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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。 ----------------------------------------------------(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:...

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