功率因數校正標準優化解決方案

2021-01-10 電子產品世界

　　人們都傾向於按照基本的60Hz或50Hz頻率考慮電力線上的能量——這也是電站的渦輪和發電機產生電壓的方式。當然，如果有無功負載，電流就會滯後於電壓。這就是「功率因數」，對嗎?但難道它仍然是關於50Hz或60Hz時的「實際」和無功元件嗎?也對也錯。遺憾的是，這種概念化過程有些太過簡單了。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/180214.htm

　　在電力配送系統中，對功率因數校正(PFC)的理解通常是在電力配送系統中的某些點增加(一般來說)電容性電抗以抵消電感性負載效應。我們可以說是「無功」負載，但電源工程師在解決功率因數問題時通常最關心的是電機負載。校正時可以採取電容陣列或「同步調相器」(一種無負載同步電機)的形式。

　　更廣泛地說，在使用AC-DC電源轉換的任何電力線供電設備中都需要PFC。這些設備種類繁多，小到可攜式設備的電池充電器，大到大屏幕電視機。總之，它們的輸入整流器是主電流諧波失真的最大來源。

　　那麼這些諧波失真來自哪裡呢?一個常見的誤解是開關穩壓器導致了諧波功率因數分量。事實上，諧波分量是在典型的全橋整流器和濾波電容器中產生的，電力線本身的阻抗則起著推波助瀾的作用。

　　在穩定狀態下，當輸入電壓超過濾波電容器上的電壓時，電源將從電力線吸取電流。這時產生的電流波形將包含電力線頻率(圖1)的所有奇次諧波。

　　


　　一旦電壓越過這個點，電流就只受電力線源阻抗、前向偏置的二極體電阻以及平滑直流電壓的電容電抗的限制。由於電力線呈現非零源阻抗，因此大電流峰值將導致電壓正弦波峰上產生某些削波失真。

　　諧波被認為是功率因數的組成部分，因為它們與電力線頻率關係密切。作為傅立葉分量，諧波累積起來代表基頻的異相電流。事實上，功率因數的一種廣義定義是：

　　

　　其中THD是總諧波失真。

　　功率因數的問題

　　不管是什麼原因，實際功率因數小於1的問題出在哪裡呢?部分原因是經濟上的，另外一部分原因則與安全有關。不管相位關係如何，所有這些疊加的諧波電流會產生可測量的I2R損耗，因為這些電流是從發電廠經過數英裡傳輸和配送線最後到達家庭或工作場所的過程中吸取的。

　　過去，電力公司承受了這筆損耗費用。至少對家庭消費者來說，電力公司提供的是伏安數，消費者支付的是瓦特數，而無功伏安(VAR)是一種淨損耗。事實上，老的機械式電錶甚至不會記錄這些電流。在任何情況下，針對家庭消費者的價格表上不允許存在「實際」功率以外的任何收費。

　　這種情況可能繼續長期存在，因為「修正」價格表對國家立法者來說幾乎是不可能的。這是經濟方面的問題。在安全性方面，諧波(特別是三次諧波)可以導致三相失衡，伴隨電流在「Y」型地線上流動。而Y型地線通常無法承載巨大的電流。

　　PFC諧波除了在機器和變壓器線圈上產生過流外，還會在電容和電纜上產生損耗和電介應力。欲了解更詳細的分析，請參考Basu,et al發表的「PFC Strategies in light of EN 61000-3-2」。

　　調整功率因數

　　有趣的是，主電源從一開始就很容易受到幹擾。第一個用於控制電網幹擾的規章制度是1899年制訂的英國照明條款法案(BLCA)，其目的是防止不受控的弧光燈造成白熾燈閃爍。

　　在1978年和1982年，業界發布了國際標準IEC 555-2「交流主電源中的諧波注入」和IEC 555-3「由家用設備和類似電氣設備引起的電源系統幹擾——第三部分：電壓波動」(後來這些標準被更新為IEC1000標準)。

　　和這些標準一樣，電流標準出自歐洲，但幾乎全球通用。在日本、澳大利亞和中國都發布過有關電力線諧波的政府規章。

　　在歐盟，標準IEC/EN61000-3-2「電磁兼容(EMC)第3-2部分-限制-諧波電流輸出限制(設備輸入電流≤每相16A)」為最大電源指標為75W至600W的設備規定了最高39次諧波的電流極限。它的「D類」要求(最嚴格的)適用於個人計算機、計算機監視器和電視接收機。(A類、B類和C類要求涵蓋設備、電源工具和照明)。

　　上述標準真正要表達的是什麼內容呢?在IEC 61000-3-2標準下，D類諧波電流的限制用消耗的每瓦毫安數表示(表1)。

　　

　　全球性調整

　　不方便的是，IEC61000-3-2是面向歐洲的標準，它基於的是牆上插座處的230V單相和230/400V三相電源。因此，對於北美的120/240V主電壓來說必須調整電流限制。

