电感性负载电路及功率因数的提高
一．实验目的
1． 掌握正弦交流电路中电压、电流的相量关系。
2． 了解电感性负载并联电容器提高功率因数的原理，从而认识提高功率因数的意义。 3． 学习用实验方法求取线圈的参数。 4． 学习功率表的正确使用方法。
二．实验原理
1．电源设备的容量是视在功率S ＝UI ，而其输出的有功功率P 为UIcos ?,为了充分利用电源设备的容量，就要求提高电路的功率因数?cos ；另外，当负载的有功功率P 和电压U 一定时，功率因数越高，输出电线路中的电流?
Ucos P
＝
I 就越小，在输电线路电阻上消耗的
功率也就越小，因此提高功率因数对电力系统的运行十分重要，有很大的经济意义。
用电设备中，多数是电感性负载，例如工业中广泛应用中的三相异步电动机、照明用的日光灯等。本实验用变阻器R 与带铁心线圈（r 、L ）相串联，模拟电感性负载，如图3.1（开关S 未合上）所示。
i
C
i
C
I &
&
图3.1 电阻及电感串联电路 图3.2电感性负载并C 后各电流的相量图
一般电感性负载功率因数较低，通常用并联适当的补偿电容器来提高电路的功率因数。
并联电容后，虽然电感性负载支路的电流不变，但这个感性电流与电容支路的容性电流相补偿，使电路总电流可以减小，功率因数可以提高。图4.3.2是由电感性负载并联电容后（图3.1中开关S 己合上），各电流的相量图（以U &为参考相量）。 如果感性负载电路的功因率数从?cos 提高到?'cos 则所需并联电容器的电容值可按
下式计算：(F) )tan -(tan ωU P
C 2
??'= 式中50Hz)( π 2ω==f f ，U —电源电压（V ）
，P —电路消耗的有功功率（W ）。
本实验中电容器采用电容箱，其示意图3.3。为使用方便每个电容连接一个开关，几个电容并联后，其总电容为各电容值之和。
图3.3
电容箱示意图
2．本实验测量电流时，借用辅助设备—电流插座和插头，如图4.3.4所示。三路电流插座是独立的，见图4.3.4（a ），可分别接入被测电流支路，电流插头与一个电流表相接，见图4.3.4（b ），当需测量某一支路电流时，可用电流插头插入电流插座的两接触铜片间，电流就流经电流表而测得所需支路电流。
ο
οοοοο12
4
（a ） （b ）
图3.4 三路电流插座及电流插头
（a ）电流插座 （b ）电流插头
1－电流插座板 2－电流插座接触铜片 3－电流插头 4－插头引出线 5－绝缘材料
3．功率的测量，采用电动式单相功率表（其原理见有关教材），它是多量程的，一般有三档或四档电压量程，两档（串联或并联）电流量程。使用时应根据被测电路中电流及电压的大小，分别选用合适的电流、电压量程，不能根据功率大小来选择。
由于功率表是多量程的，所以它的标度尺上只标有分格数，当选用不同的电流和电压量程时，每一分格代表不同的瓦特数。为此，在使用功率表时，要注意被测量的实际值与指针示值之间的换算关系。假定测量时功率表指针读数为X （格），则被测实际功率的数值（单位为W ）为：P ＝CX
其中C 为功率表的分格常数，单位是W ／格
m
m m X I U C ?=
式中m X ——功率表标度尺的满刻度格数
m U ——所使用的电压线圈的额定值（此值常标注在电压线圈的接线端钮旁） m I ——所使用的电流线圈的额定值（此值常标注在电表盒盖内） 功率表电流及电压端子上标有符号＊（或±）端是同名端（或称对应端），即为两个线圈的始端，接线时应联接在电源的同一端，其正确接法见 4.3.5（a ）、（b ）；4.3.5（c ）为错误接法，其中有一个线圈反接，指针将反向偏转。
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
定稿日期：２００８－０２－１８ 作者简介：黄海宏（１９７３－），男，江西省清江人，副教授， 研究方向为电力电子和传动方面。 １引言 直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。通常情况下，整流电源的作用是ＡＣ／ＤＣ变换，在对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，以保证直流负荷不停电。目前，直流操作电源普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，易与阀控密封铅酸蓄电池组一起组成直流电源成套装置。由于开关电源输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流 呈尖脉冲状，功率因数通常只有０．６～０．７， 会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其他用电设备，使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，电力用开关电源需加功率因数校正电路。 ２有源功率因数校正基本原理 目前，功率因数校正有无源功率因数校正（ＲＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两种。ＲＰＦＣ方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到０．９以上，一般用于三相输入的大功率开关电源模块［１］。 ＡＰＦＣ的基本思路是在输入端加入高频功率开 关管及相应的控制器，如图１所示。控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出ｕｏ（ｔ）与输入整流后的电压ｕＡＣ（ｔ） 相乘，得到一个电流参考信号ｉｒｅｆ（ｔ） ，用于控制功率管ＶＴ的导通和关断，使得电感Ｌ电流ｉＬ波形跟踪 ｉｒｅｆ（ｔ）波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形，成为与输入电压同相位的近似正弦波，而且可使功率因数接近于１，同时使输出电压ｕｏ（ｔ）得到控制［２］。目前，国内ＡＰＦＣ方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用ＵＣ３８５４作为ＡＰＦＣ的控 制用集成电路较为普遍。 ３数字控制ＡＰＦＣ电路 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速发展。数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在ＣＰＵ计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，即使在控制对象改变的情况下，也无需修改控制器硬件，而只需修改某些参数，因此增强了系统的兼容性。