功率因素和谐波纹波基本概念

功率因素基本概念

1、 功率因素PF 的基本定义

PF （Power Factor ）是指交流输入有功功率与视在功率的比值，定义如下：

rms rms

P P PF S V I ==⋅（1） 式中，P 为交流输入有功功率，S 为电路的视在功率，rms V 为电网电压有效值，rms I 为

电网电流有效值。

2、 总谐波失真THD 的基本定义

THD （Total Harmonic Distortion ）是指除基波电流以外的所有其他谐波电流有效值

与基波电流有效值的比值。定义如下：

11h I THD I ==2）

式中，h I 为基波电流以外的多有其他谐波电流有效值，1I 为基波电流有效值，从式中

可知，输入电流中的高次谐波含量越小，则h I 越小，因此总谐波失真PFC 也越小。

3、 相移功率因素

在线性电路中，阻抗Z R jX =+，其中，R 为电阻，X 为电抗，由正弦电路理论可知，

无论X 为感抗或是容抗，均会是正弦电压和电流波形产生相位差。当X 为感抗时，正弦电压超前电流波形一个相位角α；当X 为容抗时，正弦电压滞后电流一个相位角α。

相移功率因素DPF （Displacement Power Factor ）定义为：cos DPF α=，其中α

为正弦电压和电流波形之间的相位差。由定义可知DPF 使用来描述等效负载阻抗特性的。当α=0时，DPF =0，当0α>，01DPF <<。

4、失真功率因素

非线性负载与线性负载不同，当电源电压为正弦波时，输入电流波形为非正弦，即电流

波形发生正弦畸变，此时电路的功率因素很低。因此非线性负载电路的功率因素不仅与相移功率因素有关，而且与电流波形的失真程度有关。

失真功率因素（Distortion Power Factor ）的定义：

1I PF I ==失真（3） 式中I 为失真波形电流的总有效值，1I 为失真波电流基波有效值。由总谐波失真公式可

得：

PF 失真（4）

从上式可以看出，总谐波失真THD 越小，则失真功率因素PF 失真约接近1，因此整个

电路输入端的功率因素越高。

5、 总功率因素

设AC/DC 变换电路的输入电压为正弦波i V （有效值为V ），输入电流为非正弦，其总

电流有效值为I ，又设基波电流1I 与输入电压i V 之间相差α，则根据表达式（1）可得功率因素为：

1cos cos VI P PF PF S V I

αα===⋅⋅失真（5） 对于线性负载，PF 失真=1，则PF =DPF =cos α，即线性电路的功率因素取决于电

压和电流的相位差；

对于非线性负载，一般1DPF ≈，则PF =PF 失真，即非线性电路的功率因素取决于电

流波箱的谐波含量。

纹波和谐波

6、 纹波(ripple)的定义

由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。对于不同的场合，对纹波的要求各不一样。对于电容器老练来说，无论是那一种纹波，只要不是太大，一般对电容器老练质量不会构成影响。而对程控机电源或音响设备中所使用的电源，由于宽度很窄的脉冲没有足够的能量来推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音。因此对于这种窄脉冲的要求可以放宽。

而对于音频范围内的类似正弦波的纹波信号，虽然其幅度不是太高，但其能量却使喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音。因此对这种形态的纹波应有一定的要求，而对于用于一些控制的场合，由于窄脉冲达到一定的高度会干扰数字或逻辑控制部件，使设备运行的可靠性降低，因此对这种窄脉冲的幅度应有一定的限制，而对类似正弦波的纹波，一般由于其幅度较低，对控制部件的干扰不大。

纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可以用绝对量，也可以用相对对量来表示。例如一个电源工作在稳压状态，其输出为100V5A，测得纹波的有效值为10mV，这10mV 就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/100V=0.01%，即等于万分之一。

7、纹波(ripple)的定义补充

纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有波纹的。

要体验，可以用示波器来看，就会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样，所以叫做纹波。

一般使用交流毫伏表来测量纹波电压，因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。如果没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。将示波器的输入设置为交流耦合，调整Y轴增益，使波形大小合适，读出电压值，可估算出纹波电压的大小。

纹波电压会影响系统的工作，带来噪声。所以电源要有足够的滤波措施，以将纹波限制在一定的幅度以内。

8、纹波(ripple)与谐波的比较谐波与纹波的比较

谐波简单地说，就是一定频率的电压或电流作用于非线性负载时,会产生不同于原频率的其它频率的正弦电压或电流的现象。

纹波是指在直流电压或电流中，叠加在直流稳定量上的交流分量。

它们虽然在概念上不是一回事，但它们之间有联系。如电源上附加的纹波在用电器上很容易产生各频率的谐波；电源中各频率谐波的存在无疑导致电源中纹波成分的增加。

除了在电路中我们所需要产生谐波的情况以外，它主要有以下主要危害：

1、使电网中发生谐振而造成过电流或过电压而引发事故；

2、增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率；

3、使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器等）运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命；

4、使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作；

5、使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量；

6、干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。

纹波的害处：

1、容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生较多的危害；