【功率因数校正概述3600字】

功率因数校正概述目录TOC\o"1-3"\h\u4100功率因数校正概述 138061.1功率因数校正概述 198661.2无源功率因数校正技术 2188251.3有源功率因数校正技术 3282781.4有源PFC与无源PFC对比 51.1功率因数校正概述功率因数校正，通常缩写为PFC，功率因数所指的因数是有功功率与总耗电量之间的比值，即有效功率除以总体所消耗掉的电量。功率因数可以被用来广泛作为一个系统衡量其中的各种电能被有效地综合利用的一个重要计量指标，当其中的电能功率利用因数高于平均值值得越多，代表此系统对电能的有效利用率也就越高，更节能环保。用公式表示为：（2-1）式中：PF为功率因数；P为输入有功功率；S为总耗电量。如果在理想条件下输入侧的交流电压是完美的正弦波，忽略网侧电压谐波的存在，则功率因数又可以写成：（2-2）式中：U1是电压基波有效值；I1电流基波有效值；I是电流有效值；是输入电流和输入电压之间的相角差；为位移因数。是电流正弦因数，可以表示为：（2-3）式中总谐波畸变THD分为电流总谐波畸变率和电压总谐波畸变率两种。对于电流的总谐波畸变率，定义为所有谐波电流分量的有效值与基波有效值之比，其公式表示为[9]：（2-4）式中：In第n次谐波分量的有效值；I1基波电流有效值。在式2-3可以看出，在电流正弦因素的公司中，总谐波畸变处在的分母位置上，如果THD值越小，则电流正弦因数μ就会无限近于1。假设电流波形中没有谐波畸变，即，则μ=1，有：（2-5）所以提高功率因数关键在于实现输入电流波形的正弦化。1.2无源功率因数校正技术无源功率因数校正技术通常首先让电流流过一个谐振滤波器，第一次对电流进行滤波，功率掉其中的杂波然后再让电流进入由四个二极管组成的整流桥中，将电流由交流电转换为可供设备使用的直流电，最终电流进入由两个电感和一个电容组成的无源滤波网络，第二次过滤电流中的谐波。使输出侧电流中的谐波含量符合国家规定，达到提高功率因数，改善电能质量的目的，图2-1为典型的无源功率因数校正电路图。图2-1典型的无源功率因数校正电路图在无源功率因数校正技术的电路结构中元器件主要以电感、电容、二极管等无源器件为核心。因为在该电路内部，流经于电感器的一个电流并且不会发生突变，利用这种特性，比较为平滑地给电容进行充电。并且是利用滤波时通过的电感和滤波电流落后于滤波时的电压和输出波形超前与电压的波形，两者形成互补。储能电容的充放电运行状态会随着输入和供电线路电压的改变而发生改化，使得电路始终处于连续的电流模式下，从而可以达到减少高次谐波的作用，改善供电线路中的电流波形畸变问题，达到对功率因数校正的作用。无源PFC变换器的优点是电路一直工作在导通状态，没有功率器件的开关损耗，其电路结构十分简单简单，元器件经济成本低廉。缺点是电路中使用的电感、电容会占用大量空间，增加重量，与实际生产中对设备小型化、轻型化的要求相背。其大体积会增加内部电路结构中在线路上的损耗，高重量这回提升系统的产热，提升用电的成本，不符合当下倡导的绿色经济。无源PFC变换器电路中，滤波电容器正负两端的电压相对较低，无法满足大功率设备的对电压幅值的要求。电路结构中缺少控制电路，输出电压不稳定，设备难以工作在额定电压下。对电流发生畸变时的校正和对功率因数间第四自动补偿处理能力均比较弱。而且器材选用难度高，当设备功率超过300W时，无源PFC变换器因其采用器件先天性的问题，存在出许多难以解决的缺陷。1.3有源功率因数校正技术功率因数校正的基本思路是：先让输入的交流电经过一个全桥整流桥，将电流由交流电的在横坐标之下的波形过滤掉，只保持正半波。再通过一个DC/DC变换器改变来自上一步整流所得到的直流电的电压等级变换，使设备工作在额定电压下。在控制策略方面，运用双环控制法，通过内外闭环反馈控制，使得输入电流波正弦化，输出电流值波动较小。双环控制中的外环是电压环，电压环的作用是对电压幅值的调节，使输出电压值在目标值附近保持稳定。双环控制环中的内环为电流环，电流环的作用是对输入电流波形的调节，使其输入波形正弦化，跟随电压波形变化，实现同频率、同相位。达到抑制电流谐波、提高功率因数的最终目的。图2-2为三相单开关PFC变换器原理图。它是一种拓扑结构是较为简单的一种有源校正电路。