由于数字控制所采用的ＣＰＵ计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在的数字控制多被用于 数字控制有源功率因数校正器的设计 黄海宏１，王海欣１，高 格２，付 鹏２ （１．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９；２．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备，它可为负载提供不间断电源，因此要求应用于直流电源的高频开关 电源模块必须具备功率因数校正功能。利用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ新型号ＭＣ５６Ｆ８０２５的高性能特性，完成了基于ＤＳＰ的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ， 简称ＡＰＦＣ）电路的设计，描述了系统设计过程。最后通过２．２ｋＷ的实验样机验证了数字控制的优良特性。 关键词：功率因数；数字控制／有源功率因数校正；开关电源；软开关中图分类号：ＴＭ７１４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０５－００１７－０３ ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒ ＨＵＡＮＧＨａｉ－ｈｏｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｘｉｎ１，ＧＡＯＧｅ２，ＦＵＰｅｎｇ２ （１．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｃａｎｓｕｐｐｌｙｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｆｏｒｌｏａｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｍｕｓｔｈａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｎｅｗＤＳＰｃｈｉｐＭＣ５６Ｆ８０２５，ａｄｉｇｉｔａｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔｌａｓｔａ２．２ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ 图１有源功率因数校正电路框图 １７
学号14051400645 毕业设计（论文） 题目：单相功率因数校正电路的仿真研究 作者王任届别2009届 系别机械与电气工程系专业自动化 指导教师荣军职称讲师 完成时间2009年5月21日
摘要 现代开关电源技术所面临的最重要课题之一就是功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)。在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。本文叙述了有源功率因数校正(APFC)的原理和方法，对硬开关和软开关主电路的主要元器件参数进行设计，并在软件环境下搭建了功率因数校正电路Boost变换器与Boost-ZVT变换器的仿真模型，分别对输入电压与输入电流、开关管驱动波形、输出电压与输出电流进行仿真，并对仿真结果进行分析和比较，指出了它们各自的优点与缺点。 关键词：开关电源；功率因数校正；OrCAD/PSpice仿真
ABSTRACT One of the most important issue in modern switching power technology is the Power Factor Correction(PFC). Among a variety of single-phase PFC circuit, Boost boost power factor correction has been widely used as a result of the simplicity of the main circuit structure, high conversion efficiency and easy control strategy achievement. This paper considers the principle and method of the Active Power Factor Correction(APFC) and designs the parameters of main circuit components of hard switching and soft switching. Meanwhile, it establishs the PFC Boost converter circuit and the Boost-ZVT converter simulation model by utilizing software. Moreover, it simulates the waveform of input voltage and current together with the drive waveform of the switch tube and the waveform of output voltage and output current respectively. At last, it analyzes the simulation results, then makes a comparison, pointing out their advantages and disadvantages respectively. Key words: Switching Power; PFC; OrCAD/PSpice simulation