　　雖然IEC61000-3-2為在歐盟銷售的電源規定了強制性標準，但北美地區也有自發性的標準。美國能源部的能源之星計算機規範就包含了針對桌上型電腦的「80 Plus」電源要求。(後來修改的80 Plus是一個美國/加拿大電力公司資助的折扣計劃，用於補貼在低中範圍和峰值輸出時達到銘牌上額定功率的80%或更高效率的計算機電源額外付出的成本，這時可以達到至少0.9的功率因數。在參與計劃的公用電力公司服務的領域中，電力公司為出售的每臺桌上型電腦或伺服器分別支付5美元或10美元)。

　　在2008年，80 Plus計劃經過擴展開始認可更高效率的電源，最初使用奧林匹克獎章的顏色：銅、銀和金來表示，後來還增加了鉑(表2)。新的子類有助於擴大計劃品牌效應，並有可能向領先的參與製造商提供更大的消費折扣。

　　

　　在表2中，「冗餘」指伺服器系統製造商工作在230V交流電源下並使用多個電源向負載供電時的實際做法。一些系統可能擁有多達6個電源，因此如果某個電源發生故障，其它電源可以吸收故障電源分擔的負載。

　　低於20%負載

相關焦點

  • 功率因數校(PFC)正標準優化解決方案
    這就是「功率因數」，對嗎?但難道它仍然是關於50Hz或60Hz時的「實際」和無功元件嗎?也對也錯。遺憾的是，這種概念化過程有些太過簡單了。　　在電力配送系統中，對功率因數校正(PFC)的理解通常是在電力配送系統中的某些點增加(一般來說)電容性電抗以抵消電感性負載效應。我們可以說是「無功」負載，但電源工程師在解決功率因數問題時通常最關心的是電機負載。
  • 功率因素校正對效率的重要性及PFC解決方案
    功率因素校正對效率的重要性及PFC解決方案 咩咩 發表於 2020-01-30 17:37:00 隨著消費者越來越關注公用事業帳單的規模，企業主希望遏制螺旋式增長的運營費用
  • 功率因數校正對實現新能效目標的重要性
    這些指導文件中通常引用所有工作負載（從20％到滿負載）範圍內最低能效水平的曲線，因此，設計工程師能夠評估功率系統中的基本構建模塊，以確定發生損耗的位置，然後採取措施消除這些損耗，從而確保滿足新的能效要求。功率因數校正（PFC）對於解決潛在損耗源問題至關重要，因此應予以實施。
  • 開關電源功率因數校正電路設計與應用實例之:概述 (一)
    規範標準的第一個階段其實已經開始，針對降低待機能耗(低負載狀態)方面。下一個階段的任務將更艱巨，就是提高工作狀態下電源的效率。在美國國家環保局「能源之星」計劃以及中國中標認證中心(CECP)的推動下，世界各地正在公布有關電源工作效率的新能效標準。這些更有挑戰性的標準將需要電源廠商及其供應商(包括半導體供應商)共同努力，提供能符合這些新要求的解決方案。
  • 電巢學堂:功率因數校正對實現新能效目標的重要性
    這些指導文件中通常引用所有工作負載（從20％到滿負載）範圍內最低能效水平的曲線，因此，設計工程師能夠評估功率系統中的基本構建模塊，以確定發生損耗的位置，然後採取措施消除這些損耗，從而確保滿足新的能效要求。功率因數校正（PFC）對於解決潛在損耗源問題至關重要，因此應予以實施。
  • 功率因數校正原理及相關IC
    作為限制標準，IEC發布了IEC1000?3?2；歐美日各國也頒布實施了各自的標準。為此諧波電流的抑制及功率因數校正是電源設計者的一個重要的課題。PF=1/(6)從式(2)、式(5)可見，抑制諧波分量即可達到減小THD，提高功率因數的目的。因此可以說諧波的抑制電路即功率因數校正電路(實際上有所區別)。
  • 一種新穎的無源功率因數校正電路
    摘要：提出了一種新穎的無源功率因數校正電路，該電路在傳統的無源功率因數校正基礎上增加了一個簡單的輔助電路，通過增大整流橋的導通角，從而降低了奇次諧波成分並消除了偶次諧波。電路的仿真和實驗驗證了分析的正確性和該電路的實用性。
  • 為計算應用中的功率因數校正電路選擇MOSFET(上)
    功率因數校正 (PFC) 是輸入功率不低於75 W的AC-DC轉換器的一項強制要求。在某些消費應用（如LED照明） 中，要求在低至5 W的功率下進行某些形式的PFC。在低功 率下，可使用為控制線路頻率而設計的無源元件實現校正目 的。但在高功率下，無源解決方案會變得相當「笨重」而昂 貴；使用高開關頻率有源器件可減小所需無源元件的尺寸。 有源PFC的標準實現方式是輸入整流器後跟升壓轉換 器。
  • 由單相功率因數校正(PFC)實現三相PFC的方案介紹
    為了減輕電力汙染的危害程度，許多國家紛紛制定了相應的標準，如國際電工委員會的諧波標準IEEE555—2和IEC—1000—3—2等。功率因數校正(Power Factor CorrecTIon，簡稱PFC)技術，尤其是有源功率因數校正(Active Power FactorCorrection，簡稱APFC)技術可以有效的抑制諧波，已成為研究的熱點
  • NCP1601型功率因數校正控制器的原理及應用
    摘要：NCP1601型功率因數校正控制器可工作在不連續信號模式（DCM）和臨界傳導模式（CRM）二種工作模式下。文中介紹NCP1601的結構和特點，詳細敘述其工作原理並給出一種典型應用電路。
  • 功率因數校正技術的新型控制策略綜述
