PF、PFC、PPFC、APFC 的含義功率因數(shù)

（PF）的定義

功率因數(shù)（PF）的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，負(fù)荷的性質(zhì)可以粗略的分為三種：電阻性負(fù)載，電容性負(fù)載以及電感性負(fù)載。生活中純粹的電感性負(fù)載和電容性負(fù)載很少，更多的是電感和電阻混合型負(fù)載（阻感型負(fù)載）或電容和電阻混合型負(fù)載（阻容型負(fù)載）。白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為 1，一般阻感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于 1。生產(chǎn)中最常見(jiàn)的交流異步電動(dòng)機(jī)就是一個(gè)阻感性負(fù)載，在額定負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)一般為 0.7--0.9，如果在輕載時(shí)其功率因數(shù)就更低。其它設(shè)備如工頻爐、電焊變壓器以及日光燈等，負(fù)載的功率因數(shù)也都是較低的。

各種負(fù)載類(lèi)型的負(fù)荷等效電路如圖 1所示：

圖1 輸入負(fù)載等效

圖 2 示出了上圖中 4 種類(lèi)型負(fù)載的消耗能量的情況：

圖2 負(fù)載消耗或者釋放能量

在某一時(shí)刻既有電壓又有電流，根據(jù) P=UI，該時(shí)刻負(fù)荷產(chǎn)生功率的交換，究竟是吸收功率還是發(fā)出功率，要看電壓和電流的方向，電壓和電流同方向則吸收功率，電壓和電流方向相反則發(fā)出功率。在圖 2 中，將負(fù)荷吸收的功率的積分， 也就是從電網(wǎng)吸收的電量畫(huà)在 t 軸的上半部分；將負(fù)荷發(fā)出的功率的積分，也就是負(fù)荷發(fā)送到電網(wǎng)的電量，畫(huà)在 t 軸的下半部分。圖 2中粉紅色的面積代表負(fù)荷吸收或發(fā)送的電量。

由 2 圖可以看到，電阻總是向電網(wǎng)吸收電能（表現(xiàn)為粉紅色的面積總是在

t 軸的上面），而電容和電感卻不是，一會(huì)從電網(wǎng)吸取能量，一會(huì)向電網(wǎng)提供能量

（表現(xiàn)為粉紅色的面積時(shí)而在 t 軸的上面，時(shí)而在 t 軸的下面），產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，電感和電容屬于儲(chǔ)能設(shè)備，本身不消耗能量。但是從發(fā)電廠傳送到用戶(hù)之間的供電線(xiàn)是有電阻的，在上面流過(guò)電流就會(huì)消耗電能。在這個(gè)儲(chǔ)能放能的過(guò)程中，能量都被消耗在了供電線(xiàn)上了。

下面再來(lái)分析下二極管以及電容構(gòu)成的整流電路的功率交換情況。這是一種很常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，在開(kāi)關(guān)電源中用的非常多。二極管只有在輸入交流電壓比電容電壓高時(shí)，才能導(dǎo)通，此時(shí)才有電流。在輸入交流電壓比電容電壓低時(shí)，二極管承受反壓而截止。在二極管導(dǎo)通的一小段時(shí)間內(nèi)為了提供整個(gè)周期的功率，在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)有很大的電流，也就是說(shuō)，AC 源必須在短短的時(shí)間內(nèi)提供夠用很長(zhǎng)一端時(shí)間的能量給設(shè)備，這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線(xiàn)路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。由于供電廠只能產(chǎn)生正弦形式的功率輸出，為了達(dá)到這個(gè)目的，供電廠必須建設(shè)遠(yuǎn)超出正常消耗的供電設(shè)備，以維持用電設(shè)備的用電。 為了描述這種電容電感導(dǎo)致的，電流和電壓不同步的情況，引入功率因數(shù)的定義。

功率因數(shù)（PF）是用電設(shè)備的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào) cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率 P（P=UIcosΦ）和視在功率 S（P=UI）的比值，即 cosΦ=P/S.如圖 1.3 所示。

視在功率 S，有功功率 P，無(wú)功功率 Q 之間的關(guān)系滿(mǎn)足式

P^2 + Q^2 =S^2

功率因數(shù)

在純電阻電路中，電壓與電流同相，其功率因數(shù)為 1，如圖 1.4 所示。對(duì)于其他負(fù)載來(lái)說(shuō)，其功率因數(shù)介于 0 與 1 之間，且多數(shù)為感性負(fù)載。電壓和電流越不同步，計(jì)算功率時(shí)兩者乘積越小。

電阻性負(fù)載電壓電流波形

在實(shí)際中，提高功率因數(shù)意味著：

1） 提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運(yùn)行條件，可保證設(shè)備在正常條件下工作，這