功率因数补偿 功率因数补偿概述 功率因数补偿的理论分析 功率因数补偿方法 功率因数补偿的意义 编辑本段功率因数补偿概述 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和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。 电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。减少了无功功率在电网中的流动，可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这种措施称作功率因数补偿。 由于功率因数提高的根本原因在于无功功率的减少，因此功率因数补偿通常称之为无功补偿。 在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。 在小系统中，通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流。按照wangs定理：在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流。因此，对于三相电流不平衡的系统，只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器，不但可以将各相的功率因数均补偿至1，而且可以使各相的有功电流达到平衡状态。 编辑本段功率因数补偿的理论分析 功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效
率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1)最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7(如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。 (2)基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3)高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。保尔金能使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。 编辑本段功率因数补偿方法 无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以KVA或者MVA来计算的，但是收费却是以KW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以KVAR 为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见。也就是因为这个电感性的存在，造成了系统里的一个KVAR值，三者之间是一个三角函数的关系 KVA的平方=KW的平方+KVAR的平方 简单来讲，在上面的公式中，如果今天的KVAR的值为零的话，KVA 就会与KW相等，那么供电局发出来的1KVA的电就等于用户1KW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。目前就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9，或高于1.0都需要接受处罚。这就是为什么我们必须要把功率因数控制在一个非常精密的范围，过多过少都不行。 供电局为了提高他们的成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对我们用户端有什么好处呢？
实验十五 交流电路功率的测量 实验目的 1．学习交流电路中功率及功率因数的测定方法； 2．加深对功率因数概念的理解，进一步了解交流电路中电阻、电容、电感等元件消耗功率的特点； 3．学习一种提高交流电路功率因数的方法． 仪器和用具 负载（铁芯电感为 40W 日光灯镇流器，阻值为 300Ω左右的变阻器）、电动型瓦特表（低功率因数瓦特表W -D34型额定电流为 0.5A 、1A ，额定电压为 150V 、300V 、600V ，功率因数20.φcos =）、铁磁电动型交流电压表、电磁型电流表、电容（0.5μF 、l μF 、2μF 、4μF 、10F 各一个）、调压变压器、示波器、音频信号发生器.-MF 20型晶体管万用表、双刀双掷开关两个等． 实验原理 一、交流功率及功率因数 在直流电路中、功率就是电压和电流的乘积，它不随时间改变．在交流电路中，由于电压和电流都随时间变化，因而它们的乘积也随时间变化，这种功率称为瞬时功率p ． 设交流电路中通过负载的瞬时电流i 为 t ωI i sin m = （C.13.1） 负载两端的瞬时电压u 为 ()φt ωU u +=sin m （C.13.2） 则瞬时功率 ()()φt ωt ωI U i u p +=?=sin sin m m （C.13.3） 平均功率 R 图C.13.1
()()()[]???+-?=+==T T T dt φt ωφI U T dt φt ωt ωI U T pdt T P 0m m 0 m m 02cos cos 2 1 1sin sin 11 其中第二项积分为零，所以 φUI φI U dt φI U T P T cos cos 2 1 cos 211m m 0m m ===? （C.13.4） 平均功率不仅和电流、电压的有效值有关，并和功率因数φcos 有关． 由图C.13.1所示可知 I U φUI P R ==cos （C.13.5） 故平均功率也就是电路中电阻上消耗的功率，也称有用功率．由于电压与电流有效值的乘积称为总功率，也称视在功率S ，即 UI S = （C.13.6） 故 φUI φ UI S P cos cos == （C.13.7） 功率因数φcos 就是电源送给负载的有用功率P 和总功率S 的比值，它是反映电源利用率大小的物理量． 测量功率的方法很多，最常用的是瓦特表，此外示波器也可测量功率（示波器适用于测量高频情况下较小的功率）． 二、瓦特表测量功率及功率因数 1．瓦特表测功率 本实验采用电动型瓦特表，电动型瓦特表的测量机构示意图如图C.13.2所示． 电动型瓦特表内部测量机构有两个线圈，线圈A 为固定线圈，它与负载串联而接人电路，通过固定线圈的电流就是负载电 流，因此称固定线圈A 为瓦特表的电流线圈；线圈B 为动圈，线圈本身电阻很小，往往与扩程用的高电阻相串联，测量时与负载相并联，动圈支路两端的电压就是负载电压1U ，因此图C.13.2 电动型仪表测量机构示意图 1．固定线圈；2．可动线圈；3、4．支架； 5．指针；6．游丝
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.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. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