    1 引言PFC電路在提高電力電子裝置網側功率因數、降低電網諧波汙染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術應用的普及，PFC電路拓撲日漸成熟。關於PFC控制系統與控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側面反映出該領域還有許多問題尚待解決[1]。
  • 開關電源功率因素校正(PFC)及其工作原理
    美國、日本、歐洲等發達國家已制定了相應標準，並強制執行，對於不滿足諧波標準的開關電源不允許上電網。我國也制定了相應標準。因此，隨著減小諧波標準的廣泛應用，更多的電源設計需要結合功率因數校正(PFC)功能 [1]~[4]。　　2 高次諧波和功率因數校正的關係　　一般開關電源輸入市電經整流後對電容充電，其輸入電流波形為不連續的脈衝。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波。
  • 500W功率因數校正電路設計
    500W功率因數校正電路：本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/161895.htm功率因數校正的工作原理1功率因數的定義功率因數（PF）是指交流輸入有功功率
  • 一文搞懂PFC(功率因數校正)
    這種嚴重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數嚴重下降。其主要目的是解決因容性負載導致電流波形嚴重畸變而產生的電磁幹擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。所以現代的PFC技術完全不同於過去的功率因數補償技術，它是針對非正弦電流波形畸變而採取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時變化軌跡，並使電流和電壓保持同相位，使系統呈純電阻性技術（線路電流波形校正技術），這就是PFC（功率因數校正）。
  • 開關電源功率因數校正電路設計與應用實例之:概述(二)
    我國國家技術監督局在1993年頒布了國家標準GB/T 14549-93《電能質量公用電網諧波》。國際電工委員會(International Electrotechnical Commission IEC)於1998年對諧波標準IEC5552進行了修正，另外還制定了IEC61000-3-2標準，其A類標準對電網諧波的要求見表1-3。傳統整流器因諧波遠遠超標而面臨前所未有的挑戰。
  • 變頻空調中功率因數校正的控制電路設計
    由於變頻空調的使用量大面廣，其危害更加嚴重，而且也不符合家用電器出口標準。鑑於我國加入世界貿易組織，國產家電產品將面臨入世的嚴峻挑戰。為獲得與國外同類產品同等的市場競爭地位，國家認監委決定在2003年5月1日以後對家電產品強制執行"3C認證"標準。這些都迫切需要可產品化的諧波抑制和功率因數校正方案。隨著微電子和電力電子技術的飛速發展，用於功率因數校正（PFC）的專用晶片已經相當成熟。
  • 探討功率因數校正技術PFC中的電感材料選擇
    要使PF→1,必須對輸入電流嚴重非正弦情況採取相應的措施，使DF→1,同時還必須使基波電流與電壓相位差φ→0,才能使PF→1,所以功率因數校正實際上是對輸入電流整形使其儘可能正弦化，同時改善電源系統的輸入阻抗，使之儘量呈電阻性，使基波電流與電壓同相位。這就是功率因數校正的基本思路。
  • HiperPFS-4功率因數校正IC 可提供高功率因數、低THD
    致力於高能效電源轉換的高壓集成電路業界的領導者推出HiperPFSTM-4系列功率因數校正(PFC) IC。新器件系列適合要求在滿載及輕載下均提供優異效率及功率因數性能的應用。該IC系列不僅能提供高功率因數和低THD，而且還可在非常寬的輸出負載範圍內始終實現高效率，使OEM廠商符合嚴格的80 PLUS Platinum及Titanium級電源標準。HiperPFS-4 IC即使在20%額定負載下也能實現0.95以上的高功率因數和低THD。
  • 無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數校正
    摘要：在分析了現有平均電流型功率因數校正電路不足的基礎上，提出了一種無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數校正技術。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179417.htm關鍵詞：功率因數校正；輸入電壓檢測；線性 　 1 引言 在中等功率和較大功率場合，平均電流型控制（ACMC）技術是最常用的一種，一般的CCM技術通過三個控制環實現功率因數校正，電流編程信號用來為高帶寬、快速響應的電流環設定基準，電流編程信號的幅值由低帶寬的輸出電壓誤差信號的幅值和經過低通濾波器的線電壓的有效值來調製
  • 三相功率因數校正(PFC)技術的綜述(1)
    摘要：綜述了三相功率因數校正電路發展現狀，並對典型拓撲進行分析比較。 關鍵詞：三相整流器；諧波；功率因數校正 　 1 引言 近20年來電力電子技術得到了飛速的發展，已廣泛應用到電力、冶金、化工、煤炭、通訊、家電等領域。