500W功率因數校正電路設計

500W功率因數校正電路：

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（P）與輸入視在功率（S）的比值。其可以用公式（1）表示。
（1)
式中，I1表示交流輸入市電的基波電流有效值；Irms表示交流輸入市電電流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流輸入市電電流的波形失真系數；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相移因數。

所以功率因數可以定義為交流輸入市電電流的波形失真系數（g）與相移因數（cosφ）的乘積，即功率因數PF主要由兩個(gè)因素決定：一是交流輸入市電的基波電流與基波電壓的相位差φ；另一個(gè)是交流輸入市電電流的波形失真因數γ。而傳統的功率因數概念是在電阻為線(xiàn)性負載，并假定輸入電流無(wú)諧波電流（即I1=Irms或交流輸入市電電流的波形失真系數g=1）的條件下得到的，這樣功率因數的定義就變成了PF=cosφ。

交流輸入市電的cosφ低，表示用電電器設備的無(wú)功功率大，供電設備的利用率低，供電設備的導線(xiàn)、變壓器繞組損耗大，降低了供電線(xiàn)路的使用效率。電流波形失真系數g值低，則表示輸入電流的諧波分量大而基波電流的幅度小，將造成輸入電流的波形畸變，對電網(wǎng)造成污染，嚴重時(shí)還會(huì )造成用電電器設備的損壞。

由于常規整流裝置使用非線(xiàn)性器件（例如，整流二極管或可控硅），整流器件的導通角小于180o，從而產(chǎn)生大量的諧波電流成分。而諧波電流成分不做功，只有基波電流成分做功，所以相移因數cosφ和電流波形失真系數(γ)相比，γ對供電線(xiàn)路的功率因數影響更大。

2 諧波電流對電網(wǎng)的危害
由于常規整流裝置（如二極管或可控硅等整流器件）的使用，使交流輸入電流波形中含有大量的諧波電流成分，大量的諧波電流倒流入電網(wǎng)（稱(chēng)為諧波幅射：Harmonic Emission）會(huì )對電網(wǎng)造成“污染”，產(chǎn)生以下不利影響。

①諧波電流的“二次效應”，即諧波電流流過(guò)線(xiàn)路阻抗而造成的諧波電壓降反過(guò)來(lái)會(huì )使電網(wǎng)電壓波形（原來(lái)是正弦波）發(fā)生畸變。

②過(guò)大的諧波電流會(huì )引起供電線(xiàn)路故障，從而損壞用電設備。例如，過(guò)大的諧波電流會(huì )使線(xiàn)路和配電設備過(guò)熱，還會(huì )引起電網(wǎng)LC諧振，或高次諧波電流流過(guò)電網(wǎng)的高壓電容，使之過(guò)電流、過(guò)熱而導致電容器損壞。

③在三相四線(xiàn)制電路中，三次諧波在中線(xiàn)中的電流同相位，導致合成中線(xiàn)電流很大，有可能超過(guò)相線(xiàn)電流，中線(xiàn)又無(wú)保護裝置，使其因過(guò)熱而引起火災，從而損壞電氣設備。

④諧波電流對自身及同一系統中的其他電子設備會(huì )產(chǎn)生惡劣的影響，例如，會(huì )引起電子設備的誤動(dòng)作和故障等。

3 功率因數與總諧波失真系數（THD）的關(guān)系
電路總諧波失真系數（THD）可以利用公式（2）來(lái)計算。
（2）
方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）如圖1所示。

圖1 方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）

方波電壓可以用函數表達式（3）來(lái)表示。
(3)
由功率因數（PF）的定義：
及公式（2），有公式（4）成立。
（4)
即， （5)
從上面的討論可以看出，功率因數是和交流輸入市電電流的諧波成分有關(guān)的，利用總諧波失真系數和電流波形失真因數之間的關(guān)系式可以得到公式（6）。
（6)
當交流輸入市電的電壓、電流同頻和同相位時(shí)，有cosφ=1，相應有公式（7）成立：
(7)