无源功率因数校正电路的原理和应用 摘要:本文介绍SIEMENS公司提出的开关电源集成控制器TDA16846无源功率因数校正(PFC)电路原理及其在电视机开关电源中的应用。功率因数的改善是基于一个特殊的由电感,电容及二极管组成的充电泵电路,该电路在功率管的高压端兼起吸收缓冲作用,因此它具有输入谐波电流分量小,PF值高以及EMI小、电路简单、成本低和可靠性高等优点。这为电视机厂家提供了一个高效价廉的解决电源谐波问题的新方案。 关键词:开关电源功率因数校正 一、引言 众所周知,目前电视机和大部分通用电器都广泛地从交流电网中提取电能经整流后变成直流电供全机使用,AC电源经桥式整流后常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是三次谐波的产生,这既构成对电网效能的干扰和损害,又降低了本机功率因数,为此，我国跟欧美各国一样，已于去年12月1日起正式实施限制功耗大于75W的通用电器产品输入谐波电流的新规定。面对这种新情况,当前各电器厂家都必须考虑更新产品中的电源设备,尤其是对25英寸以上的彩色电视机,过去国内产品绝大部分都没有安装PFC电路,其PF值一般在0.55～0.65之间,输入电流谐波分量往往超出国家限定的标准,因此改进电源电路,增加PFC功能以便降低电视机的输入电流谐波分量是各厂家的当务之急。 本文介绍由SIEMENS公司推出的与开关电源集成控制器TDA16846配合使用的一个无源功率因数校正(PFC)电路,该电路能将电源PF值提高到0.9以上,与有源PFC电路相比,它明显地具有结构简单,成本低,可靠性高,和EMI小等优点,因此对电视机厂家来说,不失为一个有效的解决电源谐波问题的可行方案。 二、无源PFC电路工作原理介绍 图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。这是因为此时的正弦电压输入值小于泸波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。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。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3 2009年6月 J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r J u n e 2009 文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07 有源功率因数校正技术及控制方式分析 收稿日期:2009-03-30 作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网, 现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n . 张 浩,许龙虎 (上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090) 摘 要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势. 关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:A A c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g y a n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i s Z H A N GH a o ,X UL o n g -h u (C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a ) A b s t r a c t : T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r e s e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s : a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549 -93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准 [1] .解 决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本 身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一 个重要研究方向[2] . 电子报/2006年/8月/27日/第013版 资料（开发） 电子镇流器功率因数补偿电路 河北黄海成 《电子报》今年第24期刊载的《日光灯电感镇流器与电子镇流器》一文，提供了一款电子镇流器的电路图，并称其具有功率因数补偿功能。笔者认为，该镇流器只有简单电容滤波，没有功率因数补偿功能。本文简单介绍几种功率因数补偿电路。 功率因数补偿电路分为有源功率因数补偿和无源功率因数补偿两类。 一、有源功率因数补偿 有源功率因数补偿是指利用有源电子器件使电子镇流器输入电流波形与输出电压波形一致，从而提高功率因数的电路。 图1所示电路是通过IC1控制开关管VT1的导通和截止时间来控制流过电感T1电流的，称PFC升压电路。IC1③脚是交流整流后脉动电压的取样端，②脚是400V取样端，开关管的导通截止同时被两个参数控制，所以此电路有功率因数补偿功能，同时具有稳压作用，可使功率因数最高达到0.99，电流波峰比接近1。其优点是，功率因数高、电流畸变极小，缺点是电路相对复杂，成本较高。 二、无源功率因数补偿 无源功率因数补偿是利用无源器件使电子镇流器的输入电流接近正弦波，从而提高功率因数的电路，有三种电路。 1.改变滤波电容在充电和放电时的电容量。灯管功率一定的情况下，改变滤波电容的容量，功率因数也会改变。假如滤波电容容量为零，输入电流波形为正弦波，功率因数等于1，随着电容容量的增加，电容两端的电压也在不断的升高（电容滤波的特点之一），输入电流变成越来越窄的脉冲，功率因数越来越低。用什么办法让电容充电的时候容量变小而放电的时候容量文变大呢？如图2所示，整流二极管对电容充电时，C8、C9串联，等效容量是它们容量的一半，电容对负载放电时，C8、C9并联，等效容量是它们的两倍。如果一下子理解不了，把虚线右边的电路去掉，换成图3电路容易理解。这种电路的功率因数大于0.9，电流波峰比大于2。