功率因数校正之基本原理
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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。
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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)。
▲图3:类PFC输入,达到之功因大约0.9(Class A)。
■低效率的原因
当切换式电源供应器(SMPS)没运用任何形式之功因校正时,其输入电容C IN(见图4)只在V IN接近峰值电压V PAEK或V IN大于电容电压V CIN时被充电。若依输入电压之频率来设计C IN,其电流波形将比较接近输入电压波形(随负载变化);但当在输入主电力线上有些许之干扰将造成整体系统有不良的影响。但话说回来,为应付输入电压跳动或预防少掉几个周期,C IN之设计会大于V IN之频率以储存足够之能量来继续提供负载之需要。
▲图4:没有PFC之SMPS。
图5所表示为在轻载时图4线路之V CIN(t)之理论结果。因此,C IN只有非常少许之放电。如负载增加时,V CIN(t)在峰值电压间会有较大的电压下降。但这也只代表有非常小部分的输入电压(譬如说,输入为120Vac,但只有3~5伏特的下降电压)。如前所述,C IN只在V IN大于V CIN被充电,相对于整个周期来说是非常小的一部分。
▲图5: 输入电压V in与充电中的C in。
图6所示,在90度角后之半周期,经桥式整流之电压低于C IN电压,桥式整流子之为反向偏压,电流无法流入电容。因此在电容可充电之非常短暂期间,输入电压必须提供很大的脉冲电流以充饱电容,这会造成墙上之电力线、桥式整流子与断路器承受非常大的突波电流。利用功率因数校正之方法,可平均此突波电流至其余之周期,可舒缓此巨大的峰值电流。
▲图6:在简易之整流子线路之电压与电流波形。
为了更能跟随电压波形,且没有这些高振幅的电流,C IN必须利用整个周期而不是其一小部分来充电。当今非线性负载几乎无法去预测何时有大的瞬间电流需求,因此功率因数校正使用整个周期对输入电容充电,避免突波电流且输入电容可减小。
■升压是功因校正之核心
升压转换架构被用于连续性及非连续性之主动式功因校正方法上。使用升压方式是因为其简单而有效。简单的电路如图7用以说明为何电感可产生高电压。开始时电感假设未充电,因此V O等于V IN。当开关导通,电流I L逐渐线性增加。
跨于电感两端之电压V L以指数性的增加直到V IN。需注意电感电压之极性,因为其定义电流之方向(电流入端为正端)。当开关断开,电流由最大变为零(递减,或为一个负斜率),如下式
▲图7:返驰式之电感工作。
而电压趋近于负无穷大(电感极性反相)。但因为不是理想电感,其包含某些程度之串联阻抗,使无穷大值变为有限之得值。因开关断开,电感放电,其跨电压反相,加上输入电压V IN,如果有一个二极体与电容连接到电路输出端,此电容将被充电至此高电压(可能几个周期后)。这亦说明图8线路如何升压。
▲图8: PFC之升压线路。
转换器之输入为全波整流后之交流电压。在整流子后无大的滤波器,所以升压转换器之输入电压范围由零到交流电压之峰值再降零。此升压转换器必须同时符合两个条件:1)输出电压设定必须高过输入峰值电压。通常设定385V DC来用于270VAcrms之输入电压。而在任何瞬间,由电力线所抽取之电流大小需与电压大小成正比。
未使用功因校正之切换式电源供应器,其功因约为0.6,因此有明显之奇次谐波失真(有时三次谐波与主频率一样大)。若装置设备之功因低于1,可用之实功将减少,电力公司为提供设备之操作,需要提高功率输出以弥补因低效率所产生之损耗。因功率提高,电力公司必须使用较大的电力线,否则因自身产生的热将烧毁此电力线。
谐波失真可造成发电设备之工作温度增高,而导至诸如运转机器,电缆、变压器、电容、保险丝等设备之寿命减短。这是由于谐波造成额外之功率损耗、电容与电缆介电质之负荷增加、变压器与运转机器线圈之电流增加及杂讯之辐射,并且令保险丝与其它安全元件提前不良。
另外其集肤效应(skin effect)亦对变压器与电缆产生问题。这就是为何电力公司关心因电源供应器、电子稳压器与电压转换器之成长所产生之总谐波失真THD(Total harmonic distortion)到达一个无法接受的程度。有了升压转换器可使电压高于输入电压,强迫负载端与输入电压同相位抽取电流以去除谐波之发射。