它主要由三个滤波电感，六个二极管组成的松式整流桥和一个开关组成。它的工作原理概述如下：当变换器开关的导通与关断的频率远远大于电网频率50Hz时，在一个开关周期中，输出电压值稳定在额定输出值附近。并且输入与对应的输入相位基本上变化一致，没有移相，形基本上是正弦波，谐波量很少，电感释放之前储存的电流，使负载工作在连续电流模式下。图2-2三相单开关PFC变换器电路图有源PFC变换器的优点有：有源PFC变换器的功率因数较大，更为接近于理想值1。由于控制电路断调节，输出电压幅值稳定，波动小，对于输入电流而言，波形更加接近于正弦波。对电网的污染轻。因为在电路中所需要使用的电感、电容这些大体积元器件数量较少，所以它们的体积小，质量轻，符合实际生产中对设备小型化、轻型化的要求，因此得到了广泛的推广。但有源功率因数校正技术并不是完美无瑕的，存在着控制电路繁杂、生产经济成本高的问提，这些都有待进一步的研究。按照国际电源校正系统设计中的电源结构原理框架设计体系，有源功率因数校正变换器一般可以按级数划分为两级PFC变换器与单级PFC变换器两种类型。图2-3所展示的是典型的两级功率因数校正变换器基本结构。图2-3典型的两级功率因数校正变换器电路图在两级PFC变换器中，第一级通常为PFC级变换器，其目的在于提高变换器的功率因数，并抑制输入电流中的高次谐波。第二级为DC-DC变换器，这一级的目的是为了改变输出电压等级，减少电流中的纹波。但是由于两级PFC变换器电路结构中所需的电气元器件数目众多，因此该结构的电路损耗大，传输效率下降。使得整体的变换器的成本大幅上升、导通损耗都有所增加，维护成本上升。单级PFC变换器技术的核心技术把PFC阶段和DC/DC阶段两者交互融合在一起，电路结构中的校正电路的组成部分是一个开关管和对应的一套控制电路共同构成，对输入电流的整形和对输出电压的调节在均同一阶段实现。控制电路事实上只是起到对稳定输出电压的幅值起到调节作用。为此，要求它的PFC阶段在没有任何电流控制的条件下，输入电流追随输入电压波呈现出与正弦函数波相同的变化相位。使用同一个功率管可同时实现两个功能，这样做可以大大降低PFC变换器的体积、减少生产时的经济成本、在电路拓扑结构、控制策略简方面投入较少。典型的单级功率因数校正电路结构如图2-4所示。图2-4典型的单级功率因数校正变换器结构图将三个单相单极PFC作为单体组合到一起，使用全桥式的结构，形成的基于全桥结构的组合式三相单级PFC变换器，适用于较大功率的场合。在电路结构中使用高频隔离式变压器，可以通过调节变压器变比获取不同等级的输出侧直流电压。其PFC变换器电感可工作于电流连续模式，可获得较好的PFC效果。三相桥式PFC变换器是一种性能优良、优点众多的三相PFC变换器方案。1.4有源PFC与无源PFC对比采用无源功率因素校正的方法电路结构简单、可靠性高，无需控制电路进行调节，并且可以使得输入电流的总谐波含量与基波比降低到30%以下，以较小的成本完成了对功率因素的校正。输入电流总谐波含量及3、5、7等奇次谐波都得到很大改善，功率因数也可以提高到一定程度上[10]。在无源PFC电路拓扑结构中串联电感补偿电压的方法，所以变换器经济成本较为低廉。无源PFC变换器从总体电路结构上来讲在电路拓扑结构中大量使用电感和电容进行功率因数校正，因此并没有带来任何关于功率因数器件的开关损耗，产生的电磁干扰低，可靠性较高。但无源PFC的缺点是[11]：（1）无源滤波器可视为储能网络，给整流器提供的瞬时能量值比较大，增加了无源器件的体积和重量。（2）工作时受系统阻抗的影响，若不使用调节电抗器，会与系统阻抗产生并联谐振。（3）PF值较低，输入电压范围窄，对负载变化的适应性较差。随着社会的不断进步，人们对电气设备功能的要求越来越高，科技会跟随发展。这些年来因为功率器件技术快速的发展，不断前进，逐渐涌现除了大量高性能，但成本并不高，极具性价比的功率开关器件。这些新兴的高性能的功率器件的出现立马代替了早期被广泛使用的使用的晶闸管。在现代APFC技术中，开关器件采用了高速半导体开关器件，同时采用了集成式控制电路代替传统的控制电路。有源PFC变换器的核心技术是先将输入的交流电流进行整流，使得输入电流跟随输入电压的波形。再通过一个DC/DC变换器对整流所得到的直流电压进行电压变换，得到设备所需要的电压，并使保持