其优点是电路简单、成本低廉、其缺点是波峰比大，影响灯管寿命。 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 功率因数校正电路设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正。 2、输出直流电压：400V。 3、输出功率250W。 4、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 武汉理工大学《电力电子》课程设计说明书 目录 摘要 ························································································································································· 1 1. 功率因数 ······································································································································· 2 1.1 功率因数定义 ··························································································································· 2 1.2 电流谐波总畸变率 TH (2) 2 功率因数校正技术 ························································································································ 3 2.1 功率因数校正技术分类 ············································································································ 3 2.2 有源功率因数校正原理 (3) 2.2.1 单相功率因数校正........................................................................................................... 3 2.2.2 单级PFC 变换器 .. (4) 2.3 BOOST 型有源功率因数校正的一般方法 (5) 2.3.1 电流峰值控制法（Peak Current Model Control ） ........................................................... 5 2.3.2 滞环电流控制法（Hysteresis Current Control ）.............................................................. 7 2.3.3 平均电流控制法(Average Current Mode Contro1) .. (9) 3 基于CCM-BOOST 方式的功率因数校正电路设计 ······································································ 10 3.1 功率因数校正芯片UC3854 (10) 3.1.1 UC3854简要介绍 ........................................................................................................... 10 3.1.2 UC3854引脚功能 ........................................................................................................... 11 3.1.3 UC3854内部结构 .. (13) 3.2 功率因数校正电路设计 (15) 3.2.1 系统的主要性能指标 ..................................................................................................... 15 3.2.2 方案选择 ........................................................................................................................ 15 3.2.3 元器件参数设计 (16) 3.3 控制电路设计 (22) 3.3.1 UC3854主要参数设置 ··································································································· 22 3.3.2 外围主要参数设置········································································································· 23 3.3.3 设计完成的校正总体电路 (24) 结论及心得体会..................................................................................................................................... 25 参考文献 ................................................................................................................................................ 26 附录 . (27)有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩
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