安全生产。

2) 能提高企业用电设备的利用率,充分发挥企业的设备潜力。

3) 可减少线路的功率损失,提高电网输电效率。

4) 因发电机的发电容量的限定,故提高 cosΦ也就使发电机能多出有功功率。

在实际用电过程中,提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。

PFC 电路分类

功率因数低的原因有两个,一种是由电容或电感引起的电流相位偏移,此时电流的波形仍然是正弦波,另一种是有源器件引起的波形失真,如上述的整流桥与电容组成的整流电路,其输入波形并非是正弦波,而是含有多种高次谐波,高次谐波的成分越丰富,幅值越大,电流波形失真越严重,如图 5 所示。在输入电压频率为 50Hz 时,基波频率为 50Hz,2 次谐波为 100Hz,3 次谐波为 150Hz,

n 次谐波为 n*50Hz。

o4YBAGB-pkqAMrrwAAI4egFkfdc649.png

图5 电流波形傅里叶分解

通常失真度可以用 THD 来表示,其计算公式

更多与 THD 的相关的知识请读者自行翻阅资料,在此只给出基本概念。考虑

THD 的影响后,功率因数可以下图 1.6 中公式计算:

o4YBAGB-plGAZfkmAAGzNWzy2x4578.png

图6 PF及THD关系

由上述分析可以看到,对用电设备的友好性可以用 PF 来衡量,很多时候 PF 和 THD 是存在关系的,THD 越大,PF 越低。但 THD 小不意味着 PF 高,还要考虑电流相位的影响。

提高 PF 的电路称为 PFC 电路,PFC 的思路也是分为 2 个:

(1)增加补偿电路,比如负载为电容,就在供电线路上加入电感,这种方法称为无源 PFC,常用于只有相位偏移的场合(电流接近正弦波,或 THD 非常小)。

(2)对于 THD 较大的电路,如开关电源,主要的问题是波形失真,因此不能采用无源 PFC,只能采用其他方法,这些方法统称为有源 PFC。有源 PFC 也分

2 种,一种是 PPFC(被动式 PFC),另一种是 APFC(主动式 PFC)。有时候,将无源

PFC 也归为被动式,这样 PFC 分 P 和 A 两类,P 又包括无源和有源两种。

1.3 PPFC 电路

常用的 PPFC 电路如图下图7 所示,该电路称为逐流电路,该电路结构能在一定程度上提高开关电源的 PF 值。下面分析 PPFC 电路原理:当 VDC 比 2 个电容电压加起来还高时,电流流过 C1,D2,C2,逐流电路充电。当 VDC 比 2 个电容电压并联的电压低时,逐流电路放电,放电电流有两条支路,一条是 C1-负载-D1,另一条是 C2-D3-负载。当 VDC 介于两者之间时,逐流电路既不放电也不充电。流过

C1 的电流可表示为图 8。

pIYBAGB-pleAfLK_AAEhDvlDJ_c830.png

图7 PPFC 图8 电容电流波形

假如没有逐流电路,当 VAC《VDC 时,二极管就会截止,只有 VAC》VDC 时,二极管才导通。加上逐流电路后,当 VAC 小于两个电容电压之和时,二极管依然导通,直到 VAC 小于电容电压,这无形中延长了二极管导通的时间。

假设 VAC 为 220V,VDC 稳定在 200V,那么无逐流电路时,只有 VAC》200V,二极管才导通,有逐流电路时,VAC》100V,二极管就导通。无逐流电路和有逐流电路的电流波形对比图如图 9 所示。

o4YBAGB-pl2AN3RhAAHzu7mGkgI467.png

图9 有无逐流电路电流波形对比图

至此我们将PF,PFC,THD,PPFC普及,下面有空讲APFC,有源功率因数校正。
责任编辑人:CC

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