就有利于安全生產(chǎn)。

2） 能提高企業(yè)用電設(shè)備的利用率，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力。

3） 可減少線(xiàn)路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率。

4） 因發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量的限定，故提高 cosΦ也就使發(fā)電機(jī)能多出有功功率。

在實(shí)際用電過(guò)程中，提高負(fù)載的功率因數(shù)是最有效地提高電力資源利用率的方式。

PFC 電路分類(lèi)

功率因數(shù)低的原因有兩個(gè)，一種是由電容或電感引起的電流相位偏移，此時(shí)電流的波形仍然是正弦波，另一種是有源器件引起的波形失真，如上述的整流橋與電容組成的整流電路，其輸入波形并非是正弦波，而是含有多種高次諧波，高次諧波的成分越豐富，幅值越大，電流波形失真越嚴(yán)重，如圖 5 所示。在輸入電壓頻率為 50Hz 時(shí)，基波頻率為 50Hz，2 次諧波為 100Hz，3 次諧波為 150Hz，

n 次諧波為 n*50Hz。

圖5 電流波形傅里葉分解

通常失真度可以用 THD 來(lái)表示，其計(jì)算公式

更多與 THD 的相關(guān)的知識(shí)請(qǐng)讀者自行翻閱資料，在此只給出基本概念?？紤]

THD 的影響后，功率因數(shù)可以下圖 1.6 中公式計(jì)算：

圖6 PF及THD關(guān)系

由上述分析可以看到，對(duì)用電設(shè)備的友好性可以用 PF 來(lái)衡量，很多時(shí)候 PF 和 THD 是存在關(guān)系的，THD 越大，PF 越低。但 THD 小不意味著 PF 高，還要考慮電流相位的影響。

提高 PF 的電路稱(chēng)為 PFC 電路，PFC 的思路也是分為 2 個(gè)：

（1）增加補(bǔ)償電路，比如負(fù)載為電容，就在供電線(xiàn)路上加入電感，這種方法稱(chēng)為無(wú)源 PFC，常用于只有相位偏移的場(chǎng)合（電流接近正弦波，或 THD 非常?。?/p>

（2）對(duì)于 THD 較大的電路，如開(kāi)關(guān)電源，主要的問(wèn)題是波形失真，因此不能采用無(wú)源 PFC，只能采用其他方法，這些方法統(tǒng)稱(chēng)為有源 PFC。有源 PFC 也分

2 種，一種是 PPFC（被動(dòng)式 PFC），另一種是 APFC（主動(dòng)式 PFC）。有時(shí)候，將無(wú)源

PFC 也歸為被動(dòng)式，這樣 PFC 分 P 和 A 兩類(lèi)，P 又包括無(wú)源和有源兩種。

1.3 PPFC 電路

常用的 PPFC 電路如圖下圖7 所示，該電路稱(chēng)為逐流電路，該電路結(jié)構(gòu)能在一定程度上提高開(kāi)關(guān)電源的 PF 值。下面分析 PPFC 電路原理：當(dāng) VDC 比 2 個(gè)電容電壓加起來(lái)還高時(shí)，電流流過(guò) C1，D2，C2，逐流電路充電。當(dāng) VDC 比 2 個(gè)電容電壓并聯(lián)的電壓低時(shí)，逐流電路放電，放電電流有兩條支路，一條是 C1-負(fù)載-D1，另一條是 C2-D3-負(fù)載。當(dāng) VDC 介于兩者之間時(shí)，逐流電路既不放電也不充電。流過(guò)

C1 的電流可表示為圖 8。

圖7 PPFC 圖8 電容電流波形

假如沒(méi)有逐流電路，當(dāng) VAC《VDC 時(shí)，二極管就會(huì)截止，只有 VAC》VDC 時(shí)，二極管才導(dǎo)通。加上逐流電路后，當(dāng) VAC 小于兩個(gè)電容電壓之和時(shí)，二極管依然導(dǎo)通，直到 VAC 小于電容電壓，這無(wú)形中延長(zhǎng)了二極管導(dǎo)通的時(shí)間。

假設(shè) VAC 為 220V，VDC 穩(wěn)定在 200V，那么無(wú)逐流電路時(shí)，只有 VAC》200V，二極管才導(dǎo)通，有逐流電路時(shí)，VAC》100V，二極管就導(dǎo)通。無(wú)逐流電路和有逐流電路的電流波形對(duì)比圖如圖 9 所示。

圖9 有無(wú)逐流電路電流波形對(duì)比圖

至此我們將PF，PFC，THD，PPFC普及，下面有空講APFC，有源功率因數(shù)校正。
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