功率因数校正之基本原理

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)。 ▲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 CIN（见图4）只在 VIN接近峰值电压 VPAEK或 VIN大于电容电压 VCIN时被充电。若依输入电压之频率来设计 CIN，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，CIN之设计会大于 VIN之频率以储存足够之能量来继续提供负载之需要。 ▲图4:...